Суперсимметрия в физике что это
Доказательство суперсимметрии полностью изменит наше понимание Вселенной
Большой адронный коллайдер очень скоро снова заработает с удвоенной скоростью. Физики полагают, что столкновения частиц на околосветовых скоростях помогут раскрыть целый набор новых частиц, открывающих изнанку физики: суперсимметрию. В прошлый раз мы немного затронули эту тему, пришло время обсудить, что это за суперсимметрия и зачем она нам.
На данный момент главенствующей теорией физики элементарных частиц является Стандартная модель. Она отлично объясняет, как взаимодействуют основные строительные блоки материи, создавая Вселенную, которую мы видим вокруг.
Стандартная модель — лучшее описание, которое у нас есть, но оно далеко от совершенства.
Неполная теория
Стандартная модель образовалась в 1970-х годах. Это набор уравнений, который описывает, как все известные элементарные частицы взаимодействуют с четырьмя фундаментальными силами: сильным и слабым взаимодействием, электромагнетизмом и гравитацией.
«Есть некоторые вещи, которых Стандартная модель не может объяснить, — говорит физик Джордж Редлинджер из Брукхейвенской лаборатории, которая работает над экспериментом ATLAS на БАК. — Потому мы знаем, что это неполная теория».
Стандартная модель отлично связывает первые три из этих четырех фундаментальных сил, но не касается гравитации. Гравитация настолько слабая сила, что даже игрушечный магнит может ее побороть. Остальные три силы намного сильнее. Гравитация имеет крайне важное значение для физики, и ее поведение описывает общая теория относительности Эйнштейна.
Стандартная модель также не может объяснить присутствие таинственного вещества под названием темная материя, которое удерживает галактики вместе. И не может объяснить, почему во Вселенной намного больше материи, чем антиматерии, хотя должно быть равное количество.
Суперсимметрия — это расширение Стандартной модели, которое могло бы помочь заполнить некоторые из этих недостатков. Она прогнозирует, что каждая частица в Стандартной модели может обладать пока не обнаруженным партнером. Это касается даже знакомых нам частиц вроде электронов. Суперсимметрия предсказывает, что у электронов есть партнеры «селектроны», у фотонов — «фотино» и так далее.
Вот все пробелы в физике, которые может исправить суперсимметрия.
Суперсимметрия может объяснить, почему бозон Хиггса такой легкий
Несмотря на то, что Стандартная модель предсказала существование бозона Хиггса, его обнаружение проделало еще одну трещину в теории. Хиггс, который физики наблюдали на БАК в 2012 году, намного легче, чем ожидалось. Стандартная модель предсказывает, что бозон Хиггса в триллионы раз тяжелее, чем тот, что наблюдали физики во время первого запуска БАК, как говорит Дон Линкольн, физик из Лаборатории Ферми.
Будучи частицей, которая дает массу другим частицам, Хиггс должен быть очень тяжелым, поскольку взаимодействует с огромным числом частиц. Частицы-партнеры, предсказываемые суперсимметрией, могли бы поправить это. Если они существуют, эти дополнительные частицы отменяли бы вклад партнеров в массу Хиггса. Потому бозон Хиггса был бы легким, как мы его и наблюдали.
Это естественное объяснение куда более желательно, чем внесение корректировок в существующую Стандартную модель. Когда вы вынуждены править теории, объясняющие то, что вы в действительности наблюдаете, это знак того, что «вы на самом деле не знаете, что делаете», говорит Линкольн, а эта теория, по всей видимости, неправильная или неполная.
Частицы Стандартной модели во внутреннем круге; суперсимметричные партнеры — во внешнем
Суперсимметрия может объяснить темную материю
Темная материя невидима и до сих пор не обнаружена, но тем не менее на нее приходится до 27% всей материи во вселенной.
Самые легкие суперсимметричные частицы, предсказываемые в рамках теории, могут быть неуловимыми частицами темной материи, на которые охотятся физики десятилетиями. Суперсимметрия предсказывает, что у этой частицы будет нейтральный заряд и она едва ли будет взаимодействовать с любой другой частицей. Примерно такое описание физики ждут от частиц темной материи.
Темная материя невидима, поэтому частицы, из которых она состоит, должны быть нейтральными, иначе будут рассеивать свет и станут видимыми. Эти частицы также ни с чем не взаимодействуют, иначе мы бы их уже обнаружили.
Суперсимметрия указала бы в направлении универсальной теории в физике
Главная цель физики — постоянно конденсировать наше понимание вселенной все более простыми терминами.
К примеру, теперь мы понимаем, что гравитация, которая привела к падению яблока на голову Ньютона, — это та же гравитация, которая управляет планетами и звездами. И теперь мы знаем, что законы электричества и законы магнетизма — просто два закона, которые определяют единую фундаментальную силу электромагнетизма.
Если суперсимметричные частицы включены в Стандартную модель, они бы тесно связали три из четырех фундаментальных сил, которые описываются Стандартной моделью: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие. Суперсимметрия будет означать, что все эти три силы будут обладать одной и той же силой на очень высоких энергетических уровнях.
Многомерное пространство Калаби-Яу
В частности, суперсимметрия может укрепить теорию струн. Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии.
Теория струн остается одним из ведущих кандидатов на «теорию всего», которая объединит всю физику. Тем не менее проверить ее экспериментально чрезвычайно трудно.
«Энергия структур, с которыми имеет дело теория струн, настолько высока, что мы, вероятно, никогда не воспроизведем ее в лаборатории», — говорит Стивен Вайнберг.
Тем не менее открытие суперсимметрии по крайней мере даст апологетам теории струн знать, что они идут в правильном направлении.
Как разлетаются бозоны
Физики думают, что мы найдем доказательства суперсимметрии?
Несмотря на десятилетия поисков, никто не нашел никаких доказательств суперсимметрии. Впрочем, великие теории открывались не за два-три года. К примеру, почти полвека понадобилось на то, чтобы открыть бозон Хиггса с момента теоретического предположения его существования. Потому, хотя мы и не видим доказательств суперсимметрии, эта теория остается очень мощной.
«Это настолько прекрасная идея, что она обязана быть правильной», — говорит Редлинджер.
Тем не менее Вселенной абсолютно все равно, насколько идеальными наши теории ни казались бы, говорит Линкольн. Многие физики говорят, что мы должны были найти доказательства суперсимметричных частиц уже в первый запуск БАК, поэтому теория вполне может быть не ахти.
Но только потому, что мы не видели каких-либо суперсимметричных частиц, еще не означает, что их нет. Может быть, есть что-то в том, как суперсимметрия проявляется, чего мы пока не понимаем. Может, нужен более мощный коллайдер, чтобы частицы-суперпартнеры проявили себя.
Мы не узнаем этого, пока БАК не заработает. Обновленный ускоритель частиц будет работать на 60% сильнее, чем раньше, перейдет от 360 миллионов столкновений в секунду до 700 миллионов столкновений в секунду. Если суперсимметрия была вне досягаемости по уровню энергии во время последнего запуска, данные этого года могут быть совершенно неописуемыми.
Конечно, мы можем ничего и не найти. Но это тоже пойдет нам на пользу.
Если суперсимметрия ошибочна, это откроет дверь к новому набору теорий. Также появится больше доверия к другим теориям, вроде идеи о мультивселенной, к которой никогда не было особого доверия. Ждем запуска.
Поиск суперсимметрии на LHC
Физики уверены, что Стандартная модель не может быть окончательной теорией элементарных частиц, а должна быть частью некоторой более глубокой теории устройства микромира. Какой окажется эта теория — без прямых экспериментальных данных сказать нельзя. Суперсимметрия и построенные с ее помощью теории считаются одними из главных кандидатов на эту роль.
Суперсимметрия до сих пор не открыта в эксперименте. Она пока остается красивым математическим явлением, и неизвестно, имеет ли она отношение к реальному миру или нет. Если в эксперименте будут обнаружены суперчастицы или иные надежно доказанные проявления суперсимметрии, это станет одним из главных открытий в физике элементарных частиц за последние десятилетия. Неудивительно, что поиску суперсимметрии на LHC уделяется большое внимание.
Во избежание недоразумений поясним, что словосочетание «поиск суперсимметрии» не означает, что экспериментаторы будут пытаться углядеть какую-то симметричность в результатах протонных столкновений. Оно лишь означает, что будет вестись поиск новых частиц и иных эффектов, которые выходят за рамки Стандартной модели и которые могут быть объяснены какой-либо разновидностью суперсимметричных теорий гораздо лучше, чем модели без суперсимметрии.
Перспективы открытия суперсимметрии
Главная проблема с экспериментальной проверкой суперсимметрии состоит в том, что нет однозначных оценок масштаба масс: это может быть и 1 ТэВ, и на порядки больше. Если окажется, что LHC не видит ни малейшего намека на суперсимметричные частицы, идея суперсимметрии не будет закрыта, а лишь слегка потускнеет ее привлекательнось для теоретиков.
В том случае, если же будет обнаружен какой-то нестандартный эффект, похожий на проявление суперсимметричных частиц, это, конечно, не станет автоматически доказательством существования суперсимметрии. Потребуется скрупулезная проверка того, нельзя ли описать этот эффект иными, несуперсимметричными моделями. Эта задача усложняется еще и тем, что для правильной интерпретации данных (а затем извлечения параметров суперсимметрии) потребуется параллельно проанализировать не один-два, а большое число разных процессов. Ее решение потребует «распараллеливания» человеческих ресурсов, причем не только физиков-экспериментаторов, которые непосредственно изучают данные, но и теоретиков.
Как будут искать суперсимметричные частицы
Практически все теории с участием суперсимметрии сходятся в одном: самая легкая из суперсимметричных частиц будет либо вовсе стабильная, либо очень долгоживущая, и, кроме того, она очень слабо взаимодействует с обычными частицами. Поскольку детекторы элементарных частиц построены из обычных частиц, они не смогут уловить легчайшую суперсимметричную частицу.
Наличие такой частицы, однако, можно будет легко заметить косвенно — по дисбалансу поперечного импульса зарегистрированных частиц. Высокоэнергетические протоны сталкиваются вдоль оси, их суммарный поперечный импульс практически нулевой, а значит, суммарный импульс всех родившихся частиц — как тех, которые детекторы видят, так и тех, для которых детекторы прозрачны, — тоже будет близок к нулю. Поэтому если поперечный импульс всех измеренных частиц заметно отличается от нуля, то значит, в столкновении родилась одна или несколько частиц, которые унесли с собой недостающий поперечный импульс.
Анализ событий с «пропавшим» поперечным импульсом будет одним из ключевых пунктов стратегии поиска суперсимметрии. Вначале будет просто вестись подсчет таких событий, затем будет проверено, сможет ли такие события описать Стандартная модель (ведь нейтрино не регистрируется детектором и тоже уносит поперечный импульс). И наконец, если окажется, что такие события не описываются Стандартной моделью, будет проверено, предсказания каких вариантов суперсимметричных теорий лучше всего опишут данные.
Поскольку скварки и глюино — суперпартнеры кварков и глюонов — тоже чувствуют сильное взаимодействие, они будут рождаться среди суперчастиц чаще всего. Поэтому процесс вида «несколько адронных струй плюс пропавший поперечный импульс» будет одним из самых четких проявлений суперсимметрии (см. рис. 1).
Кроме поиска событий с пропавшим поперечным импульсом, физики будут обращать внимание на любые комбинации частиц, рождение которых в рамках Стандартной модели маловероятно. Например, в некоторых вариантах суперсимметричных теорий предсказывается характерное рождение нескольких лептонов или нескольких фотонов (пример такого события показан на рис. 2). Все подобные отклонения от Стандартной модели будут внимательно проверяться на «причастность» к суперсимметрии.
Изучение хиггсовских бозонов суперсимметричных моделей
Даже если частицы-суперпартнеры обычных частиц окажутся слишком тяжелыми и не смогут напрямую рождаться в коллайдере, у физиков останется возможность проверить предсказания суперсимметрии для хиггсовских бозонов. В отличие от Стандартной модели, в суперсимметричных теориях имеется несколько бозонов Хиггса с разными свойствами, в том числе и электрически заряженные. Эти частицы нестабильны, поэтому искать их будут не непосредственно в детекторе, а через следы их распада на обычные частицы. Так или иначе, открытие бозона (или бозонов) Хиггса и внимательное изучение их свойств (сечение рождения, предпочитаемые варианты распада) будет важным этапом поиска суперсимметрии.
Как будут представлять полученные результаты
Имеется много разных вариантов суперсимметричных теорий, а в каждом из них есть много свободных параметров. Когда экспериментаторы будут искать суперсимметрию, они, разумеется, не будут пытаться проверить весь бесконечный набор возможных теорий. Вместо этого выбирается несколько простых опорных вариантов суперсимметричных моделей и (не)согласие с данными проверяется для них.
Одна из таких моделей — mSUGRA, минимальная суперсимметричная модель, включающая гравитацию. Для эксперимента самыми главными ее параметрами являются массы суперчастиц, а конкретно, две величины: масса суперпартнеров фермионов (m0) и масса суперпартнеров калибровочных бозонов (m1/2) в момент нарушения суперсимметрии (массы реальных суперчастиц не слишком сильно отличаются от этих параметров). Таким образом, разные модели будут отвечать разным точками на плоскости (m0,m1/2).
На рис. 3 показана эта плоскость в наиболее интересном диапазоне масс. Поиски суперсимметрии на предыдущих коллайдерах (LEP и Тэватрон) уже закрыли небольшие области масс, однако только LHC сможет просканировать всю изображенную площадь. Похожие плоскости параметров рисуют и для других вариантов суперсимметричных моделей.
Суперсимметрия
Вначале сделаем маленькое предупреждение. Обилие слов с приставкой «супер-» на этой странице может показаться забавным, но это всё стандартные, устоявшиеся термины. Эта приставка не является эквивалентом чего-то этакого «сверхкрутого», а всего лишь указывает на то, что речь идет про теории, смешивающие бозоны и фермионы. В научной литературе за суперсимметрией закрепилось сокращение SUSY (читается «сьюзи»).
В Стандартной модели есть четкое противопоставление между частицами материи и частицами-переносчиками взаимодействий. Фундаментальные «кирпичики» материи — кварки и лептоны — являются фермионами, частицами со спином 1/2 (полуцелым спином), в то время как все частицы — переносчики сил (фотон, глюоны, W- и Z-частицы) являются бозонами, частицами со спином 1 (целым спином). Фермионы и бозоны ведут себя настолько по-разному, что, казалось бы, нет никакой возможности «поженить» их друг с другом.
Однако именно это удается сделать в рамках математических теорий, опирающихся на идею суперсимметрии — симметрии между фермионами и бозонами. Оказывается, и фермионы, и бозоны можно рассматривать как части некоторого единого семейства, называемого супермультиплетом частиц. Этот супермультиплет описывает частицы, которые двигаются в суперпространстве — расширении обычного четырехмерного пространства-времени, к которому добавляются совершенно необычные измерения с некоммутирующими координатами. Оказывается, если супермультиплет повернуть в этом суперпространстве, то бозоны могут превратиться в фермионы и наоборот. Иными словами, бозоны и фермионы — это лишь разные проекции на наш обычный мир единого объекта, живущего в суперпространстве.
Суперсимметрия может на первый взгляд показаться чрезвычайно искусственной конструкцией, попыткой «притянуть за уши» излишне сложную математику к описанию нашего мира. Однако когда дело доходит до построения конкретных теорий за пределами Стандартной модели, у суперсимметричных моделей обнаруживается редкая мощь, способность решать проблемы, которые трудно решить как-то иначе (приблизительно нулевая энергия вакуума, естественное возникновение хиггсовского механизма, устранение проблемы иерархии, более сильные свидетельства в пользу теории объединения взаимодействий и т. п.).
По этой причине суперсимметрия уже давно воспринимается не как экзотическая гипотеза, а как один из самых главных вариантов физики за пределами Стандартной модели. Полезно также напомнить, что теория неабелевых калибровочных взаимодействий, предложенная Янгом и Миллсом в 1954 году, тоже поначалу казалась чем-то совершенно абстрактным и не имеющим отношения к физической реальности. Тем не менее сейчас это ключевой элемент Стандартной модели.
Суперсимметрия в реальном мире
Идею суперсимметрии можно применить к реальному миру (см. рис. 1). Правда, в этом случае частица вещества (например, электрон) входит в один супермультиплет не с известными бозонами, а с некоторой новой частицей, которая называется «скалярный суперпартнер электрона», или, коротко, «сэлектрон». Аналогичный суперпартнер есть у каждого фермиона; называется он так же, как исходная частица, только с приставкой «с-» (смюон, скварк и т. д.), а обозначается той же буквой, только с тильдой. Все суперпартнеры фермионов — бозоны. Частицы-переносчики взаимодействий (а также хиггсовские бозоны) тоже входят в свои супермультиплеты, и их суперпартнеры являются фермионами. Название частиц получается в этом случае путем добавления суффикса «-ино»: фотино, хиггсино, глюино и т. д.
Если бы суперсимметрия строго выполнялась в нашем мире, массы частиц и их суперпартнеров были бы равны. Но среди экспериментально открытых элементарных частиц мы не видим ни одного примера такого суперпартнерства. Значит, суперсимметрия — если она вообще реализуется в нашем мире — должна быть нарушена. Наиболее привлекателен для теоретиков механизм спонтанного нарушения суперсимметрии: то есть теория формулируется симметрично, но решения, описывающие наш мир, симметрию теряют.
Как симметрии вообще могут спонтанно нарушаться, теоретики знают; спонтанное нарушение электрослабой симметрии — яркий тому пример. Нарушение суперсимметрии должно сделать суперчастицы массивными, с массами в районе сотен ГэВ или выше. К сожалению, нет четкого предсказания масштаба масс суперчастиц; их значения сильно зависят от устройства моделей. Тем не менее, если нам «повезет» и энергия Большого адронного коллайдера достигнет этого диапазона, в нём начнут в изобилии рождаться суперчастицы.
Варианты суперсимметричных теорий
Разработано много разновидностей суперсимметричных теорий, которые при низких энергиях похожи на Стандартную модель и не противоречат имеющимся сейчас экспериментальным данным. Поскольку суперсимметрия до сих пор не открыта экспериментально, теоретики при построении таких моделей руководствуются прежде всего математической самосогласованностью теории.
Один из главных параметров суперсимметричных моделей — это число N, которое показывает, сколько типов суперсимметрии заложено в теорию. Так называемая Минимальная суперсимметричная стандартная модель (MSSM) отвечает N = 1; а максимально суперсимметричная теория без гравитации, включающая калибровочные взаимодействия, имеет N = 4. К слову сказать, эта теория оказалась настолько замечательной, а развитые в ней методы решения оказались насколько мощными, что ее сейчас вовсю используют как «простую модель» теории сильных взаимодействий.
Разные виды суперсимметричных теорий могут сильно различаться своим спектром масс частиц, то есть тем, как именно массы разных суперсимметричных частиц располагаются друг относительно друга. На рис. 2 для примера показан массовый спектр одной конкретной разновидности MSSM с довольно легкими частицами.
Так же как электрослабую симметрию можно нарушить разными вариантами хиггсовского механизма, существуют и разные механизмы нарушения суперсимметрии. Опять же, в отсутствие прямых экспериментальных данных, теоретики конструируют и изучают, опираясь на самосогласованность и предсказательную силу возникающей теории. Среди прочих возможностей в нарушении суперсимметрии может принимать участие и гравитация.
Несмотря на разнообразие вариантов суперсимметричных моделей, у них есть общие характерные предсказания.
К сожалению, заранее нельзя предсказать, при каких энергиях начнут рождаться суперчастицы. Не исключено, что, даже если суперсимметрия существует, этот порог находится при энергиях существенно выше 1 ТэВ. В таком случае прямое рождение суперчастиц будет невозможным ни на LHC, ни на коллайдерах следующего поколения.
Что такое суперсимметрия?
Большой адронный коллайдер (LHC) уже начал свою работу. Его запуск вызвал значительный интерес и сопровождался большим количеством разнообразных и, порой, антинаучных слухов и спекуляций.
Одной из важных целей работы LHC является проверка суперсимметричных моделей. Суперсимметрия как раз является областью моей научной деятельности, и я решил в научно-популярной форме попытаться рассказать, что же это такое.
Теоретические основы физики элементарных частиц
Физика элементарных частиц — одна из немногих областей человеческого знания, где удалось проникнуть глубже всего в тайны материи и объяснить ее свойства. До сих пор сокращение числа законов, описывающих мир, было одной из основных тенденций при построении научных теорий. При этом главной целью всегда оставалось и остается построение единой теории поля, которая бы объединила все знания человечества о природе, и из которой можно было бы вывести (хотя бы в принципе) все законы как частные случаи такой теории.
Фундаментальные взаимодействия
В настоящее время известно четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Первые два обладают дальнодействием и проявляются в повседневной жизни. Гравитация, например, управляет движением небесных тел. Все мы испытываем гравитационное притяжение Земли. Электромагнетизм объясняет большинство явлений, с которыми сталкивается человек в повседневной жизни. Два других взаимодействия короткодействующие. Они проявляются только на масштабах атомного ядра (объясняют альфа- и бета-распад) и становятся определяющими на более мелких масштабах.
В микромире ключевую роль играют квантовые свойства частиц. Для описания фундаментальных взаимодействий, однако, недостаточно обычной квантовой механики. Во-первых, квантовая механика является нерелятивистской теорией, то есть она верна для малых скоростей по сравнению со скоростью света. Во-вторых, квантовая механика не описывает процессы рождения и уничтожения частиц, которые происходят при взаимодействии частиц высоких энергий. Релятивистским обобщением (согласующимся с идеями специальной теории относительности) квантовой механики является квантовая теория поля.
Квантовая теория поля
В квантовополевых теориях частицы материи являются «квантами» (возмущениями) соответствующих полей. Взаимодействие между частицами переносится специальными полями. Предполагается, что частицы материи в процессе взаимодействия испускают и поглощают другие частицы — кванты поля-переносчика.
Первый успешный пример квантовой теории поля — квантовая электродинамика — был построен в работах Фейнмана, Швингера и Томонаги в середине двадцатого века, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1965 году. Квантовая электродинамика рассматривает взаимодействие между заряженными частицами (например, электронами и позитронами), возникающее вследствие обмена фотонами — квантами электромагнитного поля.
Симметрия в физике элементарных частиц
В физике симметрии играют двоякую роль. Во-первых, каждому типу симметрии физической системы соответствует сохраняющаяся величина. Например, из однородности времени (неизменность относительно преобразований t → t + Δt) следует закон сохранения энергии, из однородности пространства (неизменность относительно преобразований координат x → x + Δx) — закон сохранения импульса, из изотропности пространства (неизменность относительно поворотов) — закон сохранения момента импульса (момент импульса L = mvr характеризует «количество вращения» и является аналогом импульса p = mv).
Во-вторых, от новых физических теорий можно требовать выполнения различных симметрий. Чем больше таких требований — тем меньше произвол в построении теории.
Примером физической теории, обладающей симметрией, является обычная квантовая механика, оперирующая волновыми функциями. Волновая функция частицы — это комплексная функция, например, пространственных координат (грубо говоря, комплексное число в каждой точке). Ее можно рассчитать из уравнения Шрёдингера. Физический смысл имеет не сама волновая функция, а квадрат ее модуля, который показывает вероятность нахождения частицы в каком-либо месте.
Если все волновые функции умножить на одно и то же комплексное число с модулем 1, никакие предсказания теории не изменятся. Действительно, модуль произведения комплексных чисел равен произведению модулей, и от такого домножения никакие вероятности не изменяются.
Это пример так называемой глобальной симметрии (глобальной — потому, что волновая функция умножалась в разных точках на одно и то же число). Суть этой симметрии заключается в том, что теория не изменяется относительно некоторого класса преобразований (в нашем случае эти преобразования — умножение на произвольное комплексное число с модулем, равным 1).
Квантовая электродинамика обладает симметрией относительно преобразований, называемых калибровочными. Эти преобразования заключаются в домножении поля электронов на комплексное число с модулем 1 (правда, чтобы теория не изменялась, одновременно с преобразованием поля электронов нужно выполнить и некоторые другие преобразования электромагнитного поля). В отличие от рассмотренного выше случая квантовой механики, это число уже может быть в каждой точке различным (локальная симметрия).
Интересно отметить следующий момент. Как было сказано выше, с каждой симметрией связана сохраняющаяся величина. В случае калибровочных преобразований квантовой электродинамики такой сохраняющейся величиной является обычный электрический заряд.
В пятидесятых годах Янг и Миллс построили модель, уравнения которой не менялись под действием более сложных локальных калибровочных преобразований. Сначала интерес был исключительно математическим. Однако потом на основе теории Янга — Миллса были созданы основные теории взаимодействия элементарных частиц — теория электрослабых взаимодействий и квантовая хромодинамика. Эти теории, обладающие калибровочной симметрией, получили экспериментальное подтверждение.
Стандартная модель фундаментальных взаимодействий
В шестидесятых годах удалось объединить электромагнетизм и слабые взаимодействия. Салам, Глэшоу и Вайнберг построили теорию электрослабых взаимодействий. В 1979 году им была присуждена Нобелевская премия. Новая теория предсказала существование новых частиц, так называемых W- и Z-бозонов. Они отвечают за «перенос» слабого взаимодействия. Эти бозоны были открыты на протонном суперсинхротроне в 1983 году.
Казалось бы, каким образом можно объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, если у первых радиус взаимодействия бесконечен (действительно, мы видим свет — электромагнитное излучение — от удаленных галактик и других астрономических объектов), а у вторых он не превышает размеры атомного ядра? Оказывается, такая «несимметричность» связана с тем, что масса фотонов равна нулю, а масса W- и Z-бозонов очень большая, они примерно в 100 раз тяжелее протона.
Нарушение так называемой электрослабой симметрии является важным свойством теории электрослабых взаимодействий (этой симметрией обладают уравнения теории). В результате нарушения W- и Z-бозоны и некоторые другие частицы (например, электроны) приобретают массы.
В рамках модели Янга — Миллса калибровочные бозоны нельзя сделать массивными, не разрушив калибровочную симметрию. Для нарушения электрослабой симметрии был придуман механизм Хиггса. Основная идея заключается в том, что все пространство пронизывает специальное хиггсовское поле, которое взаимодействует с остальными полями и нарушает симметрию, хотя уравнения теории остаются симметричными. Возмущения хиггсовского поля должны проявляться на эксперименте как новые частицы — хиггсовские бозоны. Бозон Хиггса — очень тяжелая частица, тяжелее W- и Z-бозонов. Поэтому она пока не открыта экспериментально.
Теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, тоже основана на уравнениях Янга — Миллса. Квантовая хромодинамика говорит, что многие элементарные частицы — мезоны и барионы (например, протон) — состоят из кварков. Однако изолированные кварки никогда не наблюдались (это явление называется конфайнментом). Из-за сложности уравнений квантовой хромодинамики конфайнмент до сих пор не выведен из них напрямую. Кстати, решение уравнений Янга — Миллса и объяснение конфайнмента является одной из семи проблем тысячелетия, за которые институт Клэя назначил приз в миллион долларов.
Квантовая хромодинамика также находит подтверждение в ускорительных экспериментах. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий включает в себя модель электрослабых взаимодействий и квантовую хромодинамику. Стандартная модель оказалась в состоянии объяснить практически все экспериментальные данные, полученные к настоящему времени в физике элементарных частиц.
Суперсимметрия
Идея суперсимметрии
Перед тем, как перейти к обсуждению суперсимметрии, рассмотрим понятие спина. Спин — это собственный момент импульса, присущий каждой частице. Он измеряется в единицах постоянной Планка и бывает целым или полуцелым. Спин является исключительно квантовомеханическим свойством, его нельзя представить с классической точки зрения. Наивная попытка трактовать элементарные частицы как маленькие «шарики», а спин — как их вращение, противоречит специальной теории относительности, так как точки на поверхности шариков должны в таком случае двигаться быстрее света. Электроны обладают спином 1/2, фотоны — спином 1.
Суперсимметрия — это симметрия между частицами с целым и полуцелым спином. Идея суперсимметрии была предложена в теоретических работах Гольфанда и Лихтмана, Волкова и Акулова, а также Весса и Зумино около 40 лет назад. Вкратце она заключается в построении теорий, уравнения которых не изменялись бы при преобразовании полей с целым спином в поля с полуцелым спином и наоборот. С тех пор были написаны тысячи статей, суперсимметризации были подвергнуты все модели квантовой теории поля, был разработан новый математический аппарат, позволяющий строить суперсимметричные теории.
Стандартную модель фундаментальных взаимодействий, рассмотренную ранее, тоже можно сделать суперсимметричной. При этом решается ряд ее проблем. Рассмотрим некоторые из них.
Мотивировка суперсимметрии
Несмотря на огромные успехи Стандартной модели в объяснении экспериментальных данных, она обладает рядом теоретических трудностей, которые не позволяют Стандартной модели быть окончательной теорией, описывающей наш мир. Оказывается, часть этих трудностей может быть преодолена при суперсимметричном расширении Стандартной модели.
Объединение констант связи
Гипотеза великого объединения, которой придерживаются многие физики, говорит, что различные фундаментальные взаимодействия есть проявления одного, более общего, взаимодействия. Это взаимодействие должно проявляться при огромных энергиях (по различным оценкам, энергия великого объединения в 10 13 или даже в 10 16 раз превосходит энергию, доступную современным ускорителям элементарных частиц). При понижении энергии от объединенного взаимодействия «отщепляется» сначала гравитационное взаимодействие, потом сильное, а в завершение электрослабое взаимодействие распадается на слабое и электромагнитное.
В Стандартной модели, однако, электрослабое и сильное взаимодействия объединены лишь формально. Они могут оказаться разными проявлениями общего взаимодействия, а могут и не оказаться. Тем не менее, анализ экспериментальных результатов дает некоторые подсказки к вопросу о существовании великого объединения.
У каждого из фундаментальных взаимодействий есть величина, которая характеризует его интенсивность. Эта величина называется константой взаимодействия. Константа электромагнитных взаимдействий просто равна заряду электрона. В случае сильных и слабых взаимодействий ситуация несколько сложнее.
Одно из интересных свойств квантовой теории поля состоит в том, что константа взаимодействия на самом деле не константа — она меняется при изменении характерных энергий процессов с участием элементарных частиц, причем теория может предсказать характер этой зависимости.
В частности, это означает, что при приближении к электрону на расстояния, гораздо меньшие размеров атома, начинает меняться его заряд! Причем такое изменение, обусловленное квантовыми эффектами, подтверждено экспериментальными данными, например, небольшим изменением уровней энергии электронов в атоме водорода (лэмбовский сдвиг).
Константы электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий измерены с достаточной точностью для того, чтобы можно было вычислить их изменение с ростом энергии. Результаты изображены на рисунке. В Стандартной модели (графики слева) нет таких энергий, где произошло бы объединение констант взаимодействий. А в минимальном суперсимметричном расширении Стандартной модели (графики справа) такая точка имеется. Это значит, что суперсимметрия в физике элементарных частиц обладает приятным свойством — в ее рамках возможно великое объединение!
Эволюция калибровочных констант связи с ростом масштаба энергии в Стандартной модели и МССМ.
Объединение с гравитацией
Стандартная модель не включает гравитационное взаимодействие. Оно совершенно незаметно в ускорительных экспериментах из-за малых масс элементарных частиц. Однако при больших энергиях гравитация может стать существенной.
Современная теория гравитационных взаимодействий — общая теория относительности — является классической теорией. Квантовое обобщение этой теории, без сомнения, стало бы самой общей физической теорией, если бы было построено. Помимо отсутствия каких бы то ни было экспериментальных данных, имеются серьезные теоретические препятствия в построении теории квантовой гравитации.
В объединении гравитации с остальными взаимодействиями также есть трудности. Переносчик гравитационного взаимодействия, гравитон, должен иметь спин 2, в то время как спин переносчиков остальных взаимодействий (фотон, W- и Z-бозоны, глюоны) равен 1. Чтобы «перемешать» эти поля, нужно преобразование, меняющее спин. А преобразование суперсимметрии как раз и есть такое преобразование. Оно уменьшает спин частицы на 1/2 и, следовательно, может перемешивать частицы с разными спинами. Таким образом, объединение с гравитацией в рамках суперсимметрии вполне естественно.
Природа темной материи Вселенной
Суперсимметрия может объяснить некоторые результаты исследований в космологии. Один из таких результатов заключается в том, что видимая (светящаяся) материя составляет не всю материю во Вселенной. Значительное количество энергии приходится на так называемую темную материю и темную энергию.
Прямым указанием на существование темной материи являются зависимости скоростей звезд в спиральных галактиках от их расстояния до центра. Эту зависимость легко вычислить. Оказывается, экспериментальные данные существенно расходятся с предсказаниями теории.
Расхождение объясняют тем, что галактики находятся в «облаках» темной материи. Частицы темной материи взаимодействуют только гравитационно. Поэтому они группируются вокруг галактик (правильнее было бы сказать, что обычная материя группируется вокруг сгустков темной материи) и искажают распределение масс в галактике.
Реликтовое излучение — равновесное тепловое излучение, заполняющее Вселенную. Это излучение отделилось от вещества на ранних этапах расширения Вселенной, когда электроны объединились с протонами и образовали атомы водорода (рекомбинация). Тогда Вселенная была в 1000 раз моложе, чем сейчас. Нынешняя температура реликтового излучения составляет примерно 3 K.
Недавние высокоточные измерения распределения температуры реликтового излучения по небу в эксперименте WMAP показали, что общая энергия Вселенной распределена между темной энергией (73%), темной материей (23%) и обычной материей (4%), то есть темная материя составляет значительную часть, превосходящую во много раз долю видимой материи.
В Стандартной модели нет подходящих частиц для объяснения темной материи. В то же время в некоторых суперсимметричных моделях есть прекрасный кандидат на роль холодной темной материи, а именно нейтралино — легчайшая суперсимметричная частица. Она стабильна, так что реликтовые нейтралино могли бы сохраниться во Вселенной со времен Большого взрыва.
Что касается темной энергии, ее природа в рамках современных физических теорий совершенно непонятна. Это настоящий вызов физикам двадцать первого века. Темную энергию можно интерпретировать как собственную энергию вакуума, однако при этом возникают огромные несоответствия между теоретическими оценками и наблюдаемым значением плотности темной энергии. Существование темной энергии приводит к наблюдаемым следствиям — ускоренному расширению Вселенной в настоящее время.
Для построения суперсимметричных моделей был развит математический аппарат, останавливаться на котором здесь нет никакой возможности. Однако, несмотря на всю сложность математического аппарата, суперсимметричные теории обладают рядом простых особенностей.
К одной из таких особенностей относится удвоение числа частиц. Каждая частица приобретает суперпартнера — частицу, обладающую точно такими же свойствами, за исключением спина, отличающегося на 1/2.
В Стандартной модели нет частиц, которые могли бы быть суперпартнерами друг друга. Следовательно, в суперсимметричных расширениях Стандартной модели каждая частица приобретает своего суперпартнера — новую частицу. Минимальная суперсимметричная Стандартная модель (МССМ) требует для построения меньше всего новых частиц.
Другой важной особенностью суперсимметричных моделей является нарушение суперсимметрии. Если бы такого нарушения не было, суперпартнеры имели такие же массы, что и обычные частицы. Однако новые частицы с массами известных частиц Стандартной модели никогда не наблюдались. Также без нарушения суперсимметрии не работал бы хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии.
Чтобы применять суперсимметричные модели в физике высоких энергий, необходимо потребовать нарушение суперсимметрии. При этом суперпартнеры могут приобрести большие массы, чем можно объяснить их ненаблюдение в настоящее время.
Конкретный механизм нарушения суперсимметрии сейчас неизвестен. Это существенно снижает предсказательную силу модели, так как в ней появляется большое число свободных параметров, подбирая которые, можно получать произвольные следствия. Некоторые соображения, например, гипотеза великого объединения, позволяют ограничить число свободных параметров. Исследование ограничений на параметры суперсимметричных моделей является одним из важных направлений в исследовании физики за пределами Стандартной модели.
Экспериментальный статус суперсимметричных моделей
Суперсимметрия является одним из основных кандидатов на роль новой теории в физике элементарных частиц за рамками Стандартной модели. Поиски различных проявлений суперсимметрии в природе были одной из главных задач многочисленных экспериментов на коллайдерах (LEP — большой электрон-позитронный коллайдер и Тэватрон) и в неускорительных экспериментах на протяжении нескольких десятилетий.
К сожалению, результат пока отрицательный. Нет никаких прямых указаний на существование суперсимметрии в физике элементарных частиц, хотя имеющиеся суперсимметричные модели в целом не запрещены имеющимися теоретическими и экспериментальными требованиями.
LHC (большой адронный коллайдер) — новый ускоритель, построенный в ЦЕРНе. Его энергия в семь раз превосходит энергию действующего американского ускорителя Тэватрона. В большинстве суперсимметричных моделей массы новых частиц лежат в области, доступной LHC. Предполагается, что на LHC будет открыт бозон Хиггса и суперсимметричные частицы. В новых экспериментах низкоэнергетическая суперсимметрия будет либо обнаружена, либо исключена.
Хотя суперсимметрия и не открыта на опыте, различные суперсимметричные модели могут быть исследованы уже сейчас. Во-первых, следует исключить модели, в которых новые частицы имеют недостаточно большие массы, к настоящему времени уже закрытые экспериментально. Во-вторых, расхождения некоторых экспериментальных данных и теоретических предсказаний Стандартной модели могут объясняться вкладом суперсимметричных частиц, и с этой точки зрения некоторые суперсимметричные модели оказываются предпочтительнее других.
Многие специалисты в физике высоких энергий исследуют различные варианты суперсимметричных моделей и их следствия. Вполне возможно, что одна из таких моделей будет подтверждена на ускорителе LHC.