Суперпартнёры и расширение спектра частиц
В рамках суперсимметрии (SUSY) каждому фермиону Стандартной модели сопоставляется бозон-суперпартнёр, и наоборот. Электроны, кварки, нейтрино получают скалярные партнёры — селектроны, скварки, снеутрино. Бозоны — фотоны, W/Z-бозоны, глюоны и хиггсовский бозон — получают фермионные партнёры: фотино, винó, зинó, глюино и хиггсино соответственно. Эти новые частицы не наблюдаются в экспериментах, что указывает на необходимость механизма нарушения суперсимметрии, который придаёт суперпартнёрам массу, делающую их недоступными при текущих энергиях.
Минимальная суперсимметричная модель (MSSM)
Минимальное суперсимметричное расширение Стандартной модели (MSSM) сохраняет структуру SM, но вводит минимум новых степеней свободы, необходимых для реализации SUSY. В частности, для обеспечения аномальной устойчивости лагранжиана и реализации механизма спонтанного нарушения симметрии Хиггса необходимо два хиггсовских суперполя: Hu и Hd, отвечающие за массогенерацию вверх- и вниз-направленных фермионов соответственно. Это приводит к появлению пяти физических хиггсовских бозонов: два нейтральных CP-чистых (h и H), один CP-нечёткий (A) и два заряженных (H±).
MSSM определяет богатую структуру взаимодействий между суперпартнёрами, включая взаимодействия глюино с кварками и скварками, хиггсино с лептонами и селептонами, нейтралино с бозонами и т.д. Такая структура обеспечивает платформу для детальной феноменологии.
Нейтралино и харджино: кандидаты в тёмную материю
После нарушения SUSY суперпартнёры смешиваются в физические состояния. Нейтральные фермионы — бинó (суперпартнёр гипербозона), винó (от SU(2) бозона), и хиггсино — формируют 4 нейтралино, обозначаемых χ̃10, …, χ̃40. Самое лёгкое нейтралино (χ̃10) при определённых условиях может быть стабильным и играть роль стабильного WIMP-кандидата на тёмную материю.
Заряженные компоненты винó и хиггсино формируют харджино (χ̃1±, χ̃2±). Харджино и нейтралино играют ключевую роль в каскадных распадах тяжёлых суперпартнёров и могут оставлять характерные сигналы на детекторах, включая пропавшую энергию и лептонные события.
Нарушение суперсимметрии и параметры мягкого нарушения
Поскольку суперсимметрия не наблюдается при низких энергиях, её необходимо нарушить. Однако прямое нарушение разрушает желаемые ультрафиолетовые свойства теории, такие как защита от квадратичных поправок к массе Хиггса. Поэтому используется мягкое нарушение, не влияющее на ультрафиолетовую сходимость. Оно реализуется в виде дополнительных членов в лагранжиане, включающих:
Эти параметры задают характерные масштабы масс суперпартнёров, их распады и взаимодействия, и влияют на феноменологию SUSY на коллайдерах.
Сигнатуры SUSY на коллайдерах
Основной феноменологический выход суперсимметрии — новые процессы и события на высокоэнергетических ускорителях. Классическими признаками SUSY являются:
Поиск суперсимметрии — один из основных направлений программы LHC. Однако при отсутствии обнаружения SUSY-подобных событий устанавливаются всё более строгие нижние границы на массы суперпартнёров.
Консервация R-чётности и стабильность тёмной материи
Фундаментальной характеристикой многих моделей SUSY является R-чётность, определяемая как:
R = (−1)3(B − L) + 2s,
где B — барионное число, L — лептонное, s — спин. Частицы SM имеют R = +1, суперпартнёры — R = −1. Консервация R-чётности гарантирует стабильность самого лёгкого суперпартнёра (LSP), поскольку он не может распасться на частицы с R = +1. Это обеспечивает естественного кандидата в тёмную материю и подавляет опасные процессы, например, быстрый распад протона.
Варианты с нарушением R-чётности (RPV) допускают нестабильные LSP, что существенно меняет феноменологию. Такие модели допускают распады LSP на стандартные частицы, давая финальные состояния без пропавшей энергии.
Суперсимметрия и хиггсовский сектор
В MSSM масса лёгкого скалярного хиггса (h) ограничена сверху теоретическим пределом около 135 ГэВ после учёта квантовых поправок, особенно от топ-кварка и стопа. Наблюдаемая масса хиггса около 125 ГэВ хорошо вписывается в SUSY, но требует либо тяжёлых скаляров (стопов), либо крупного микширования, что сдвигает параметры SUSY в труднодоступные области.
Хиггсовский сектор MSSM также даёт богатую феноменологию: наличие дополнительных хиггсов — H, A, H± — открывает путь к новым каналам поиска, особенно при больших значениях tan β, где усиливаются взаимодействия с лептонами и боттом-кварками.
Космологические аспекты и реликтовая плотность
Лёгкое нейтралино в MSSM при сохранённой R-чётности естественным образом формирует кандидата на тёмную материю. Его реликтовая плотность определяется механизмами аннигиляции в ранней Вселенной. Основные каналы:
Строгие космологические данные (например, из Planck) накладывают ограничения на плотность тёмной материи, что ограничивает допустимые параметры MSSM и SUSY-моделей в целом.
Расширенные SUSY-модели: NMSSM и beyond
NMSSM (Next-to-Minimal SUSY SM) расширяет MSSM введением дополнительного сингулярного суперполя S, что решает проблему μ-параметра и обогащает хиггсовский сектор. Эта модель имеет более сложную структуру нейтралино и хиггсов, обеспечивая гибкость в феноменологическом моделировании и встраивании в космологический контекст.
Также существуют модели с более высокими симметриями (например, ???? = 2) и модели с дополнительными пространственными измерениями, где SUSY реализуется на более фундаментальном уровне (например, в теориях струны и M-теории).
Вклад в решение проблемы иерархий
Одним из главных мотивов для суперсимметрии является устранение квадратичных ультрафиолетовых поправок к массе Хиггса. Благодаря SUSY-балансировке между фермионными и бозонными петлями в квантовых поправках обеспечивается защита скалярной массы от больших сдвигов, вызванных высокоэнергетическими процессами. Это делает SUSY одним из наиболее элегантных и математически устойчивых механизмов естественного объяснения масштаба электрослабого взаимодействия.
Феноменологические ограничения и перспективы
Пока ни один суперпартнёр не был обнаружен, однако диапазон параметров SUSY-моделей огромен, особенно при учёте мягкого нарушения и различных механизмов SUSY-breaking (медиируемое гравитацией, аномалиями, гейджино и др.). Поиск SUSY продолжается на высокоэнергетических установках — LHC и будущих коллайдерах (FCC, ILC), а также в экспериментах по прямому и косвенному обнаружению тёмной материи и в прецизионной физике.
SUSY остаётся центральным направлением в поисках физики за пределами Стандартной модели и источником богатейшей феноменологии, охватывающей коллайдерную, астрофизическую и космологическую физику.