Мотивация к поиску суперсимметрии
Суперсимметрия (SUSY) представляет собой гипотетическое расширение Стандартной модели (СМ), предполагающее существование новой симметрии между фермионами и бозонами. Каждому известному фермиону соответствует суперпартнёр-бозон, и наоборот. Эта концепция возникла как естественное следствие попыток объединить калибровочные симметрии с пространственно-временными симметриями, а также как средство устранения ряда фундаментальных проблем Стандартной модели: иерархической проблемы, объяснения природы тёмной материи и возможности великого объединения взаимодействий.
Особый интерес вызывает минимальная суперсимметричная модель (MSSM), в которой каждая частица СМ получает суперпартнёра: кварки — скварки, лептоны — слептоны, глюоны — глюино, W- и Z-бозоны — вимпионы, фотон — фотино и т. д. В рамках MSSM также требуется введение второго Хиггсовского дублета, что приводит к более богатой скалярной структуре и новым предсказаниям, тестируемым в экспериментах.
Параметрическое пространство SUSY и модели нарушения суперсимметрии
Поскольку суперпартнёры ещё не наблюдались при низких энергиях, необходимо предполагать, что суперсимметрия нарушена. Существуют различные схемы нарушения SUSY: гравитационное, гейджевое, аномальное и другие. Все они приводят к разным феноменологическим последствиям. Нарушение SUSY проявляется в виде добавления в лагранжиан мягких (не возрождающих квадратичные дивергенции) членов, приводящих к массам суперпартнёров.
Параметрическое пространство SUSY моделей очень велико (более 100 параметров даже в минимальной модели), что требует использования феноменологических ограничений и сценариев, таких как CMSSM (constrained MSSM), mSUGRA, NUHM, pMSSM и др., в которых число свободных параметров существенно сокращается.
Экспериментальные сигнатуры SUSY
Суперсимметричные частицы, будучи тяжёлыми и нестабильными (за исключением наилёгчайшего суперпартнёра — LSP), распадаются с образованием характерных каскадов. Эти каскадные распады включают последовательности переходов от более тяжёлых суперпартнёров к более лёгким с испусканием стандартных частиц. В модели с сохранением R-чётности (величины, различающей СМ-частицы и суперпартнёров) LSP стабилен и не взаимодействует с детекторами, что приводит к пропадающей энергии в событии.
Наиболее характерные экспериментальные сигнатуры:
Методы поиска на коллайдерах
Основным инструментом поиска суперсимметрии являются коллайдеры высокой энергии. В первую очередь — Большой адронный коллайдер (БАК). Эксперименты ATLAS и CMS проводят масштабные поиски SUSY во множестве каналов.
Важные методы включают:
Результаты представляются в виде границ на массы суперпартнёров, исключённых на определённом доверительном уровне. Например, при предположении, что масса глюино менее 2.3 ТэВ, а скварков первого поколения — менее 1.8 ТэВ, в ряде моделей они исключены с доверительной вероятностью 95%.
Исключающие и подтверждающие эксперименты
В дополнение к коллайдерам, поиски SUSY ведутся в:
Проблемы и ограничения
Несмотря на интенсивные поиски, SUSY пока не обнаружена. Это вызывает вопросы о корректности минимальных моделей и подталкивает к разработке новых сценариев: Split-SUSY, compressed spectra, R-паритетное нарушение, нейтральные NLSP и прочие экзотические конфигурации.
Ограничения SUSY-сценариев становятся всё более строгими. Однако параметрическое пространство огромно, и его нельзя полностью исключить только на основании отсутствия сигнатур в классических каналах. Кроме того, возможны случаи, когда SUSY-партнёры маскируются под сигналы СМ или имеют квазидегенеративные массы, что затрудняет их выделение.
Связь с Великой Теорией Объединения и гравитацией
Одним из мотивов суперсимметрии является её способность обеспечить объединение констант взаимодействия при высокой энергии (около 1016 ГэВ), что невозможно в рамках СМ. Кроме того, SUSY естественно вписывается в теорию супергравитации и является неотъемлемой частью суперструнной теории, где суперсимметрия необходима для математической согласованности.
В этом контексте SUSY может быть манифестацией более глубокой структуры микромира, пока не доступной наблюдательному эксперименту напрямую.
Будущие перспективы
Увеличение светимости и энергии коллайдеров (HL-LHC, FCC, CLIC) расширит возможности поиска SUSY-партнёров с большими массами. Также развивается направление по нетрадиционным каналам поиска: долгоживущие частицы, метастабильные состояния, триггерные методы, направленные на редкие или «затушеванные» события.
Одновременно с этим, продвигаются непрямые методы — прецизионные измерения аномалий, низкоэнергетические эксперименты и астрофизические наблюдения, которые могут служить индикаторами присутствия суперсимметрии на недоступных шкалах.
Суперсимметрия остаётся одним из наиболее глубоких и обоснованных теоретических расширений СМ, а её экспериментальная проверка — ключевым направлением современной физики высоких энергий.