Если на улице вы спросите случайного человека: «как искать суперсимметрию?» то он, скорее всего, быстро перейдёт на другую сторону. Но если задать этот вопрос на улице в ЦЕРН, лаборатории, управляющей Большим адронным коллайдером, вы, скорее всего, получите в ответ что-то вроде: «Ищите неожиданное количество столкновений со струями и недостающей энергией».

А такой ответ может заставить уже вас быстро перейти на другую сторону улицы. Но он не такой уж и необъяснимый, ему просто требуется перевод. Означает он следующее:

Необходимо искать неожиданно большое число столкновений протонов с протонами, в которых проявляются признаки как (а) кварков, антикварков или глюонов (частиц, находящихся внутри протонов и других адронов), вылетающих из столкновения с очень большой энергией, будто из пушки (и создающих брызги частиц, называемые ""струи«:[https://ru.wikipedia.org/…D1%83%D1%8F_(%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D1%80%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%86)]»), так и (б) неопределимых частиц, невидимо улетающих прочь, и уносящих с собой большое количество импульса и энергии.

Цель данной статьи – объяснить вам, почему люди дадут подобный ответ, и каковы его сильные и слабые стороны.

Предварительные сведения

Вам нужно прочесть статью о том, что такое суперсимметрия, и что означают её предсказания. Вкратце: каждому типу известных нам в природе частиц для суперсимметрии требуется наличие одной-двух дополнительных, которые физики обычно называют суперпартнёрами, обладающих схожими свойствами, но отличающихся в одном аспекте:

Если известная нам уже частица – бозон, тогда её суперпартнёр будет фермионом, и наоборот (в этой статье можно прочесть о том, что такое бозоны и фермионы).

Чтобы не возникало противоречий с уже полученными данными, суперсимметрия должна быть хитрым образом спрятана, из-за чего появляется второе различие между частицей и её суперпартнёром:

Масса суперпартнёра больше, чем масса уже известной нам частицы.

В наиболее популярном варианте суперсимметрии суперпартнёр каждой известной нам частицы оказывается достаточно тяжёлым для того, чтобы едва выйти за пределы мощности предыдущих экспериментов, но при этом оказаться в пределах возможностей БАК.

Рис. 1: известные нам частицы и частицы Хиггса, а также их суперпартнёры (слептоны, снейтрино, скварки, глюино, чарджино и нейтралино), предсказанные суперсимметрией. Более тяжёлые частицы вверху.

Причина, по которой многие физики считают, что суперпартнёры скорее всего находятся в пределах возможностей БАК – они считают, что суперсимметрия может стать решением загадки, известной, как проблема калибровочной иерархии. Если суперпартнёры окажутся гораздо тяжелее, тогда решение проблемы иерархии придётся искать где-то ещё.

Предположим, что физики правы – почему тогда нам надо искать столкновения, приводящие к появлению множества струй (признаков высокоэнергетических кварков/антикварков/глюонов) и большого количества пропавшей энергии (признаков невидимых частиц)?

Откуда берётся ответ «струи и недостающая энергия»?

Для начала позвольте рассказать, что у физиков на уме, а потом я расскажу, откуда всё это взялось.

Вот, о чём они думают:

Рис. 2: два протона (вид в перспективе) несутся навстречу друг другу, и верхний кварк внутри ближнего протона вскоре столкнётся с верхним кварком внутри дальнего протона в точке столкновения

Поскольку протон состоит из кварков, антикварков и глюонов, на которые действует сильное ядерное взаимодействие, в столкновениях протонов на БАК из всех суперпартнёров проще всего получить суперпартнёров для них: скварки, антискварки и глюино. К примеру, (на рис. 2 и 3) в столкновении протонов могут столкнуться два верхних кварка и сформировать два верхних скварка.

Рис. 3: Сталкивающиеся верхние кварки с рис. 2 производят пару верхних скварков, каждый из которых почти сразу распадается на верхний кварк и нейтралино (смесь суперпартнёров фотона, частиц Z и Хиггса).

Что будет дальше? Как большинство частиц, скварки распадутся. На что? Во многих вариантах суперсимметрии, скварки распадутся на кварк и ещё один суперпартнёр, нейтралино (смесь суперпартнёров фотона, частиц Z и Хиггса). Кварки переносят много энергии и превратятся в струи, а нейтралино пролетят сквозь детекторы без следа. Соответственно, мы должны увидеть две высокоэнергетические струи, по одной на каждый кварк, и признаки того, что они отскакивают от чего-то невидимого и необнаруженного.

Рис. 4: каждый высокоэнергетический кварк с рис. 3 превратится в струю адронов, а нейтралино ускользнут без изменений

Само столкновение и появление с последующим распадом скварков показано на рис. 3. Струи и нейтралино, вылетающие из точки столкновения, показаны на рис. 4. То, что реально видит детектор – единственная информация, получаемая учёными – показано на рис. 5.

Очевидный дисбаланс, видимый на рис. 5, где большая часть вещества направляется вправо и вверх, но ничего не уходит влево и вниз, по неудачным исторически сложившимся причинам и для краткости называется «недостающей энергией». На самом деле, это «недостающий импульс в направлениях, перпендикулярных сталкивающимся лучам» – фраза длинная, что частично объясняет стремление к краткости.

Рис. 5: детектор на БАК (ATLAS или CMS) обнаружит две струи с рис. 4 в виде локализованных электронных сигналов, появляющихся, когда частицы проходят через отслеживающее оборудование и останавливаются в детекторе энергии. Два нейтралино не оставляют следов, и об их присутствии можно судить только по отсутствию чего-либо, отражающегося от струй.

Если вместо этого появятся пары глюино, ситуация будет отличаться незначительно. Обычно каждый из двух глюино распадётся на кварк, антикварк и нейтралино, поэтому детекторы снова увидят струи (в данном случае четыре) вместе с «недостающей энергией» от двух нейтралино.

Именно такая картинка и предстаёт в воображении физиков, когда они отвечают на ваш вопрос по поводу поисков суперсимметрии. Чтобы понять, откуда она берётся, необходимо изучить лежащие в её основе предположения.

Предположения, лежащие в основе ответа «струи и недостающая энергия»

Это логическое путешествие мы сейчас и проделаем – оно проиллюстрировано на рис. 6. В конце нашего тура вы сможете сами, до какой-то степени, судить о сильных и слабых сторонах этого ответа на ваш первоначальный вопрос.

В логику включены три основных предположения.

Предположение 1: мы предполагаем, что в природе есть дополнительный принцип, которого сама по себе суперсимметрия не требует, и согласно которому в любом физическом процессе количество суперпартнёров может меняться на чётное число (его техническое название – сохранение R-чётности; сообщаю не потому, что его имя очень важно, а потому, что вы могли его где-то ещё встречать).

Зачем теоретики налагают такой критерий? Без предположения 1 суперсимметрия предсказывала бы существование новых взаимодействий между частицами материй, и обычно они приводят к быстрому распаду протонов. А это конфликтует с данными. Протон крайне стабилен (к счастью – даже медленная скорость распада протонов убила бы нас, расплавила бы Землю и т.п.). Можно взять цистерну с миллиардом триллионов триллионов протонов, подождать десять лет, и не обнаружить ни одного распавшегося протона (да, и люди пробовали так сделать! Для этого нужно 180 000 тонн воды). Так что без предположения 1 суперсимметрия и мы были бы мертвы.

Но если предположение 1 истинно – R-чётность сохраняется – то эти новые взаимодействия оказываются под запретом. Суперсимметрия плюс сохранение R-чётности предсказывает очень, очень долгоживущий протон, что соответствует (в благоприятном случае) данным.

Отметьте, что это требование сохранения R-чётности налагается не потому, что его требует суперсимметрия, или на основании каких-то теоретических принципов. Оно добавляется потому, что того требует соответствие данным. Также это совершенно разумное требование с теоретической точки зрения.

Предположение 2: из всех суперпартнёров в природе самым лёгким будет партнёр частицы Хиггса, и следовательно, это один из суперпартнёров на рис. 1: глюино, скварк, заряженный слептон, снейтрино, чарджино или нейтралино.

Это предположение спорно. Во-первых, если суперсимметрия истинна, то у гравитона (переносчика гравитации) тоже должен быть суперпартнёр, гравитино – а его на рис. 1 нет. Насколько тяжёл гравитино? Мы не знаем. В некоторых вариантах суперсимметрии он такой же тяжёлый, как самые тяжёлые суперпартнёры на рис. 1, скварки и глюино. В других вариантах он сильно легче, и может даже быть легче электрона! А это нарушило бы предположение 2.

Или в природе могут быть частицы с очень малыми массами, о которых мы пока не знаем, поскольку их очень сложно создать или обнаружить – частицы, на которые не действует ни одна из трёх сил на рис. 1, электромагнитное, слабое или сильное ядерные взаимодействия. Такие частицы обычно называют «скрытыми», из-за того, что их сложно получить, несмотря на небольшой вес. (Если речь идёт о нескольких типах скрытых частиц, их часто называют «скрытым сектором»). Если суперсимметрия истинна, у этих частиц тоже есть суперпартнёры – как упоминалось в статье о суперсимметрии, суперсимметрия – это симметрия пространства и времени, поэтому у любого типа частицы, перемещающейся в пространстве и времени, должен быть суперпартнёр. И если какой-то из этих суперпартнёров легче, чем легчайший суперпартнёр на рис. 1, тогда предположение 2 неверно.

Предположение 2 не требуется экспериментальными данными. Наилучшие теоретические аргументы против скрытых частиц говорят о том, что природа, скорее всего, окажется простой и элегантной, а поскольку скрытые частицы – это лишний хлам, вероятность их существования низка (убеждает вас такой аргумент или нет – дело вкуса). Наилучший аргумент против лёгкого гравитино – стабильные гравитино могли причинять много различных проблем в процессе Большого взрыва. В пользу предположения 2 говорит ещё один аргумент, связанный с тем, что легчайший суперпартнёр может играть роль тёмной материи Вселенной, но чтобы его понять, надо сначала понять несколько его дополнительных последствий, поэтому пока не будем в него углубляться.

Предположение 3: суперпартнёры, подверженные сильному ядерному взаимодействию – скварки, антискварки, глюино – скорее всего, тяжёлые, гораздо тяжелее других суперпартнёров, хотя не настолько тяжёлые, чтобы не появляться на БАК достаточно часто.

Это предположение более шаткое, чем два других – что значит «тяжёлые» и «часто»? Но вместо того, чтобы углубиться в такие рассуждения, скажу просто, что во многих, многих вариантах суперсимметрии это оказывается правдой. Теоретические подсчёты показывают, что во многих различных случаях эти суперпартнёры, подверженные действию сильного ядерного взаимодействия, оказываются тяжелее, чем большая часть остальных. Но это не всегда так.

Рис. 6: логическая цепочка, приводящая физиков к поискам суперсимметрии через поиски столкновений, результаты которых похожи на рис. 5. СП – суперпартнёры, ЛСП – легчайшие суперпартнёры.

Что следует из данных предположений? Несколько очень важных последствий; для отслеживания цепочки используйте рис. 6.

У предположения 1 есть три ключевых последствия:

• Если начать без суперпартнёров (что и бывает в случае столкновения двух протонов), и получить их после столкновения, то их должно появиться минимум два. Нельзя начать с нуля суперпартнёров и получить один.
• Если у вас есть суперпартнёр, и он распадается, среди результатов распада должен быть по меньшей мере один суперпартнёр (возможно, три или пять, но почти всегда получается один). Нельзя начать с одного суперпартнёра и получить ноль.
• Легчайший суперпартнёр распадаться не может – это стабильная частица – поскольку частицы могут распадаться только на частицы меньшей массы, поэтому если бы легчайший суперпартнёр распался, это означало бы, что один суперпартнёр превратился в ноль суперпартнёров.

Как поразительно! Из суперсимметрии и сохранения R-чётности следует существование неизвестной пока стабильной частицы – легчайшего суперпартнёра (ЛСП). Какие свойства могут быть у такой частицы?

Допустим, на эту частицу действует электромагнитное или сильное ядерное взаимодействие. Тогда (i) в ранней Вселенной во время Большого взрыва должно было появиться много таких частиц; (ii) они бы повлияли на изобилие различных элементов, таких, как литий, во время Большого взрыва, так, что это изобилие не соответствовало бы сегодняшним наблюдениям; (iii) они всё ещё летали бы по Вселенной, некоторые из них сталкивались бы с Землёй, создавали бы экзотические атомы, которые давно бы уже были обнаружены при тщательных поисках новых необычных атомов. Хотя это стоит более долгого обсуждения, основное заключение состоит в том, что любая новая стабильная частица не должна подвергаться действию электромагнитного и сильного ядерного взаимодействий.

Что же, с учётом этого, следует из предположения 2? Легчайшим суперпартнёром может быть один из снейтрино или один из нейтралино. Все остальные суперпартнёры (скварки, слептоны, чарджино и глюино) известных частиц подвержены действию электромагнитного или сильного ядерного взаимодействия. По техническим причинам большинство (но не все) специалистов по физике частиц предпочитают модели, в которых легчайшим суперпартнёром служит нейтралино. Он может стать отличным кандидатом на частицу тёмной материи – что является аргументом в пользу предположения 2. Но даже если снейтрино окажется легчайшим, аргумент в пользу поиска струй и недостающей энергии остаётся практически тем же, с некоторыми незначительными изменениями.

И, наконец, предположение 3 говорит о том, что получить скварки и глюино легко, и что они относительно тяжёлые. Это значит, что они взрываются с относительно большой энергией; энергия и импульс, переносимые кварками и нейтралино, на которые они распадаются, велики. Итоговые струи будут нести высокие энергии, и недостающая энергия окажется большой.

Поэтому, я надеюсь, вы можете понять идею, заключённую в рис, 3, 4 и 5. Если суперсимметрия истинна, то, по логике, мы получим тяжёлые скварки и глюино; они распадутся на высокоэнергетические кварки и нейтралино; кварки проявят себя в виде струй высоких энергий, которые легко засечь, а присутствие нейтралино, которых мы не обнаружим, будет следовать из дисбаланса импульса струй.

Ну ладно, мы поищем, и либо найдём, либо нет. Что дальше?

Следовательно, если мы увидим большое количество столкновений со струями высоких энергий и недостающей энергией, то это круто; возможно, мы открыли суперсимметрию. Однако, ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: другие типы новых явлений могут создавать похожие события – возможно, пройдут года, и потребуется очень много работы, до того, как мы начнём приобретать уверенность в том, что мы нашли суперсимметрию, или же в том, что мы нашли что-то ещё новое, что просто похоже на суперсимметрию на первый взгляд. Просто то, что мы увидим что-то вроде рис. 5, не будет значит, что мы получили то, что показано на рис. 3!

Но если мы не увидим избытка подобных событий, будет ли это означат, что суперсимметрия точно не является свойством природы? Перед тем, как делать такие далеко идущие экзистенциальные выводы по поводу Вселенной на основании интерпретации результата эксперимента, мы должны спросить себя, что могло пойти не так с тремя перечисленными предположениями (или с парочкой не настолько важных, которые я здесь не приводил). Я уже рассказал вам кое-что о том, что может пойти не так, и хотя я не буду в это углубляться, вы сами можете увидеть, что, если мы не обнаружим подобных событий, то всё, что мы сможем заключить из этого:

• либо суперсимметрия не является свойством природы,
• либо суперсимметрия – это свойство природы, но с каким-то из трёх предположений что-то не так.