Коллаборация CMS завершила очередной этап обработки данных по протон-протонным столкновениям, которые проводятся на Большом адронном коллайдере, но не обнаружила следов частиц из суперсимметричного расширения Стандартной модели.

Оригинальная Стандартная модель, напомним, описывает элементарные частицы и их взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное. Основные её предсказания очень хорошо согласуются с экспериментальными данными, хотя существование ключевого элемента теории — бозона Хиггса — пока не доказано.

Серьёзным недостатком модели также считается то, что она не объясняет появление тёмной материи.

Чтобы снять эту проблему, учёные дополняют базовую теоретическую конструкцию и создают расширенные её варианты, наиболее известным из которых стала минимальная суперсимметричная стандартная модель (МССМ). Все «традиционные» частицы в МССМ получают суперсимметричного партнёра со спином, отличающимся от исходного на ½.

Рис. 1. Монтаж детектора CMS (фото CMS Collaboration).

Электрону (фермиону со спином ½) соответствует, скажем, сэлектрон со спином 0, а глюону (бозону, спин которого равен 1) — глюино со спином ½. Другие суперпартнёры получают аналогичные обозначения: к названиям фермионов добавляется «с-» (смюон, скварк), а бозонов — «-ино» (хиггсино).

Легчайшая суперсимметричная частица (lightest supersymmetric particle, LSP), которая, вероятнее всего, соответствует фотону, стабильна и чрезвычайно слабо взаимодействует с веществом, что делает её отличным кандидатом на роль составляющей тёмной материи. Кроме того, в рамках МССМ три упомянутых выше взаимодействия естественным образом объединяются в области чрезвычайно высоких энергий.

Этот эффект «великого объединения» считают ещё одним важным преимуществом суперсимметрии.

Согласно МССМ, при столкновении двух протонов на достаточно большой энергии могут рождаться либо пара глюино, либо скварки, которые затем распадаются на более лёгкие суперсимметричные частицы и кварки. Процесс распада завершается образованием LSP, и она улетает прочь, не замеченная детектором.

Регистрируемая в опытах недостающая энергия, которую уносит с собой «исчезающая» LSP, используется для отбора событий и свидетельствует о возможном появлении суперсимметричных частиц.

Рис. 2. Пример каскадного распада в рамках МССМ: глюино распадается на кварк и скварк, который затем рождает ещё один кварк и LSP. (Иллюстрация APS / Alan Stonebraker).

В новой статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, обсуждаются данные, накопленные детектором CMS за 2010-й и первую половину 2011-го. Объём этой выборки отвечает интегральной светимости в 1,14 обратного фемтобарна.

Собранную информацию авторы интерпретировали в контексте ограниченной МССМ — распространённого и простого варианта минимальной суперсимметричной стандартной модели.

К сожалению,

признаков рождения суперсимметричных частиц физики не нашли, что говорит либо о несовершенстве опыта, либо об ошибочности теории.

Если последняя верна, глюино и скварки должны быть достаточно тяжёлыми для того, чтобы скрываться от экспериментаторов (уточнённая сотрудниками CMS минимально возможная масса скварка, к примеру, выросла уже до 1,1 ТэВ). Если же ограниченная МССМ в итоге окажется недействительной, учёным придётся рассматривать более сложные варианты суперсимметрии, предсказывающие другие исходы протон-протонных столкновений.