Закрученные пассажи. Проникая в тайны скрытых размерностей пространства - Лиза Рэндалл

Из этого не следует, что мы должны отвергнуть идею суперсимметрии. Но это означает, что суперсимметрия, если она существует в природе, не может быть точной симметрией. Как и локальная симметрия, сопровождающая электрослабое взаимодействие, суперсимметрия должна быть нарушенной.

Теоретические рассуждения показывают, что суперсимметрия может быть нарушена, если частицы и их суперпартнеры имеют различные массы; эти массы становятся различными благодаря малым эффектам нарушения суперсимметрии. Разность масс частиц и соответствующих суперпартнеров будет контролироваться степенью нарушения суперсимметрии. Если суперсимметрия нарушена мало, разность масс будет малой, если же нарушение сильное, разность масс будет большой. В действительности разность масс частиц и их суперпартнеров — один из способов описания того, насколько сильно нарушена суперсимметрия.

Почти во всех моделях нарушения суперсимметрии массы суперпартнеров больше, чем массы известных частиц. Это счастливое обстоятельство, так как тот факт, что суперпартнеры тяжелее своих партнеров из Стандартной модели, критически важен для согласования суперсимметрии с экспериментальными наблюдениями. Это могло бы объяснить, почему мы до сих пор их не наблюдаем. Более тяжелые частицы могут рождаться только при больших энергиях, и если суперсимметрия существует, коллайдеры просто не достигли высоких энергий, достаточных для рождения таких частиц. Поскольку в экспериментах исследованы энергии вплоть до нескольких сотен ГэВ и суперпартнеры до сих пор не найдены, следовательно, если они существуют, их массы должны быть не меньше этого предела.

Конкретное значение массы, которую должен иметь суперпартнер, чтобы избежать обнаружения, зависит от конкретного заряда и типа взаимодействия этой частицы. Чем сильнее взаимодействия, тем легче рождаются частицы. Таким образом, чтобы избежать обнаружения, частицы с более сильными взаимодействиями должны быть тяжелее, чем слабо взаимодействующие частицы. Современные экспериментальные ограничения на большинство моделей нарушения суперсимметрии говорят о том, что если суперсимметрия существует, то для того, чтобы избежать обнаружения, все суперпартнеры должны иметь массы не менее нескольких сотен ГэВ. Те суперпартнеры, которые испытывают сильное взаимодействие, такие как скварки, должны быть еще тяжелее, с массами не менее тысячи ГэВ.

Нарушенная суперсимметрия и масса хиггсовской частицы

Как мы видели, квантовые вклады в массу хиггсовской частицы не создают проблем в суперсимметричных теориях, так как суперсимметрия гарантирует, что сумма этих вкладов равна нулю. Однако мы только что показали, что для того, чтобы существовать в реальном мире, суперсимметрия должна быть нарушенной. Так как в модели с нарушенной суперсимметрией массы суперпартнеров отличаются от масс их партнеров в Стандартной модели, квантовые вклады в массу хиггсовской частицы не столь жестко сбалансированы, как в случае, когда суперсимметрия является точной. Таким образом, когда суперсимметрия нарушена, уже не происходит точного сокращения виртуальных вкладов.

Тем не менее пока квантовые вклады в массу хиггсовской частицы не слишком велики, Стандартная модель годится и без тонкой настройки или подгонки. Даже в случае, когда суперсимметрия нарушена, до тех пор пока эффект мал, Стандартная модель может включать легкую хиггсовскую частицу. Если суперсимметрия немного нарушена, она все же достаточно сильна для того, чтобы исключить огромные вклады планковского масштаба масс от виртуальных энергичных частиц. Всего лишь при малой величине нарушения суперсимметрии особо нежелательных сокращений не потребуется.

Мы хотим, чтобы нарушение суперсимметрии было достаточно мало, что позволяет сделать нарушающую суперсимметрию разность масс между частицами Стандартной модели и их суперпартнерами достаточно малой для того, чтобы избежать подгонки. Оказывается, что хотя квантовый вклад в массу хиггсовской частицы от виртуальной частицы и ее суперпартнера не равен нулю, он никогда не достигает величины, много большей, чем нарушающая суперсимметрию разность масс между частицей и ее суперпартнером. Отсюда следует, что разность масс между всеми частицами и их суперпартнерами должна быть порядка масштаба массы слабых взаимодействий. В этом случае квантовые вклады в массу хиггсовской частицы также будут порядка слабой шкалы масс, что дает примерно правильную величину массы хиггсовской частицы.

Так как известные частицы в Стандартной модели легкие, разность масс между частицей Стандартной модели и ее суперпартнером будет сравнимой с массой суперпартнера. Поэтому, если суперсимметрия решает проблему иерархии, массы суперпартнеров не должны быть многим больше, чем масштаб массы слабых взаимодействий порядка 250 ГэВ.

Если массы суперпартнеров того же порядка, что и масштаб массы слабых взаимодействий, квантовый вклад в массу хиггсовской частицы не должен быть очень большим. В противоположность несуперсимметричному случаю, когда квантовые вклады в массу хиггсовской частицы на шестнадцать порядков величины больше, чем нужно, так что требуется неприемлемая подгонка, чтобы получить легкую хиггсовскую частицу, суперсимметричный мир с нарушающими суперсимметрию массами в несколько сотен ГэВ не породит слишком больших квантовых вкладов в массу хиггсовской частицы.

Требование, чтобы хиггсовская частица, а следовательно, и суперпартнеры, были бы ненамного тяжелее нескольких сотен ГэВ (так, чтобы не вносить большие квантовые вклады в массу хиггсовской частицы), вместе с тем фактом, что эксперименты уже осуществили поиск суперпартнеров с массами порядка пары сотен ГэВ, говорит о том, что если суперсимметрия существует в природе и решает проблему иерархии, то суперсимметричные партнеры должны иметь массы порядка нескольких сотен ГэВ. Это очень волнующее утверждение, так как оно подразумевает, что экспериментальное свидетельство существования суперсимметрии может быть совсем рядом, за углом, и совсем скоро может быть получено на коллайдерах частиц. Совсем небольшое увеличение энергии по сравнению с существующим коллайдером Тэватроном может оказаться достаточным, чтобы достичь энергий, при которых должны появиться суперпартнеры.

Эту область энергий будет изучать Большой адронный коллайдер. Если суперсимметрия не будет открыта на БАК, который будет искать частицы с массами до нескольких тысяч ГэВ, это будет означать, что суперпартнеры слишком тяжелы, чтобы решить проблему иерархии, и суперсимметричное решение будет исключено.

Но если суперсимметрия решает проблему иерархий, это будет экспериментальный шквал. Ускоритель частиц с энергиями порядка 1 ТэВ (1000 ГэВ) обнаружит вдобавок к хиггсовской частице еще кучу суперсимметричных партнеров частиц Стандартной модели. Мы увидим глюино и скварки, а также слептоны, вино, зино и фотино. Все новые частицы будут иметь те же заряды, что и частицы Стандартной модели, но будут тяжелее. При достаточной энергии соударений эти частицы будет трудно пропустить. Если суперсимметрия верна, мы скоро получим подтверждение этого.

Суперсимметрия: оценка доказательств

Это ставит нас перед главнейшим вопросом: существует ли суперсимметрия в природе? Жюри еще не вынесло вердикт. Без дополнительных фактов любой ответ будет только предположением. В настоящее время как защита, так и обвинение имеют аргументы в свою пользу.