Суперсиметрія в світлі даних lhc що робити далі

Результати перших трьох років роботи Великого адронного коллайдера не продемонстрували жодних ознак існування суперсиметрії, розчарувавши тим самим багатьох фізиків. Наскільки критичні ці дані для самої ідеї суперсиметрії і для різних її моделей? Як тепер фізикам оптимізувати пошук суперсиметрії в майбутніх даних LHC?

Суперсиметрія - одна з найяскравіших і плідних ідей в теор етіческого фізики високих енергі й. Багато фізиків сподіваються, що саме з нею буде пов'язаний той глибинний шар реальності, який лежить під сучасною картиною мікросвіту - Стандартною моделлю. Надії ці тримаються зовсім нема на порожніх словах: в рамках багатьох суперсиметричних моделей дуже природно вирішуються деякі труднощі і відкриті питання Стандартної моделі. Не дивно, що пошук суперсиметрії став однією з ключових і трудомістких наукових завдань Великого адронного коллайдера.

Первинні очікування від результатів LHC були дуже райдужними; всерйоз розглядався розвиток подій, коли феєрверк нових ефектів почнеться з перших же тижнів роботи коллайдера на розрахунковій енергі і. Реальність, проте, виявилася витверезною: після трьох років роботи LHC ніяких ознак суперсиметрії не видно. Можна навіть сказати прямо: однозначно закриті ті прості варіанти суперсиметричних моделей з легкими суперчастіцамі, на які ще десяток років тому орієнтувалися багато дослідників суперсиметрії.

У наявності криза суперсиметричних моделей. Наскільки руйнівні негативні дані LHC для суперсиметрії? Які моделі закриті, а які ні? Чи можна поєднати суперсиметричні моделі з нинішніми даними, і якщо так, то чим при цьому доведеться пожертвувати? Нарешті, потрібно оптимізувати завдання пошуку суперсиметрії на наступний сеанс роботи коллайдера? Обговорення цих питань стали особливо бурхливими в останній рік, у міру того як ударними темпами росла статистика даних на LHC. Тут ми спробуємо окреслити загальну ситуацію, що склалася на сьогоднішній день.

Сила-силенна моделей

Головна проблема з пошуком суперсиметрії - запаморочливе кількість варіантів суперсиметричних моделей, а значить, і величезний набір можливостей того, як саме вони будуть проявлятися в експерименті. Поки суперсиметрія залишається точної симетрією, суперсиметричних світ елегантний і відносно простий. Якщо справа так і йде, то тільки при виключно високих енергі ях. Але в нашому низькоенергетичному світі - навіть в момент протонних зіткнень на LHC! - ця споконвічна суперсиметрія порушена. В результаті теор ія пророкує велике число суперчастіц (часток-суперпартнерів звичайних частинок), маси і взаємодія яких можуть бути майже довільними. Теорія не говорить, які з частинок будуть легше, які важче, скільки часу які з них будуть жити, які у них будуть найбільш ймовірні процеси народження і розпаду.

Підкреслимо, що навіть перерахування всіх скільки-небудь відрізняються варіантів суперсиметричних теор ий є абсолютно непідйомним завданням. Наприклад, в найпростішій реалізації ідеї суперсиметрії - мінімальному суперсиметричних розширенні Стандартної моделі (MSSM) - є 105 вільних параметрів (див. Hep-ph / 9709450). Навіть якщо спробувати «просканувати» весь набір їх можливих комбінацій в самому грубому наближенні (наприклад, припустивши, що кожен параметр може приймати або нульове, або якесь одне нульове значення), ми отримаємо 2 105 комбінацій. Ясно, що ні про яке перерахування всіх моделей не може бути й мови.

На щастя, переважна частина всіх таких варіантів сильно розходиться з досвідченими даними. Але завдання вибрати все ті, які узгоджуються, чи не простіше. Виходом буде спроба сформулювати і ретельно проаналізувати кількох конкретних і дуже обмежених варіантів суперсиметричних теор ий. Ці моделі повинні, з одного боку, утримувати основні риси суперсиметрії і при цьому не входити в явне протиріччя з досвідом, а з іншого боку, повинні надати свободу лише дуже малій кількості параметрів. Тільки в цьому випадку з'являється розумний шанс просканувати весь простір параметрів, розбити його на області, що розрізняються за фізичними наслідків, провести докладні обчислення і зробити передбачення для експерименту.

Кілька таких варіантів стали популярні вже давно; інші увійшли в моду тільки в останні роки:

Підкреслимо, що варіація вільних параметри в кожній моделі не просто злегка змінює передбачення для народження і розпаду суперчастіц. Вона може повністю перекроїти всю картину процесів. Тому в рамках кожної моделі все одно залишається досить великий (або в разі pMSSM - дуже великий) набір можливостей, який треба вивчати індивідуально.

Суть експериментального пошуку

Загальна методика пошуку була змальована на сторінці Пошук суперсиметрії на LHC. Перш ніж робити висновки про те, які наслідки для теор ії спричинили дані перших трьох років LHC, слід чітко усвідомити загальну ідею, яка керувала фізиками при розробці стратегії пошуку.

• Детальні теор етіческого передбачення, а тим більш ретельне моделювання реальних процесів, дуже ресурсомісткі. Опрацювати їх в найдрібніших деталях більш ніж для кількох десятків істотно різних конкретних моделей практично неможливо. Тому упор слід робити лише на дуже невелику кількість конкретних моделей з конкретними значеннями параметрів. Такі моделі називають «опорними» (# 66; # 69; # 78; # 67; # 72; # 77; # 65; # 82; # 75; models).
• З іншого боку, фізики віддають собі повний звіт у тому, що суперсиметрія - навіть якщо вона реалізується в природі - зовсім не повинна полягати простою моделлю. Ніхто не гарантує, що вона взагалі буде відповідати MSSM!
• Надія фізиків під час запуску LHC полягала в тому, що тим не менш одне з іншим зможе зістикуватися: якою б не була в реальності суперсиметрія, її прояви в якомусь вигляді помітить і стратегія, призначена для простих опорних моделей. Це, підкреслимо, саме надія, а не доведене твердження.

Огляд експериментальних даних

Звернемося тепер до поточної ситуації в світлі даних LHC. До теперішнього часу на Великому адронному колайдері отримано три типи даних, що обмежують суперсиметрії:

• прямі пошуки - то є спроби народити суперчастіци в зіткненнях і помітити їх розпади,
• властивості хіггсовского бозона - якщо відкритий в минулому році бозон Хіггса відноситься до суперсиметрії, його виміряні властивості теж накладають обмеження на моделі,
• спостереження сверхредкіх розпадів мезонів, і перш за все, спостереження колаборацією LHCb розпаду Bs → μ + μ -.

Прямі пошуки суперчастіц досі дають негативний результат у всіх перевірених типах процесів (див. Зведені графіки на сторінці Пошук суперсиметрії: результати). І це незважаючи на те, що LHC зміг уже промацати діапазон мас суперчастіц в кілька разів більший, ніж всі попередні експерименти! На рис. 2 показані області параметрів в моделях CMSSM і mSUGRA, закриті в попередніх експериментах (зліва) і на LHC на цей момент (праворуч). Зверніть увагу на те, як разюче відрізняються масштаби по осях!

евристика ймовірності
Сьогодні існують методи, що дозволяють навіть в разі мінімального життєвого досвіду оцінювати, наскільки ймовірно, що вам брешуть партнери і близькі, наскільки впевнено можна допускати залежність між явищами, в тому числі, здавалося б, зовсім не пов'язаними: Евристика ймовірності.