Supersimetrija, atsižvelgiant į LHC duomenis: ką daryti toliau? • Igoris Ivanovas • Mokslo naujienos "Elementai" • LHC, fizika

Supersimetrija, atsižvelgiant į LHC duomenis: ką daryti toliau?

Pav. 1. Gimdymo ir kaskados supersimetrinių dalelių skilimo proceso pavyzdys protonų susidūrime. Deja, nepaisant daugybės tokių procesų pėdsakų paieškos Didžiojo Hadrono Collider'e, niekas aiškiai nenurodo supersimetrijos. Vaizdo šaltinis

Pirmųjų trejų Didžiojo Hadrono Collider'io metų metu nebuvo jokių supersimetriškumo egzistavimo požymių, taigi daugelis fizikų nusivylė. Kaip kritiški šie duomenys yra labai supersimetrinės idėjos ir įvairių modelių idėjos? Kaip dabar fizikai gali optimizuoti supersimetriškumo ieškojimą ateityje LHC duomenimis?

Supersimetrija yra viena iš ryškiausių ir vaisingiausių idėjų teorinėje didelio energijos fizikoje. Daugelis fizikų tikisi, kad bus susietas su giliu tikrovės sluoksniu, esančiu šiuolaikiniame microworld paveiksle, standartiniame modelyje. Šios viltys visiškai nėra pagrįstos tuščiais žodžiais: pagal daugelį supersimetrinių modelių natūraliai sprendžiami kai kurie sunkumai ir atvirieji standartinio modelio klausimai. Nenuostabu, kad supersimetriškumo paieška tapo vienu iš pagrindinių ir sunkių mokslinių užduočių Didžiojo Hadrono Collider.

Pradiniai LHC rezultatų lūkesčiai buvo labai ryškūs; Rimtai buvo apsvarstyta renginių, kai naujųjų efektų fejerverkai prasidės nuo pirmųjų koledzerio operacijų savaičių skaičiuojamos energijos. Vis dėlto tikrovė pasirodė raibanti: po trijų LHC darbo metų nėra supersimetriškumo požymių. Jūs netgi galite pasakyti tiesiogiai: unikaliai uždarytas Tai paprasti supersimetrinių modelių su lengvais super daleles variantai, kuriuos prieš keliasdešimt metų vadovavo daugybė supersimetriškumo tyrėjų.

Yra supersimetrinių modelių krizė. Kaip kenksmingi yra neigiami LHC duomenys supersimetrijai? Kokie modeliai yra uždaryti ir kas ne? Ar galima supersimetrinius modelius suderinti su dabartiniais duomenimis, ir jei taip, tai ką reikės aukoti? Galiausiai, ar reikia optimizuoti užduoties ieškoti supersimetrinę būseną kito koliažerio sesijos metu? Per pastaruosius metus diskusijos dėl šių klausimų tapo ypač neramios, nes LHC duomenų statistiniai duomenys sparčiai augo. Čia mes pabandysime apibūdinti šiandien susidariusią bendrą situaciją.

Nesuskaičiuojami modeliai

Pagrindinis uždavinys, susijęs su supersimetrijos paieška, yra svaiginantis daugybė supersimetrinių modelių variantų, todėl yra daugybė galimybių, kaip jie pasireikš eksperimente. Kol supersimetrija išlieka tiksli simetrija, supersimetrinis pasaulis yra elegantiškas ir santykinai paprastas. Jei taip yra, tai tik labai didelė energija. Bet mūsų žemos energijos pasaulyje – net protonų susidūrimų metu LHC! – ši pradinė supersimetrija yra sugadinta. Dėl to teorija numato daug super dalelių (superpartnerių dalelių iš paprastų dalelių), kurių masės ir sąveika gali būti beveik savavališkos. Teorija nesako, kuri dalelė bus lengvesnė, kuri yra sunkesnė, kaip ilgai kas gyvens, iš kurių jie turės labiausiai tikėtinus gimimo ir nykimo procesus.

Mes pabrėžiame, kad netgi visų šiek tiek skirtingų supersimetrinių teorijų versijų sąrašas yra visiškai neįmanoma užduotis. Pavyzdžiui, paprasčiausiai įgyvendinant supersimetrinę idėją – minimalų supersimetrinį standartinį modelį (MSSM) – yra 105 laisvų parametrų (žr .: hep-ph / 9709450).Net jei mes stengiamės "nuskaityti" visą jų galimų kombinacijų rinkinį labai grubiai (pvz., Darant prielaidą, kad kiekvienas parametras gali užimti nulį arba vieną nulinę reikšmę), gauname 2105 deriniai. Akivaizdu, kad dėl bet kokio modelio perkėlimo nėra klausimo.

Laimei, didžioji dauguma visų tokių variantų labai skiriasi nuo eksperimentinių duomenų. Tačiau užduotis pasirinkti visus, kurie yra nuoseklūs, nėra lengviau. Sprendimas bus bandymas suformuluoti ir atidžiai išanalizuoti keletą specifinių ir labai ribotų supersimetrinių teorijų variantų. Šie modeliai, viena vertus, turėtų išlaikyti pagrindines supersimetrijos savybes, o ne aiškiai prieštarauti patirčiai, kita vertus, turėtų suteikti laisvę tik labai nedaug parametrų. Tik šiuo atveju yra pagrįstos galimybės nuskaityti visą parametrų erdvę, pertraukti ją į teritorijas, kurios skiriasi dėl fizinių pasekmių, atlikti išsamius skaičiavimus ir prognozuoti eksperimentą.

Keletas šių variantų jau seniai tapo populiarus; kiti pastaraisiais metais atsirado mados:

  • CMSSM (tik MSSM) ir mSUGRA (minimali supergravitacija) – populiariausios ir paprastiausios MSSM versijos. Jie apibūdinami prielaida, kad išskirtinis universalias visų skaliarinių dalelių ir visų dalelių fermionų yra iki supersimetrinio laužymo momento ir be standartinio modelio parametrų yra tik 5 laisvieji parametrai. Būtent šiais modeliais buvo padaryta daugybė LHC prognozių, kurių pagrindu buvo sukurta eksperimentinės supersimetrijos paieškos strategija.
  • Nuhm (modelis su neuniversaliais Higgais) – šiek tiek silpnesnė MSSM įvairovė, kurioje buvo pašalintas tvirtas universalų Higso laukų prielaida; 6 nemokamų galimybių.
  • pMSSM (fenomenologinė MSSM) – daug labiau laisvasis modelis be super dalelių savybių universalumo, suformuluotas 2009 m. (arXiv: 0812.0980); 19 nemokamų galimybių.
  • NMSSM (šalia MSSM) – jei visi ankstesni modeliai buvo MSSM veislės, tada ši klasė viršija jos ribas ir leidžia jums atsikratyti kai kurių MSSM apribojimų. Ji turi sudėtingesnį Higso laukų rinkinį, o paprasčiausia versija yra 7 laisvieji parametrai.

Mes pabrėžiame, kad laisvų parametrų svyravimas kiekviename modelyje ne tik šiek tiek keičia prognozes dėl super dalelių gimimo ir sulėtinimo.Tai gali visiškai pertvarkyti visą procesų vaizdą. Todėl kiekviename modelyje vis dar išlieka tas pats, gana didelis (arba, jei tai yra pMSSM, labai didelis) galimybių rinkinys, kurį reikia ištirti atskirai.

Eksperimentinės paieškos esmė

Bendroji paieškos technika buvo aprašyta LHC supersimimetrijos puslapio paieškoje. Prieš darant išvadas apie tai, kokį poveikį teorijai turėjo pirmųjų trejų LHC metų duomenys, reikėtų aiškiai suprasti bendrą idėją, kuri paskatino fizikus kurti paieškos strategiją.

  • Išsamios teorinės prognozės ir net išsamesnis realių procesų modeliavimas yra labai daug išteklių. Tai yra beveik neįmanoma išmesti į mažiausias detales daugiau nei keliasdešimt žymiai skirtingų konkrečių modelių. Todėl reikėtų pabrėžti tik labai nedidelį skaičių konkrečių modelių su specifinės parametrų vertės. Tokie modeliai vadinami "nuoroda" (lyginamieji modeliai).
  • Kita vertus, fizikai puikiai supranta, kad supersimetrija, net jei ji realizuojama gamtoje, neturi būti išreikšta paprastu modeliu. Niekas negarantuoja, kad ji visada atitinka MSSM!
  • Fizikų viltis į LHC pradžią buvo ta, kad vis tiek galima nusipirkti kitą: Kad ir kokia būtų supersimetrija, iš tikrųjų paprastų paramos modelių strategija pastebės tam tikras formas. Tai, mes pabrėžiame, yra būtent viltis, o ne įrodytas pareiškimas.

Eksperimentinių duomenų peržiūra

Dabar mes kreipiamės į dabartinę padėtį, atsižvelgdami į LHC duomenis. Iki šiol "Large Hadron Collider" gauta trijų tipų duomenų, kurie apriboja supersimetrinę savybę:

  • tiesioginės paieškos – tai yra, bando sudeginti super daleles susidūrimo metu ir pastebėti jų sklaidą,
  • Higso bosono savybės – jei praeitais metais atradęs Higso bosonas yra susijęs su supersimetrija, jo matuojamos savybės taip pat įveda modelių apribojimus,
  • ypač retųjų mezono skilimų stebėjimas ir visų pirma LHCb bendradarbiavimo stebėjimas, B žlugimass → μ+μ.

Tiesioginės paieškos superparticles vis tiek duoda neigiamą rezultatą visose patvirtintose procesų rūšyse (žiūrėkite santraukų diagramas, pateiktas "Paieškų supersimetriškumo puslapyje": rezultatai). Ir tai yra nepaisant to, kad LHC jau galėjo išmatuoti superparčių dalelių masę, kuri kelis kartus didesnė nei visi ankstesni eksperimentai! Pav.2 paveiksle parodytos parametrų sritys CMSSM ir mSUGRA modeliuose, kurie buvo uždaryti ankstesniuose bandymuose (kairėje) ir šiuo metu yra LHC (dešinėje). Atkreipkite dėmesį į tai, kaip akivaizdžiai skalės yra ties ašimis!

Pav. 2 Ankstesniuose eksperimentuose "Tevatron" ir "LEP" (kairėje) ir LHC (dešinėje). Prispaustas plotas kairėje ir spalvų kreivių sritys parodykite eksperimento metu uždarytus modelio parametrų intervalus. Supjaustytos kreivės parodyti parametrų regioną, atitinkantį tam tikros masės superparticles. Vaizdo šaltinis

Didžiausi masės apribojimai buvo gauti už kvadratus ir gluiną (virš ketvirčių kvarkų ir gluonų); jų masės apatinės ribos jau viršija 1 TeV. Tai nenuostabu, nes jie yra susiję su stipriu sąveika, o tai reiškia, kad jiems lengviau gimti protonų susidūrime. Tuo pačiu metu čia kvadratai nurodo tik pirmąsias dvi kartas (tai yra, jie yra lengvųjų kvarkikų superpartneriai). Viršutinių kvadratų apribojimai – arba, kaip jie dažnai sako, "sustoja" – yra mažesni, 500-600 GeV regione, paprasčiausiai todėl, kad jas sunku išnagrinėti.

Leptonų (aklonų) ir neutralių dalelių (neutralio) superpartnerių masių apribojimaipastebimai blogiau ir retai viršija 300 GeV. Šiuo atveju lengviausias neutronų kiekis gali būti gana lengvas. Būti neutralia ir stabilia dalelė, ji tiesiog skrenda ir nėra aptikta. Tai populiarus kandidatas į tamsiosios medžiagos daleles; kosmologijai gali būti taikomi jo savybių apribojimai, o ne paieška iš koleiderių.

Higso bosono ypatybės, išmatuotas LHC (žr. Higso bosono puslapio duomenų santrauką), neatitinka jokių supersimetrinių variantų. Jau išmatuotas bozono masė (125-126 GeV) pradeda "įtempti". Faktas yra tas, kad pagal MSSM Higso bosonas negali būti sunkesnis už maždaug 128 GeV; idealus diapazonas yra 115-120 GeV. Kas bozonas atsirado pavojingai arti slenksčio, reikia kai teoretikai ne tik patogūs Tvist parametrus, ir daugelis poreikį atrodo beviltiškai nenatūralus. Nepaisant MSSM, tokius sunkumus galima išvengti.

Labai retai mezono skilimas naudinga, nes šie procesai dėl įvairių priežasčių praktiškai nenori atsirasti dėl įprastų žinomų dalelių sąveikos. Todėl, jei supersimetrija sukelia tą patį skilimą, tai gali žymiai pakenkti tikimybę, palyginti su standartinio modelio prognozėmis. Skilimas Bs → μ+μPaskelbta prieš šešis mėnesius, ji turi išskirtinį supratimą apie supersimetriškumą. Kai kuriuose supersimetrinių modelių variantuose jis netgi viršija tiesioginių paieškų jautrumą.

Reikia pasakyti, kad kai LHCb rezultatas buvo paskelbtas viešai, daugelis greitai pasakė, kad tai prieštarauja supersimetrijai. Ne visi. Skirtumas nuo standartinės skilimo tikimybės yra toks pat kaip kelis kartus – būtent tai vis dar uždaryta eksperimentu – kyla tik mažoje visų tirtų variantų dalyje. Kitais modeliais šie skirtumai gali būti, tarkim, 10% ar net mažiau, ir šis rezultatas iki šiol atitinka matavimus.

LHC duomenų įtaka supersimetriniams modeliams

Ar LHC uždaro supersimetriją?

Naujose žinutėse kartais galite rasti teiginį, kad neigiami LHC duomenys neleidžia supersimetriškumo idėjai. Iš ankstesnės diskusijos jau yra aišku, kad šis klaidinantis teiginys yra neteisingas. Supersimetrija gali būti realizuota mūsų pasaulyje įvairiais būdais, ir niekas teigia, kad jie visi yra vienodai matomi ar net akivaizdūs LHC. LHC superpartiklių signalų nebuvimas jokiu būdu nepanaikina prielaidos, kad tam tikra supersimetrija yra realybės dalis.

Ar tada uždaromas minimalus supersimetrinis modelis (MSSM)? Ne, taip pat. Žinoma, parametrų asortimentas, atitinkantis visus duomenis, buvo gerokai sumažintas lyginant su situacija prieš LHC, tačiau jis vis dar išlieka didelis ir nevisiškai ištirtas. Tas pats pMSSM modelis, jau nekalbant apie laisvesnes MSSM versijas, lengvai pateikia pavyzdžius, atitinkančius visus eksperimentinius duomenis.

Ką reiškia verdiktas labai ribotų modelių atveju, pavyzdžiui, CMSSM ar NUHM? Prieš metus atrodė, kad tokie modeliai ketina uždaryti (žr.: ArXiv: 1204.4199). Tačiau pastaraisiais mėnesiais pasirodė darbai, kurių kruopšta analizė rasta pavyzdžių, kurie vis dar atitinka visus duomenis (žr.: ArXiv: 1212.4887, arXiv: 1302.5956, arXiv: 1303.0721). Straipsnyje arXiv: 1305.2914 buvo atlikta išsami analizė, kurioje buvo rasta ir apibūdinta "CMSSM žemynai" (tinkamos parametrų sritys), kurios nebuvo pakankamai ištirtos.

Gali būti, kad šis rezultatas yra laikinas, o duomenys iš kito LHC stadijos kartu su eksperimentais su nejautriu (pvz., Tamsiųjų dalelių dalelių detektoriais) uždaro. Tačiau tai įvyks tik per kelerius metus. Iki tol negalima daryti prielaidos, kad net ta pati CMSSM yra visiškai uždara.

Ką dabar turėtų padaryti teoretikai?

Taigi modeliai su šviesos super dalelėmis ir, kaip rezultatas, labiausiai ryškus poveikis neįvyko. Tačiau, kita vertus, patys modeliai nėra visiškai uždari. Kitas LHC posėdis galės daug geriau ištirti, nes dėl padidėjusios energijos ir dėl dešimties kartų padidėjusių statistinių duomenų. Ką turėtų daryti teoretikai, jei jie nori optimizuoti paieškas, pagerinti LHC viziją, taip pat padaryti duomenų aiškinimą patikimesniu?

Viena kryptis jau buvo minėta pirmiau. Apribotų modelių erdvės parametras (CMSSM, NUHM) turi būti ištirtas aukštyn ir žemyn. Taip bus išvengta "atradimų", kai iš pradžių atrodo, kad eksperimentiniai duomenys "palaidoti" modelį, bet, atlikus išsamesnę analizę, jis vis dar yra perspektyvus.

Kita sritis yra paramos modelių plėtojimas pagal pMSSM ir kitas labiau nemokamas supersimetriškumo diegimas. Čia parametrų erdvė bus didžiulė, todėl turėsite pabandyti surasti techniką, kuri, viena vertus, nebūtų apsunkinta galimybių pertekliumi ir, kita vertus, neleistų rasti svarbių paslėptų "žemynų" šio modelio žemėlapyje. Tokio tyrimo pavyzdys yra straipsnis arXiv: 1305.2419.Kaip iliustracija fig. 3 parodyta super dalelių masė viename iš modelių, pasiūlyta kaip atskaitos taškas. Atkreipkite dėmesį, kad dauguma dalelių čia yra pastebimai sunkesni nei 1 TeV.

Pav. 3 Vienos iš palaikomų modelių, pasiūlytų straipsnyje arXiv, masių superparticles: 1305.2419

Jei mes ignoruojame techninius klausimus, tada sąvoka natūralumo teorija – "natūralus" skaitinių verčių aiškinimo požiūriu. Teorija laikoma natūralia, jei ji nereikalauja kokio nors tvarkingo ir be reikalo pakoreguoto skaitinių parametrų sutapimo. Pavyzdžiui, jei pagal teoriją eksperimentiniu požiūriu išmatuotas skaičius "1" gaunamas kaip kompensacija už du skirtingos kilmės "3" ir "-2" skaičiai, tai yra normalu. Bet jei vienas iš skaičių yra lygus milijonui, o antrasis mes nežinome, tada mes esame priversti manyti, kad antrasis skaičius yra "-999999". Viskas būtų nieko, bet tik paaiškėja, kad jis moduliškai anomališkai tiksliai suderintas su pirmuoju. Jei to nėra teorijos viduje, tai tokia teorija suvokiama kaip nenatūrali.

Pagrindinis supersimimetrinių teorijų kliūtis (kaip ir bet kuri kita!) Ar "Higso bosono" "nepakenčiamos lengvumo" paaiškinimas.Tiesą sakant, fizikai iš pradžių tikėjosi modelių su lengvais super daleles, nes jie labai natūraliai paaiškino Higso bosono masę. Dabartiniai LHC apribojimai pažeidžia šią idiliją. Nors supersimetriniai modeliai nėra formaliai uždaryti, jie turi prisiimti kompensaciją 1% ir dar tiksliau.

Kiek rimta yra natūralumo praradimas? Tai nėra žinoma, nes tai yra labai subjektyvus kriterijus! Galbūt kompensacija 0,1 proc. Turėtų būti laikoma priimtina ir galbūt ji apskritai nėra objektyviai moksliškas. Naujausios diskusijos šia tema apskritai ir taikomos supersimetriškumui rasti straipsniuose arXiv: 1302.6587, arXiv: 1305.3434, arXiv: 1306.2926.

Rezultatai

Pirmųjų trejų LHC metų darbo metų viršsymetrinių modelių rezultatai yra gerokai didesni nei visi iki šiol atlikti eksperimentai. Tačiau jie jokiu būdu nėra ne uždaryti суперсимметрию. Be to, atrodo, kad net ir riboti jo variantai vis dar yra perspektyvūs kai kuriems parametrams; daugiau laisvų modelių galima suderinti su duomenimis be jokių problemų. Vis dėlto egzistuoja natūralus teorijos sunkumas, bet kaip jį suvokti,dar neaišku.

Antrasis Didžiojo Hadrono Collider'io etapas bus reikšmingas naujas etapas ieškant supersimetrijos. Jei LHC nerandate jokių jo apraiškų, tai jau turės rimtesnių pasekmių ribotam modeliui, tačiau jis savaime neuždarys šios idėjos. Teorijos natūralumo klausimas taps dar ryškesnis, ir bus galima tik prielaidą, kokias išvadas teoriškai padarys.

Taip pat žiūrėkite:
1) Elementarioji dalelių fizika prasidedant Didžiojo Hadrono koleraderio paleidimui – populiari mokslinė paskaita V.A.Rubakovui; žr. skyrių apie supersimetriškumą.
2) Kas yra supersimetrija? – vidutiniškai populiari supersimetrijos pagrindų ekspozicija.
3) S. P. Martin. Supersimetrinis pradmuo // hep-ph / 9611409 – įžanginės paskaitos apie supersimetriškumą.
4) Supersimetrija, I dalis: teorija ir supersimetrija, II dalis. Eksperimentas – naujausia dabartinės teorijos būklės ir eksperimentinių paieškų apžvalga svetainėje "Dalelių duomenų grupė".
5) J. L. Feng, J.-F. Grivazas, J. Nachtmanas. Supersimimetrijos paieška didelės energijos kolektoriuose // Rev. Mod. Fiz. 82, 699-727 (2010) [arXiv: 0903.0046] – eksperimentinių paieškų peržiūra LHC paleidimo metu.

Igoris Ivanovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: