Гипотеза суперсимметрии уже давно требует экспериментального подтверждения. Она может помочь в построении теории великого объединения физических взаимодействий, является важным допущением для суперструн и даже дает ключи к природе темной материи. О деталях исследований, причинах неудач и смелых надеждах на будущее в своей пленарной лекции на Гинзбурговской конференции рассказал Дмитрий Казаков, главный научный сотрудник лаборатории теоретической физики ОИЯИ в Дубне.

Около 40 лет назад суперсимметрия как экзотический математический аппарат возникла в стенах ФИАН. Как и другие, более привычные виды симметрии, она означает неизменность процессов происходящих в мире элементарных частиц под действием ряда преобразований. Однако, в отличие ото всех других симметрий, в данном случае речь идёт о преобразовании фермионов, частиц с полуцелым спином, в бозоны – частицы с целым спином, и наоборот. Для каждой элементарной частицы, кварка, лептона, векторного бозона или бозона Хиггса, суперсимметрия предполагает существование суперпартнёра: частицы абсолютно идентичной по всем квантовым числам кроме спина, отличающегося на 1/2.

«То, что мы наблюдаем в мире элементарных частиц, пока хорошо описывается Стандартной моделью. Это подтверждается и экспериментами на ускорителях, и подземными экспериментами. Но, конечно, остаются некоторые глобальные проблемы: квантование гравитации, описание темной материи и темной энергии, барионная асимметрия Вселенной и другие.

Когда начала создаваться теория суперсимметрии, ученые руководствовались исключительно математической мотивацией, и хотели построить новую алгебру, перемешивающую спины частиц. Но если посмотреть на это дело с физической стороны, отбросив тонкости математического аппарата, то мне кажется, что основная мотивация была в объединении всех видов взаимодействий, в том числе и гравитационного.

Сейчас кажется, что без суперсимметрии такое объединение работать не будет. А поскольку мечта о нем всегда жива, то именно суперсимметрия открывает к нему дорогу» – рассказал Дмитрий Казаков.

Стандартная модель – это модель физики элементарных частиц, описывающая видимую материю, состоящую из трёх поколений кварков и лептонов, и три вида взаимодействий (слабое, сильное и электромагнитное), осуществляемое посредством обмена калибровочными векторными бозонами. Гравитационное взаимодействие пока выпадает из этой картины. Его переносчик, гравитон, обладает спином равным двум (против единицы для других бозонов), а в Стандартной модели нет перехода между состояниями с отличающимися спинами. Кроме того, замечено, что силы взаимодействий значительно отличаются при малых энергиях, а при больших имеют тенденцию к сближению.

Именно это явление и подтолкнуло ученых к идее создания объединенной теории всех взаимодействий, получившей название Теории Великого Объединения.

А помочь в этом может как раз гипотеза суперсимметрии, предполагающая наличие суперпартнеров с различными спинами для всех элементарных частиц. Установлено, что в то время как в Стандартной модели не происходит объединения трёх взаимодействий, в суперсимметричной теории это вполне возможно.

Столь привлекательная для теоретиков гипотеза, конечно, требует и экспериментального подтверждения, а именно обнаружения этих суперсимметричных частиц-партнеров на ускорителях, чего до настоящего времени не произошло.

Дело в том, что время жизни суперсимметричных частиц очень мало, и потому их пытаются идентифицировать по распаду вторичных частиц, вычленить из фона сотен сторонних эффектов и явлений. Для обнаружения суперсимметрии ускоритель должен обеспечивать ранее недостижимые энергию и количество рожденных частиц, а потому поиски суперсимметрии на прежде существующих ускорителях оказались безуспешными, и лишь Большой адронный коллайдер (БАК) дает надежды на проверку гипотезы суперсимметрии.

При распаде суперсимметричной частицы поэтапно образуются новые частицы все меньшей массы вплоть до легчайшей суперсимметричной частицы. Она стабильна и нейтральна, и потому должна незамеченной вылетать из детектора, нарушая баланс импульса и энергии в системе, частично унося их с собой. В том числе по этим потерям и идентифицируют суперсимметричные частицы.

«Эксперименты на ускорителях направлены на нахождение свидетельств существования суперсимметричных частиц. Есть надежда, что ускоритель, работающий в Женеве, уже сможет достигнуть достаточных энергий и светимости для рождения суперпартнёров. То есть в ближайшее время можно будет получить подтверждение или же опровержение существования суперсимметрии в области энергий порядка ТэВ. Но это только одна сторона вопроса.

С другой стороны, суперсимметричные частицы должны проявить себя и в других местах. Например, сейчас говорят о космологии, о темной материи» – пояснил Дмитрий Казаков.

Легчайшая суперсимметричная частица является одним из претендентов на составляющую темной материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением, но проявляется по ее гравитационным эффектам и составляет 80 % от массы все материи во Вселенной.

В Стандартной модели не существует стабильных, тяжелых нейтральных частиц, подходящих на эту роль, а вот суперсимметрия вполне может предложить своего кандидата – легчайшую суперсимметричную частицу: комбинацию партнеров фотона, Z-бозона и бозона Хиггса. Эту частицу ищут как на ускорителях, так и в подземных экспериментах, но пока также безуспешно. Уж очень мало сечение её взаимодействия с обычной материей. Так что суперсимметрия готовит еще много загадок и открытий для своих исследователей.