Лиза Рэндалл - Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
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.
Уже отмечались две важнейшие причины верить в суперсимметрию: проблема иерархии и суперструны. Третий убедительный довод в пользу суперсимметрии — потенциальная возможность объединения всех взаимодействий в супер-симметричных расширениях Стандартной модели. Как обсуждалось в гл. 11, константы электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий зависят от энергии. Хотя первоначально Джорджи и Глэшоу обнаружили, что взаимодействия в Стандартной модели объединяются, более точные измерения этих трех взаимодействий показали, что объединение в Стандартной модели происходит не полностью. На верхнем чертеже рис. 66 представлены графики трех констант взаимодействий как функций энергии.
Однако суперсимметрия вводит много новых частиц, обладающих этими же тремя взаимодействиями. Это приводит к изменению зависимости взаимодействий от расстояния (или энергии), так как среди виртуальных частиц теперь присутствуют и суперсимметричные партнеры. Возникающие дополнительные квантовые вклады входят в расчеты методом ренормализационной группы и влияют на то, как зависят от энергии константы электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий.
Нижний график на рис. 66 показывает, каким образом константы взаимодействий зависят от энергии, если учесть влияние суперпартнеров. Примечательно, что с учетом суперсимметрии три взаимодействия объединяются точнее, чем до этого. Это более важно сейчас, чем в ранних попытках объединения, так как теперь в нашем распоряжении имеются значительно более точные измерения констант взаимодействий. Пересечение трех линий может быть случайностью. Но оно может рассматриваться и как свидетельство в поддержку суперсимметрии.
Другое приятное свойство суперсимметричных теорий состоит в том, что они содержат естественного кандидата на роль темной материи. Темная материя — это несветящаяся материя, заполняющая Вселенную, которая была обнаружена по своему гравитационному притяжению. Даже несмотря на то что четверть энергии Вселенной запасено в темной материи, мы до сих пор не знаем, из чего эта материя состоит[128]. Подходящим кандидатом на роль темной материи могла бы быть суперсимметричная частица, которая не распадается и имеет подходящую массу и константу взаимодействия. Действительно, легчайшая суперсимметричная частица не распадается и могла бы иметь нужную массу и нужные взаимодействия, чтобы быть той частицей, из которых состоит темная материя. Таким наилегчайшим суперпартнером может быть фотино, партнер фотона. Другой вариант — в сценарии с дополнительными измерениями, который мы рассмотрим ниже, такой частицей может быть вино, партнер калибровочного W-бозона.
Однако доводы в пользу суперсимметрии не единственно возможные. Сильнейшим аргументом против суперсимметрии является то, что ни хиггсовская частица, ни ее суперсимметричные партнеры до сих пор не найдены. Экспериментаторы достигли энергий в несколько сотен ГэВ. Хотя суперпартнеры, безусловно, могут быть чуть тяжелее, на самом деле для этого нет никаких причин. Более легкие суперпартнеры даже лучше с точки зрения решения проблемы иерархии. Почему же, если суперсимметрия решает проблему иерархии, суперпартнеры еще не обнаружены?
С теоретической точки зрения суперсимметрия не полностью неопровержима, так как остаются серьезные вопросы по поводу того, как она нарушается. Мы знаем, что она должна быть нарушена спонтанно, но, как и в случае Стандартной модели и симметрии слабых взаимодействий, мы до сих пор не знаем, какие частицы ответственны за это нарушение. Было предложено много блестящих идей, но полностью удовлетворительная четырехмерная теория еще не предложена.
Когда я впервые узнала о суперсимметрии, она показалась мне слишком простой с точки зрения построения моделей. Дело выглядело так, как будто суперсимметричные теории могли содержать случайные несвязанные массы, так как квантовые вклады отсутствовали. И хотя мы не знали, почему должны появляться неравноправные массы, они не причиняли никаких неприятностей. Это было очень досадно с точки зрения построения моделей, так как ничто не давало никакого ключа к до сих пор не определенной базисной теории. Кроме того, это было немного скучно, так как казалось, что моделирование не является слишком сложной задачей.
