Суперсимметрия

Это статья о физической гипотезе. Об одноимённом альбоме группы «Океан Эльзы» см. статью Суперсиметрія (альбом).

За пределами Стандартной модели

Стандартная модель

Свидетельства Проблема иерархий • Тёмная материя Проблема космологической постоянной Сильная CP-проблема Нейтринные осцилляции Теории Техниколор Теория Калуцы-Кляйна Теории Великого объединения Теория всего Теория струн Суперсимметрия MSSM • Теория суперструн Супергравитация Квантовая гравитация Теория струн Петлевая квантовая гравитация Причинная динамическая триангуляция Каноническая квантовая гравитация Эксперименты Gran Sasso • INO • БАК SNO • Super-K • Теватрон

См. также: Портал:Физика

Суперсимме́трия или симме́трия Ферми́ — Бозе́ — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие (или в излучение), и наоборот.

По состоянию на начало 2009 года суперсимметрия является физической гипотезой, не подтверждённой экспериментально. Совершенно точно установлено, что наш мир не является суперсимметричным в смысле точной симметрии, так как в любой суперсимметричной модели фермионы и бозоны, связанные суперсимметричным преобразованием, должны обладать одинаковыми массой, зарядом и другими квантовыми числами (за исключением спина). Данное требование не выполняется для известных в природе частиц. Предполагается, тем не менее, что существует энергетический лимит, за пределами которого поля подчиняются суперсимметричным преобразованиям, а в рамках лимита — нет. В таком случае частицы-суперпартнёры обычных частиц оказываются очень тяжёлыми по сравнению с обычными частицами. Поиск суперпартнёров обычных частиц — одна из основных задач современной физики высоких энергий. Ожидается, что Большой адронный коллайдер^[1] сможет открыть и исследовать суперсимметричные частицы, если они существуют, или поставить под большое сомнение суперсимметричные теории, если ничего не будет обнаружено.

История

Впервые суперсимметрию предложили в 1973 году австрийский физик Юлиус Весс и итальянский физик Бруно Зумино для описания ядерных частиц. Математический аппарат теории был открыт ещё раньше, в конце 1960-х годов, советскими физиками Ю. А. Гольфандом и Е. П. Лихтманом. Суперсимметрия впервые возникла в контексте версии теории струн, которую предложили Пьер Рамон, Джон Шварц и Андре Невё, однако алгебра суперсимметрии позднее стала успешно использоваться и в других областях физики.

Суперсимметричное расширение Стандартной модели

Основная физическая модель современной физики высоких энергий — Стандартная модель — не является суперсимметричной, но может быть расширена до суперсимметричной теории. Минимальное суперсимметричное расширение Стандартной модели называется «минимальная суперсимметричная Стандартная модель» (MSSM). В MSSM необходимо добавить дополнительные поля так, чтобы построить суперсимметричный мультиплет с каждым полем Стандартной модели. Для материальных фермионных полей — кварков и лептонов — нужно ввести скалярные поля — скварки и слептоны, по два поля на каждое поле Стандартной модели. Для векторных бозонных полей — глюонов, фотонов, W- и Z-бозонов — вводятся фермионные поля глюино, фотино, зино и ви́но, также по два на каждую степень свободы Стандартной модели. Для нарушения электрослабой симметрии в MSSM нужно ввести 2 хиггсовских дуплета (в обычной Стандартной модели вводится один хиггсовский дуплет), то есть в MSSM возникает 5 хиггсовских степеней свободы — заряженный бозон Хиггса (2 степени свободы), лёгкий и тяжёлый скалярный бозон Хиггса и псевдоскалярный бозон Хиггса.

В любой реалистической суперсимметричной теории должен присутствовать сектор, нарушающий суперсимметрию. Наиболее естественным нарушением суперсимметрии является введение в модель так называемых мягких нарушающих членов. В настоящее время рассматриваются несколько вариантов нарушения суперсимметрии.

• SUGRA — нарушение суперсимметрии, основанное на взаимодействии с гравитацией;
• GMSB — нарушение за счёт взаимодействия с дополнительными калибровочными полями (с зарядами по группе Стандартной модели);
• AMSB — нарушение, также использующее взаимодействие с гравитацией, но с применением конформных аномалий.

Первый вариант MSSM предложили в 1981 году американские физики Говард Джорджи и Савас Димопулос.

Достоинства идеи суперсимметрии

Теории, включающие суперсимметрию, дают возможность решить несколько проблем, присущих Стандартной модели:

• Решение проблемы иерархии. Одно из её проявлений — величина радиационных поправок к массе бозона Хиггса. В рамках Стандартной модели поправки к массе скалярного поля имеют квадратичную форму и оказываются существенно больше, чем масса поля, входящая в лагранжиан. Для сокращения таких поправок к массе Хиггса параметры Стандартной модели должны иметь очень точно определённые значения. В рамках MSSM поправки, как к фермионным массам, так и скалярным, имеют логарифмическую форму, и их сокращение происходит более естественно, но требует точной суперсимметрии. Кроме того, данное решение проблемы иерархии предполагает, что массы суперпартнёров не могут быть больше, чем несколько сотен ГэВ. Этот аргумент позволяет ожидать открытие суперсимметрии на коллайдере LHC.

• Унификация калибровочных бегущих констант. Известно, что в калибровочных теориях возникает явление бегущей константы связи, то есть значение константы взаимодействия изменяется в зависимости от того, на каком энергетическом масштабе наблюдается взаимодействие. Стандартная модель базируется на трёх различных калибровочных группах. Значения констант этих групп различны на малых энергиях, и с увеличением энергии они меняются. На энергетическом уровне порядка 100 ГэВ две константы становятся одинаковыми (явление электрослабого объединения). На энергетическом уровне 10¹⁶ ГэВ все три константы сходятся примерно к одному значению, но в Стандартной модели они не могут стать равными друг другу. То есть, строго говоря, в рамках Стандартной модели «великое объединение» (электрослабого и сильного взаимодействия) невозможно. Поправки за счёт новых полей МССМ меняют вид энергетической эволюции констант, так что они могут сойтись в одну точку.

• Тёмная материя. За последние годы в астрофизике наблюдаются явления, указывающие на существование тёмной материи. В MSSM естественно возникает кандидат на объяснение этого феномена — нейтралино, нейтральная стабильная частица.

Проблемы идеи суперсимметрии

• Удвоение числа полей.
• Проблема μ-члена.
• Ароматовая универсальность мягких масс и A-членов.
• Малость фаз CP-нарушения.

Применение математического аппарата суперсимметрии

Независимо от существования суперсимметрии в природе, математический аппарат суперсимметричных теорий оказывается полезным в самых различных областях физики. В частности, суперсимметричная квантовая механика позволяет находить точные решения весьма нетривиальных уравнений Шрёдингера. Суперсимметрия оказывается полезной в некоторых задачах статистической физики (например, суперсимметричная сигма-модель).

Эксперименты

В 2011 году на Большом адронном коллайдере была проведена серия экспериментов, в ходе которых проверялись фундаментальные выводы теории Суперсимметрии, а также верность описания ею физического мира. Как заявила 27 августа 2011 года представитель ЦЕРН профессор Тара Шиарс, эксперименты не подтвердили основные положения теории^[2]. При этом Тара Шиарс уточнила, что не нашла подтверждения упрощённая версия теории суперсимметрии, полученные результаты не опровергают более сложный вариант теории.

К концу 2012 года на детекторе LHCb Большого адронного коллайдера была накоплена статистика по распаду странного B-мезона на два мюона. Параметры этого крайне редкого события очень точно совпали с предсказанными обычной Стандартной моделью, что почти не оставляет места для суперсимметричных теорий.^[3]

См. также

• Стандартная модель
• Теория струн
• Нерешённые проблемы современной физики

Примечания

1. ↑ Официальный короткий технический отчёт CERN от 2 июля 2008 года  (англ.)
2. ↑ Эксперимент на Большом адронном коллайдере опроверг современную теорию мироздания
3. ↑ Коллайдер почти закрыл "новую физику"  (рус.), РИА Новости (12 ноября 2012). Проверено 14 ноября 2012.

Ссылки

• Семинар по суперсимметриям. Том 1. Алгебра и анализ: основные факты (И. Н. Бернштейн, Д. А. Лейтес, В. Н. Шандер) мцнмо 2011
• Весс Ю., Беггер Д. Суперсимметрия и супергравитация. М.: Мир, 1986.
• Уэст П. Введение в суперсимметрию и супергравитацию. М.: Мир, 1989.
• Горбунов, Д. С., Дубовский, С. Л., Троицкий, С. В. Калибровочный механизм передачи нарушения суперсимметрии // УФН, том 169, выпуск 7. — М.: 1999, с. 705—736.
• Лихтман Е. П. Суперсимметрия — 30 лет тому назад // УФН, том 171, выпуск 9. — М.: 2001, с. 1025—1032.
• Стивен П. Мартин Введение в суперсимметрию // arXiv.org, 1997(v1)-2006(v4) (англ.).
• «Суперсимметрия» Статья в «Физической энциклопедии».