Суперсіметрыя

Фізіка за межамі Стандартнай мадэлі

Стандартная мадэль Сведчанні Праблема калібравальнай іерархіі · Цёмная матэрыя Праблема касмалагічнай пастаяннай Моцная CP-праблема Нейтрынныя асцыляцыі Барыённая асіметрыя Сусвету Тэорыі Тэхнікалор Тэорыя Калуцы — Клейна Тэорыі Вялікага аб’яднання Тэорыя ўсяго Тэорыя струн Суперсіметрыя MSSM · Тэорыя суперструн Супергравітацыя Квантавая гравітацыя Тэорыя струн Петлявая квантавая гравітацыя Прычынная дынамічная трыангуляцыя Кананічная квантавая гравітацыя Эксперыменты Gran Sasso · INO · ВАК SNO · Super-K · Тэватрон

Суперсіметрыя або сіметрыя Фермі — Бозэ — гіпатэтычная сіметрыя, якая злучае базоны і ферміёны ў прыродзе. Абстрактнае пераўтварэнне суперсіметрыі звязвае базоннае і ферміённае квантавыя палі, так што яны могуць ператварацца адно у адно. Вобразна можна сказаць, што пераўтварэнне суперсіметрыі можа пераводзіць рэчыва ва узаемадзеянне (ці ў выпраменьванне), і наадварот.

Па стане на пачатак 2009 года суперсіметрыя з'яўляецца фізічнай гіпотэзай, не пацверджанай эксперыментальна. Цалкам дакладна ўстаноўлена, што наш свет не з'яўляецца суперсіметрычным у сэнсе дакладнай сіметрыі, так як у любой суперсіметрычнай мадэлі ферміёны і базоны, звязаныя суперсіметрычным пераўтварэннем, павінны валодаць аднолькавымі масай, зарадам і іншымі квантавымі лікамі (за выключэннем спіна). Дадзенае патрабаванне не выконваецца для вядомых у прыродзе часціц. Мяркуецца, тым не менш, што існуе энергетычны ліміт, за межамі якога палі падпарадкоўваюцца суперсіметрычным пераўтварэнням, а ў рамках ліміту - не. У такім выпадку часціцы-суперпартнёры звычайных часціц аказваюцца вельмі цяжкімі па параўнанні са звычайнымі часціцамі. Пошук суперпартнёраў звычайных часціц - адна з асноўных задач сучаснай фізікі высокіх энергій. Чакаецца, што Вялікі адронны калайдэр зможа адкрыць і даследаваць суперсіметрычныя часціцы, калі яны існуюць, або паставіць пад вялікі сумнеў суперсіметрычныя тэорыі, калі нічога не будзе выяўлена.

Гісторыя

Упершыню суперсіметрыю прапанавалі ў 1973 годзе аўстрыйскі фізік Юліус Вес і італьянскі фізік Бруна Зуміна для апісання ядзерных часціц. Матэматычны апарат тэорыі быў адкрыты яшчэ раней, у канцы 1960-х гадоў, савецкімі фізікамі Ю. А. Гольфандам і Е. П. Ліхтманам. Суперсіметрыя ўпершыню ўзнікла ў кантэксце версіі тэорыі струн, якую прапанавалі П'ер Рамон, Джон Шварц і Андрэ Няве, аднак алгебра суперсіметрыі пазней стала паспяхова выкарыстоўвацца і ў іншых галінах фізікі.

Суперсіметрычнае пашырэнне Стандартнай мадэлі

Асноўная фізічная мадэль сучаснай фізікі высокіх энергій — Стандартная мадэль — не з'яўляецца суперсіметрычнай, але можа быць пашырана да суперсіметрычнай тэорыі. Мінімальнае суперсіметрычнае пашырэнне Стандартнай мадэлі называецца «мінімальная суперсіметрычная Стандартная мадэль» (MSSM). У MSSM неабходна дадаць дадатковыя палі так, каб пабудаваць суперсіметрычны мультыплет з кожным полем Стандартнай мадэлі. Для матэрыяльных ферміённых палёў - кваркаў і лептонаў - трэба ўвесці скалярныя палі - скваркі і слептоны, па два палі на кожнае поле Стандартнай мадэлі. Для вектарных базонныз палёў - глюёнаў, фатонаў, W-і Z-базонаў - ўводзяцца ферміённыя палі глюйіна, фаціна, зіна і віна, таксама па два на кожную ступень свабоды Стандартнай мадэлі. Для парушэння электраслабой сіметрыі ў MSSM трэба ўвесці 2 хігсаўскіх дуплета (у звычайнай Стандартнай мадэлі ўводзіцца адзін хігсаўский дуплет), гэта значыць у MSSM ўзнікае 5 хігсаўскіх ступеняў свабоды - зараджаны базон Хігса (2 ступені свабоды), лёгкі і цяжкі скалярны базон Хігса і псеўдаскалярны базон Хігса.

У любой рэалістычнай суперсіметрычнай тэорыі павінен прысутнічаць сектар, які парушае суперсіметрыю. Найбольш натуральным парушэннем суперсіметрыі з'яўляецца ўвядзенне ў мадэль так званых мяккіх членаў. У цяперашні час разглядаюцца некалькі варыянтаў парушэнні суперсіметрыі.

• SUGRA — парушэнне суперсіметрыя, заснаванае на ўзаемадзеянні з гравітацыяй;
• GMSB — парушэнне за кошт узаемадзеяння з дадатковымі калібравальная палямі (з зарадамі па групе Стандартнай мадэлі);
• AMSB — парушэнне, што таксама выкарыстоўвае ўзаемадзеянне з гравітацыяй, але з ужываннем канформных анамалій.

Першы варыянт MSSM прапанавалі ў 1981 годзе амерыканскія фізікі Говард Георгі і Савас Дзімопулас.

Добрыя якасці ідэі суперсіметрыі

Тэорыі, якія ўключаюць суперсіметрыю, даюць магчымасць вырашыць некалькі праблем, уласцівых Стандартнай мадэлі:

• Рашэнне праблемы іерархіі. Адна з яе праяў — велічыня радыяцыйных паправак да масы базона Хігса. У рамках Стандартнай мадэлі папраўкі да масы скалярнага поля маюць квадратычныя формы і аказваюцца істотна большымі, чым маса поля, якая ўваходзіць у лагранжыян. Для скарачэння такіх паправак да масы Хігса параметры Стандартнай мадэлі павінны мець вельмі дакладныя пэўныя значэння. У рамках MSSM папраўкі, як да ферміённых мас, так і скалярных, маюць лагарыфмічную форму, і іх скарачэнне адбываецца больш натуральна, але патрабуе дакладнай суперсіметрыі. Акрамя таго, дадзенае рашэнне праблемы іерархіі мяркуе, што масы суперпартнёраў не могуць быць больш, чым некалькі сотняў ГэВ. Гэты аргумент дазваляе чакаць адкрыццё суперсіметрыі на калайдары LHC.
• Уніфікацыя калібровачнае канстант, што бягуць. Вядома, што ў калібравальных тэорыях ўзнікае з'ява бягучых канстанты сувязі, г. зн. значэнне канстанты ўзаемадзеяння змяняецца ў залежнасці ад таго, на якім энергетычным маштабе назіраецца ўзаемадзеянне. Стандартная мадэль грунтуецца на трох розных калібровачных групах. Значэнні канстант гэтых груп розныя на малых энергіях, і з павелічэннем энергіі яны змяняюцца. На энергетычным узроўні каля 100 ГэВ дзве канстанты становяцца аднолькавымі (з'ява электраслабога аб'яднання). На энергетычным узроўні 10¹⁶ ГэВ ўсе тры канстанты сыходзяцца прыкладна да аднаго значэння, але ў Стандартнай мадэлі яны не могуць стаць роўнымі адзін аднаму. Гэта значыць, строга кажучы, у рамках Стандартнай мадэлі «вялікае аб'яднанне» (электраслабога і моцнага ўзаемадзеяння) немагчыма. Папраўкі за кошт новых палёў MSSM мяняюць выгляд энергетычнай эвалюцыі канстант, так што яны могуць сысціся ў адну кропку.
• Цёмная матэрыя. За апошнія гады ў астрафізіцы назіраюцца з'явы, якія паказваюць на існаванне цёмнай матэрыі. У MSSM натуральна ўзнікае кандыдат на тлумачэнне гэтага феномену - нейтраліна, нейтральная стабільная часціца.

Праблемы ідэі суперсіметрыі

• Падваенне ліку палёў.
• Праблема μ-члена.
• Водарная ўніверсальнасць мяккіх мас і A-членаў.
• Малая велічыня фаз CP-парушэння.

Прымяненне матэматычнага апарата суперсіметрыі

Незалежна ад існавання суперсіметрыі ў прыродзе, матэматычны апарат суперсіметрычных тэорый аказваецца карысным у самых розных галінах фізікі. У прыватнасці, суперсіметрычная квантавая механіка дазваляе знаходзіць дакладныя рашэнні вельмі нетрывіяльных ураўненняў Шродзінгера. Суперсіметрыя аказваецца карыснай у некаторых задачах статыстычнай фізікі (напрыклад, суперсіметрычная сігма-мадэль).

Эксперыменты

У 2011 годзе на Вялікім адронным калайдары была праведзена серыя эксперыментаў, у ходзе якіх правяраліся фундаментальныя высновы тэорыі суперсіметрыі, а таксама вернасць апісання ёю фізічнага свету. Як заявіла 27 жніўня 2011 прадстаўнік ЦЕРН прафесар Тара Шыарс, эксперыменты не пацвердзілі асноўныя палажэнні тэорыі. Пры гэтым Тара Шыарс ўдакладніла, што не знайшла пацверджання спрошчанай версіі тэорыі суперсіметрыі, атрыманыя вынікі не абвяргаюць больш складаны варыянт тэорыі.

Да канца 2012 года на дэтэктары LHCb Вялікага адроннага калайдара была назапашаная статыстыка па распаду дзіўнага B-мезона на два мюона. Параметры гэтай вельмі рэдкай падзеі вельмі дакладна супалі з прадказанай звычайнай стандартнай мадэлі, што амаль не пакідае месца для суперсіметрычных тэорый.

Гл. таксама

• Стандартная мадэль
• Тэорыя струн
• Нявырашаныя праблемы сучаснай фізікі

Літаратура

• Богуш А. А. Суперсіметрыя // Беларуская энцыклапедыя: У 18 т. Т. 15: Следавікі — Трыо / Рэдкал.: Г. П. Пашкоў і інш. — Мн. : БелЭн, 2002. — Т. 15. — С. 272. — 10 000 экз. — ISBN 985-11-0035-8. — ISBN 985-11-0251-2 (т. 15).
• Семинар по суперсимметриям. Том 1. Алгебра и анализ: основные факты (И. Н. Бернштейн, Д. А. Лейтес, В. Н. Шандер) мцнмо 2011
• Уэст П. Введение в суперсимметрию и супергравитацию / П. Уэст; Пер. с англ. А. А. Быценко; Под ред. [и с предисл.] П. П. Кулиша. — Москва : Мир, 1989. — 328 с.; 22 см. — ISBN 5-03-001050-5 (В пер.). (руск.)
• Горбунов, Д. С., Дубовский, С. Л., Троицкий, С. В. Калибровочный механизм передачи нарушения суперсимметрии // УФН, том 169, выпуск 7. — М.: 1999, с. 705—736. (руск.).
• Лихтман Е. П. Суперсимметрия — 30 лет тому назад // УФН, том 171, выпуск 9. — М.: 2001, с. 1025—1032. (руск.).
• Стивен П. Мартин Введение в суперсимметрию // arXiv.org, 1997(v1)-2006(v4) (англ.).
• «Суперсимметрия» Статья в «Физической энциклопедии».