Научный взгляд на устройство вселенной

378 МОДЕЛИ, 
ПРЕДСКАЗАНИЯ 
И ОЖИДАЕМЫЕ 
РЕЗУЛЬТАТЫ
Это говорит о том, что суперсимметричные частицы должны 
иметь массы масштаба слабого взаимодействия. Будь они легче — 
и мы бы их уже обнаружили; будь они тяжелее — и следовало бы 
ожидать более тяжелого хиггса. Мы не можем точно сказать, каки-
ми будут эти массы, ведь и масса Хиггса известна нам лишь очень 
приблизительно. Но мы знаем, что если эти массы окажутся слиш-
ком большими, то проблема иерархии никуда не денется.
Поэтому мы делаем вывод о том, что если суперсимметрия 
существует в природе и решает проблему иерархии, то должно 
существовать множество новых частиц с массами в диапазоне 
от нескольких сотен гигаэлектронвольт до нескольких тераэлек-
тронвольт. Это именно тот диапазон, в котором БАК должен будет 
вести поиск. При энергии столкновения 14 ТэВ коллайдер должен 
выдавать эти частицы даже с учетом того, что кваркам и глюонам, 
порождающим при столкновении новые частицы, достается лишь 
небольшая часть исходной энергии протонов.
Проще всего будет получить на БАКе суперсимметричные 
частицы, несущие сильный (или цветовой) заряд. Эти частицы 
при столкновении протонов (или, точнее, при столкновении 
кварков и глюонов в них) могут рождаться в изобилии. Ины-
ми словами, при штатной работе БАКа могут возникать новые 
суперсиммет ричные частицы, участвующие в сильном взаимо-
действии. Если это так, они оставят в детекторах очень заметные 
и характерные следы.
Эти 
сигнатуры
— экспериментальные свидетельства, оставля-
емые частицей — зависят от того, что происходит с частицей после 
возникновения. Большинство суперсимметричных частиц будут 
быстро распадаться. Причина в том, что, как правило, для каждой 
такой тяжелой частицы существует более легкая частица (такая 
как частицы Стандартной модели) с точно таким же полным за-
рядом. Если это так, то тяжелая суперсимметричная частица рас-
падется на частицы Стандартной модели таким образом, чтобы 
сохранился первоначальный заряд, и эксперимент обнаружит 
только частицы Стандартной модели.
Вероятно, этого недостаточно, чтобы распознать суперсим-
метрию. Однако почти во всех суперсимметричных моделях су-

ВАКАНТНОЕ 
МЕСТО 
ТОП-МОДЕЛИ 379
персимметричная частица не может распадаться исключительно 
на частицы Стандартной модели. После ее распада должна остать-
ся другая (более легкая) суперсимметричная частица. Причина 
в том, что суперсимметричные частицы появляются (или исчеза-
ют) только парами. Поэтому на месте распада одной суперсим-
метричной частицы должна остаться другая суперсимметричная 
частица. Следовательно, самая легкая из таких частиц должна 
быть стабильной. Эта самая легкая частица, которой не на что рас-
падаться, известна физикам как легчайшая суперсимметричная 
частица, или LSP.
С экспериментальной точки зрения распад суперсимметрич-
ной частицы характерен тем, что даже после завершения всех 
процессов легчайшая из нейтральных суперсимметричных ча-
стиц должна остаться. Космологические ограничения говорят 
о том, что LSP не несет никаких зарядов и потому не будет вза-
имодействовать ни с одним из элементов детектора. Это означа-
ет, что в каждом случае возникновения и распада любой супер-
симметричной частицы экспериментальные результаты покажут, 
что импульс и энергия не сохраняются, их часть куда-то пропадает. 
Частица LSP уйдет незамеченной и унесет свои импульс и энергию 
туда, где их невозможно будет зарегистрировать; сигнатурой LSP 
будет дефицит энергии.
Предположим, к примеру, что в результате столкновения воз-
никает скварк — суперсимметричный партнер кварка. На какие 
частицы он распадется, зависит от его массы и от того, какие 
имеются более легкие частицы. Одним из возможных вариантов 
распада будет превращение скварка в обычный кварк и легчай-
шую суперсимметричную частицу (рис. 59). Напомню, что распад 
может происходить практически немедленно, и детектор зареги-
стрирует только его продукты. Если произошел распад скварка, 
детекторы зарегистрируют пролет кварка в трекере и в адронном 
калориметре, который измеряет энергию, отдаваемую частицами, 
участвующими в сильном взаимодействии, но установка опреде-
лит также недостачу части импульса и энергии. Тот факт, что им-
пульса не хватает, экспериментаторы определят точно так же, 
как и при рождении нейтрино. Они измерят весь поперечный 

380 МОДЕЛИ, 
ПРЕДСКАЗАНИЯ 
И ОЖИДАЕМЫЕ 
РЕЗУЛЬТАТЫ
по отношению к пучку импульс и обнаружат, что в сумме он не ра-
вен нулю.
Одна из сложнейших задач, стоящих перед экспериментатора-
ми, — достоверно и однозначно распознать недостачу импульса. 
В конце концов, все незарегистрированное будет казаться про-
павшим! Если что-то пойдет не так или будет измерено неверно, 
а в результате уйдет незамеченной хотя бы крохотная доля энер-
гии, то недостающий импульс создаст полную картину улетевшей 
суперсимметричной частицы, хотя на самом деле ничего особен-
ного при столкновении не возникло.
Скварк
Кварк
Легчайшая
суперсимметричная
частица
LSP
~
q
q
РИС
. 59.
Скварк может распадаться на кварк и легчайшую 
суперсимметричную частицу
Разумеется, скварк никогда не возникает сам по себе, а только 
вместе с другим объектом, также участвующим в сильном взаи-
модействии (к примеру, с другим скварком или антискварком), 
поэтому экспериментаторы зарегистрируют и измерят по край-
ней мере две струи (пример см. на рис. 60). Если при столкно-
вении протонов возникли два скварка, при распаде они породят 
два кварка, которых зарегистрируют детекторы. Часть энергии 
и импульса уйдут из системы с двумя LSP, и само их отсутствие 
будет свидетельствовать о возникновении новых частиц.
Как ни странно, долгие задержки с пуском БАКа сыграли и по-
ложительную роль: они дали экспериментаторам время как сле-
дует разобраться в своих детекторах. Их удалось заранее откали-
бровать, так что с первого дня работы коллайдера измерения будут 
чрезвычайно точными, а данные об упущенной энергии — надеж-
ными. Теоретики, с другой стороны, получили время обдумать аль-
тернативные стратегии поиска для суперсимметричной и других 
моделей. К примеру, мне вместе с Дейвом Таккер-Смитом, ученым 
из Колледжа Уильямса, удалось найти отличный от вышеописан-

ВАКАНТНОЕ 
МЕСТО 
ТОП-МОДЕЛИ 381
ного — но родственный — способ поиска скварка. Наш метод опи-
рается на измерение только импульса и энергии получающихся 
кварков; в нем не нужно точно измерять недостающий импульс 
(а это очень непросто и не дает надежных результатов). Метод вы-
звал среди ученых БАКа заметное оживление; экспериментаторы 
CMS сразу же приняли его и не только показали, что метод работа-
ет, но и в течение всего нескольких месяцев обобщили и улучшили 
его. Теперь это часть стандартной стратегии поиска суперсимме-
трии; метод, предложенный нами так недавно, был использован 
в первом же сеансе поиска суперсимметрии на CMS.
Скварк
Глюон
Кварк
Легчайшая
суперсимметричная
частица
Легчайшая
суперсимметричная
частица
LSP
~
q
q
q
Кварк
q
Скварк
Кварк
q
LSP
Кварк
~
g
~
q
РИС
. 60.
Два скварка, одновременно возникшие в БАКе, распадутся 
на кварк и LSP каждый и оставят после себя сигнатуру в виде дефи-
цита энергии
Если суперсимметрия будет обнаружена, экспериментаторы 
на этом не остановятся. Они попытаются определить весь спектр 
суперсимметричных частиц, а теоретики будут работать над ин-
терпретацией полученных результатов. Под идеей суперсимме-
трии и частиц, способных вызывать ее спонтанное нарушение, 
скрывается интереснейшая теория. Мы знаем, какие суперсим-
метричные частицы должны существовать, если суперсимме-
трия существенна для проблемы иерархии, но мы пока не знаем 
ни их точных масс, ни того, как эти массы возникают.
То, что увидит БАК, очень сильно зависит от спектра масс супер-
симметричных частиц, который, вероятно, отличается от спектра 
масс обычных частиц. Мы знаем, что частицы могут распадаться 

382 МОДЕЛИ, 
ПРЕДСКАЗАНИЯ 
И ОЖИДАЕМЫЕ 
РЕЗУЛЬТАТЫ
только на более легкие. Цепочка распадов — последовательность 
возможных распадов суперсимметричных частиц — определяет-
ся их массами, тем, какие из них легче, а какие тяжелее. Скоро-
сти различных процессов также зависят от массы частиц. Более 
тяжелые частицы в среднем распадаются быстрее. Кроме того, 
их обычно сложнее получить, потому что они возникают только 
при высокоэнергетических столкновениях. Все это дало бы нам 
важную информацию о том, что лежит в основе Стандартной мо-
дели и что ожидает нас на следующих энергетических масштабах. 
Естественно, это относится к анализу любых новых данных, кото-
рые нам удастся получить.
Тем не менее следует помнить, что, несмотря на популярность 
теории суперсимметрии среди физиков, существует несколько по-
водов для беспокойства и оснований сомневаться в том, что эта 
теория действительно применима в реальном мире и решает про-
блему иерархии.
Во-первых, и это, возможно, самое главное, мы пока не видели 
никаких экспериментальных свидетельств в пользу этой теории. 
Если суперсимметрия существует, то единственным оправданием 
для полного отсутствия доказательств может быть тот факт, что все 
суперпартнеры тяжелые. Но естественное решение проблемы ие-
рархии требует, чтобы суперпартнеры были относительно легкими. 
Чем тяжелее суперпартнеры, тем менее адекватным средством реше-
ния проблемы иерархии представляется суперсимметрия. Потребу-
ется подгонка, определяемая отношением массы бозона Хиггса к мас-
штабу масс, при которых нарушается суперсимметрия. Чем больше 
это отношение, тем сильнее придется «настраивать» теорию.
В суперсимметричной модели есть единственный способ сде-
лать Хиггса достаточно тяжелым, чтобы его не обнаружили до сих 
пор, а именно — включить в его массу значительные квантово-
механические поправки, для которых опять же необходимы тяже-
лые суперпартнеры. Их массы должны быть настолько большими, 
что естественное решение проблемы иерархии вновь невозможно, 
несмотря на суперсимметрию.
Еще одна проблема с суперсимметрией — проблема поиска 
непротиворечивой модели, которая предусматривала бы наруше-

ВАКАНТНОЕ 
МЕСТО 
ТОП-МОДЕЛИ 383
ние суперсимметрии и была согласована со всеми полученными 
до сего дня экспериментальными данными. Суперсимметрия — 
очень специфическая симметрия, она устанавливает связи между 
многими взаимодействиями и запрещает некоторые из них, ко-
торые, вообще говоря, квантовая механика допускает. При на-
рушении суперсимметрии берет верх «принцип анархии» и все, 
что может случиться, случается. Большинство моделей предсказы-
вают типы распадов, которые либо никогда не регистрировались 
в эксперименте, либо встречаются слишком редко по сравнению 
с прогнозом. В общем, стоит суперсимметрии нарушиться, и кван-
товая механика не упустит случая разворошить осиное гнездо.
Возможно, физики просто не замечают верных ответов. Мы, 
разумеется, не можем точно сказать, что хороших моделей не су-
ществует или что некоторой подгонки не потребуется. Конеч-
но, если суперсимметрия — верное решение проблемы иерар-
хии, то доказательства ее существования скоро будут получены 
на БАКе. Так что этот вариант, безусловно, стоит исследовать. От-
крытие суперсимметрии означало бы, что эта новая симметрия 
пространства-времени применима не только в теоретических 
изысканиях, но и в реальном мире.
Однако пока суперсимметрия не доказана, имеет смысл рас-
смотреть и альтернативные варианты. И первой в очереди стоит 
модель, известная как 

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: