Supersymmetri i lyset af LHC data: hvad skal man gøre næste? • Igor Ivanov • Videnskabsnyheder om "Elementer" • LHC, Fysik

Supersymmetri i lyset af LHC data: hvad skal man gøre næste?

Fig. 1. Et eksempel på processen med fødsel og kaskadeaffald af supersymmetriske partikler i protonernes sammenstød. Uheldigvis er der trods mange søgninger efter spor af sådanne processer på Large Hadron Collider ikke fundet noget klart indicerende supersymmetri. Billedkilde

Resultaterne af Big Hadron Collider's første tre år viste ingen tegn på forekomsten af ​​supersymmetri og derved skuffede mange fysikere. Hvor kritiske er disse data til selve ideen om supersymmetri og for dens forskellige modeller? Hvordan kan fysikere nu optimere søgen efter supersymmetri i fremtidige LHC data?

Supersymmetri er et af de mest levende og frugtbare ideer i teoretisk høj energi fysik. Mange fysikere håber, at det dybe lag af virkelighed, der ligger under det moderne billede af microworld, Standard Model, vil blive forbundet med det. Disse håb er slet ikke baseret på tomme ord: inden for rammerne af mange supersymmetriske modeller er nogle vanskeligheder og åbne spørgsmål af standardmodellen meget naturligt løst. Det er ikke overraskende, at søgen efter supersymmetri er blevet en af ​​de store og krævende videnskabelige opgaver i Large Hadron Collider.

De oprindelige forventninger fra LHC-resultaterne var meget lyse; Udviklingen af ​​begivenheder, når fyrværkeri af de nye effekter vil begynde fra de første uger af colliderens operation på den beregnede energi blev seriøst overvejet. Virkeligheden viste sig imidlertid at være nøgternt: efter tre års arbejde af LHC er der ingen tegn på supersymmetri. Du kan endda sige direkte: entydigt lukket Disse er simple varianter af supersymmetriske modeller med lette superpartikler, som mange forskere i supersymmetri blev guidet for et dusin år siden.

Der er en krise med supersymmetriske modeller. Hvor skadelige er de negative LHC data for supersymmetri? Hvilke modeller er lukket og hvilke er ikke? Er det muligt at kombinere supersymmetriske modeller med aktuelle data, og i så fald, hvad skal man ofre? Endelig er det nødvendigt at optimere opgaven med at søge supersymmetri til den næste session af collider? Diskussioner om disse spørgsmål blev særlig turbulente i løbet af det sidste år, da datastatistikken ved LHC voksede i et accelereret tempo. Her vil vi forsøge at beskrive den generelle situation, der har udviklet sig i dag.

Utallige modeller

Hovedproblemet med søgen efter supersymmetri er et svimlende antal varianter af supersymmetriske modeller, og derfor et stort sæt muligheder for, hvordan de vil manifestere sig i eksperimentet. Så længe supersymmetri forbliver nøjagtig symmetri, er den supersymmetriske verden elegant og relativt enkel. Hvis dette er tilfældet, er det kun ved ekstremt høje energier. Men i vores lav-energi verden – selv på tidspunktet for proton kollisioner på LHC! – Denne første supersymmetri er brudt. Som et resultat forudser teorien et stort antal superpartikler (superpartnerpartikler af almindelige partikler), hvis masser og interaktioner kan være næsten vilkårlig. Teorien siger ikke, hvilken af ​​partiklerne vil være lettere, hvilket er sværere, hvor længe de vil leve, hvilke de vil have de mest sandsynlige processer for fødsel og henfald.

Vi understreger, at selv opregningen af ​​alle lidt forskellige versioner af supersymmetriske teorier er en absolut umulig opgave. For eksempel, i den enkleste implementering af ideen om supersymmetri – den minimale supersymmetriske forlængelse af standardmodellen (MSSM) – er der 105 gratis parametre (se: hep-ph / 9709450).Selvom vi forsøger at "scanne" hele sætet af deres mulige kombinationer i den meget grove tilnærmelse (for eksempel under antagelse af, at hver parameter kan tage enten nul eller en enkelt ikke-null-værdi), får vi 2105 kombinationer. Det er klart, at enhver overførsel af alle modeller er uden for spørgsmålet.

Heldigvis er det overvældende flertal af alle sådanne muligheder meget forskellige fra de eksperimentelle data. Men opgaven at vælge alle dem, der er konsistente, er ikke nemmere. Løsningen vil være et forsøg på at formulere og omhyggeligt analysere flere specifikke og meget begrænsede varianter af supersymmetriske teorier. Disse modeller skal på den ene side beholde supersymmetriets hovedtræk og ikke være i klar modsigelse med erfaringerne og på den anden side kun give frihed til et meget lille antal parametre. Kun i dette tilfælde er der en rimelig chance for at scanne hele parameterrummet, bryde det ind i områder, der adskiller sig i fysiske konsekvenser, udfør detaljerede beregninger og lav forudsigelser for eksperimentet.

Flere af disse muligheder er blevet populære i lang tid; andre er kun kommet i mode de seneste år:

  • CMSSM (begrænset til MSSM) og mSUGRA (minimal supergravity) – de mest populære og enkleste versioner af MSSM. De er præget af antagelsen om den ekstraordinære universalitet af alle skalarpartikler og alle fermioner af partikler indtil øjeblikket for supersymmetribrud og indeholder kun 5 frie parametre ud over parametrene i standardmodellen. Det var inden for disse modeller, at der blev lavet mange forudsigelser for LHC, på grundlag af hvilken der blev udviklet en strategi for eksperimentel søgning efter supersymmetri.
  • NUHM (model med ikke-universelle Higgs) – et lidt løsere udvalg af MSSM, hvor antagelsen om stiv universalitet mellem Higgs-felter blev fjernet; 6 gratis indstillinger.
  • pMSSM (fænomenologisk MSSM) – en meget løsere model uden universaliteten af ​​superpartiklernes egenskaber, formuleret i 2009 (arXiv: 0812.0980); 19 gratis muligheder.
  • NMSSM (ved siden af ​​MSSM) – hvis alle tidligere modeller var sorter af MSSM, så går denne klasse ud over sine grænser og giver dig mulighed for at slippe af med nogle af begrænsningerne i MSSM. Det har et mere komplekst sæt Higgs felter og i den enkleste version indeholder 7 gratis parametre.

Vi understreger, at variationen af ​​frie parametre i hver model ikke bare ændrer forudsigelserne for superpartikernes fødsel og henfald.Det kan helt omskrive hele billedet af processerne. Derfor er der inden for hver model stadig et ret stort (eller i tilfælde af pMSSM, et meget stort) sæt muligheder stadig, som skal studeres individuelt.

Essensen af ​​den eksperimentelle søgning

Den generelle søgeknik blev skitseret på Search for supersymmetry-siden på LHC. Før man trækker konklusioner om, hvilke konsekvenser for teorien indebar dataene i de første tre år af LHC, bør man tydeligt forstå den generelle ide, der førte fysikere til at udvikle søgestrategien.

  • Detaljerede teoretiske forudsigelser og endnu mere grundig modellering af virkelige processer er meget ressourceintensive. Det er næsten umuligt at arbejde dem ud i de mindste detaljer for mere end et par dusin betydeligt forskellige specifikke modeller. Derfor bør der kun lægges vægt på et meget lille antal specifikke modeller med specifikke parameterværdier. Sådanne modeller kaldes "reference" (benchmark modeller).
  • På den anden side er fysikere fuldt ud klar over, at supersymmetri – selvom den er realiseret i naturen – ikke skal udtrykkes af en simpel model. Ingen garanterer at det overholder MSSM overhovedet!
  • Hos fysikernes håb ved lanceringen af ​​LHC var det, at man dog kan dokke med den anden: Uanset hvad supersymmetri kan være i virkeligheden vil en strategi designet til enkle supportmodeller lægge mærke til dens manifestationer i en eller anden form. Dette, vi understreger, er netop håb, og ikke en bevist påstand.

Gennemgang af eksperimentelle data

Vi vender nu til den aktuelle situation i lyset af LHC data. Hidtil er der opnået tre typer data på Large Hadron Collider, der begrænser supersymmetrien:

  • direkte søgninger – det vil sige forsøg på at føde superpartikler i kollisioner og lægge mærke til deres henfald,
  • Higgs boson egenskaber – hvis Higgs boson opdaget sidste år er relateret til supersymmetri, dens målte egenskaber også pålægge begrænsninger på modeller,
  • observation af ultra-sjældne meson henfald, og frem for alt observation af LHCb samarbejde, B forfalds → μ+μ.

Direkte søgninger superpartikler giver stadig et negativt resultat i alle dokumenterede typer af processer (se oversigtsgrafer på Search supersymmetry-siden: resultater). Og det er trods det faktum, at LHC allerede kunne sonde rækkevidden af ​​masser af superpartikler flere gange større end alle tidligere eksperimenter! I fig.Figur 2 viser parameterområderne i CMSSM- og mSUGRA-modellerne, der blev lukket i tidligere eksperimenter (venstre) og i øjeblikket på LHC (højre). Vær opmærksom på, hvordan skalaerne er langs akserne!

Fig. 2. Resultater af direkte søgning efter superpartikler i tidligere forsøg ved Tevatron og hos LEP (til venstre) og på LHC (til højre). Skyggelagte områder til venstre og områder under farvekurver vis modelparameterområderne lukket i eksperimentet. Broken kurver vis området for parametre, der svarer til superpartikler af en bestemt masse. Billedkilde

De største massebegrænsninger blev opnået for squars og gluino (super kvartaler af kvarker og gluoner); de lavere grænser på deres masse overstiger allerede 1 TeV. Dette er ikke overraskende, da de er involveret i et stærkt samspil, hvilket betyder, at det er lettere for dem at blive født i en protonkollision. På samme tid refererer kvadraterne kun til de første to generationer (det vil sige, de er superpartnere af lette kvarker). Restriktioner på top squars – eller som de ofte siger "stopper" – er mindre, i området 500-600 GeV, simpelthen fordi det er sværere at analysere deres henfald.

Restriktioner på masserne af lepton (blindons) og neutrale partikler (neutralino) superpartnersmærkbart værre og sjældent overstige 300 GeV. I dette tilfælde kan de nemmeste neutralinoser selv være ret nemme. At være en neutral og stabil partikel, flyver den simpelthen væk og detekteres ikke. Det er en populær kandidat til mørke stofpartikler; Restriktioner på dens egenskaber kan følge af kosmologi, og ikke fra collider-søgninger.

Egenskaber af Higgs boson, målt ved LHC (se oversigten over data på Higgs boson-siden), er ikke i overensstemmelse med nogen supersymmetriske varianter. Allerede målt bosonmasse (125-126 GeV) begynder at "stamme". Faktum er, at Higgs boson inden for rammerne af MSSM ikke kan være tungere end ca. 128 GeV; Det ideelle område er 115-120 GeV. Den kendsgerning, at bosonen var farligt tæt på randen, kræver nogle ubehagelige vridninger af parametre fra teoretikere, og for mange forekommer denne nødvendighed frustrerende unaturlig. Uden for MSSM kan sådanne vanskeligheder undgås.

Ultra-sjældne meson henfald nyttigt fordi disse processer af forskellige grunde næsten ikke vil forekomme på grund af de sædvanlige vekselvirkninger af kendte partikler. Hvis supersymmetri forårsager det samme henfald, kan det derfor i høj grad ændre sandsynligheden for henfald i forhold til forudsigelserne af standardmodellen. Forfald Bs → μ+μAnnonceret for seks måneder siden, har den enestående indsigt i supersymmetri. I nogle udførelser af supersymmetriske modeller overstiger det endda følsomheden ved direkte søgninger.

Det må siges, at når resultatet af LHCb blev offentliggjort, var mange hurtigt til at sige, at det modsiger supersymmetri. Overhovedet ikke. Forskellen fra standard sandsynligheden for forfald er så mange som flere gange – det vil sige, at dette stadig er lukket ved forsøg – kun i en lille del af alle de studerede varianter. I andre modeller kan disse forskelle sige 10% eller endnu mindre, og dette resultat er hidtil i overensstemmelse med målingen.

Implikationer af LHC data for supersymmetriske modeller

Er LHC tæt supersymmetri?

I nyhederne kan du undertiden finde udsagnet om, at negative LHC-data sætter en stopper for ideen om supersymmetri. Fra den foregående diskussion er det allerede klart, at denne dashing erklæring er ukorrekt. Supersymmetri kan realiseres i vores verden på en række måder, og ingen hævder, at de alle er lige så synlige eller endda åbenbare på LHC. Fraværet af signaler fra superpartikler ved LHC på ingen måde ophæver antagelsen om, at supersymmetri i en eller anden form er en del af virkeligheden.

Luk den minimale supersymmetriske model (MSSM) så? Nej også Selvfølgelig er rækkevidden af ​​parametre, der er i overensstemmelse med alle dataene, blevet væsentligt reduceret sammenlignet med situationen før LHC, men det er stadig stort og ikke fuldt ud undersøgt. Den samme pMSSM-model, for ikke at nævne de frie MSSM-varianter, giver let eksempler i overensstemmelse med alle eksperimentelle data.

Hvad er dommen i tilfælde af meget begrænsede modeller, for eksempel CMSSM eller NUHM? For et år siden syntes det, at sådanne modeller var ved at lukke (se: arXiv: 1204.4199). Men i de seneste måneder har der været værker, hvor en grundig analyse har fundet eksempler, der stadig er i overensstemmelse med alle dataene (se: arXiv: 1212.4887, arXiv: 1302.5956, arXiv: 1303.0721). I artiklen arXiv: 1305.2914 blev den mest detaljerede analyse udført, hvor hele "CMSSM-kontinenterne" (egnede parameterområder), som ikke er blevet undersøgt tilstrækkeligt, er blevet fundet og beskrevet.

Det er muligt, at dette resultat er midlertidigt, og dataene fra den næste fase af LHC sammen med ikke-collider eksperimenter (fx detektorer af mørke stofpartikler) lukker det. Dette vil dog kun ske om et par år. Indtil da kan det ikke antages, at selv den samme CMSSM er helt lukket.

Hvad skal teoretikere gøre nu?

Så, modeller med lette superpartikler og som følge heraf de mest slående virkninger ikke materialiseret. Men på den anden side er modellerne ikke selv lukket. Det næste møde i LHC vil være i stand til at studere dem meget bedre, både på grund af den øgede energi og simpelthen på grund af de tifoldige øgede statistikker. Hvad skal teoretikere nu gøre, hvis de vil optimere søgninger, forbedre visionen af ​​LHC, og gøre fortolkningen af ​​data mere pålidelige?

En retning er allerede nævnt ovenfor. Parameterrummet for afgrænsede modeller (CMSSM, NUHM) skal studeres op og ned. Dette vil undgå "opdagelser", når det først forekommer at eksperimentelle data "begraver" modellen, men med nærmere analyse viser det sig at være stadig levedygtig.

Et andet område er udviklingen af ​​supportmodeller inden for rammerne af pMSSM og andre mere gratis implementeringer af supersymmetri. Parameterrummet her vil være stort, så du skal forsøge at finde en teknik, der på den ene side ikke ville blive overvældet med et stort antal muligheder, og på den anden side ville ikke tillade vigtige skjulte "kontinenter" på kortet over denne model. Et eksempel på en sådan undersøgelse er artiklen arXiv: 1305.2419.Som en illustration i fig. 3 viser masserne af superpartikler i en af ​​modellerne, som foreslås som reference. Bemærk, at de fleste partikler her er mærkbart tungere end 1 TeV.

Fig. 3. Masser af superpartikler i en af ​​de støttemodeller, der foreslås i artiklen arXiv: 1305.2419

Hvis vi ignorerer tekniske problemer, så begrebet naturlighedsteori – "naturlig" med hensyn til at forklare numeriske værdier. En teori anses for naturlig, hvis den ikke kræver nogen form for netop og unødigt justeret sammenfald af numeriske parametre. F.eks. Hvis et eksperimentelt målt nummer "1" opnås inden for teoriens rammer i form af kompensation for to tal "3" og "-2" af forskellig oprindelse, er dette normalt. Men hvis et af tallene viser sig at være lig med en million, og vi ikke kender det andet, er vi nødt til at antage, at det andet tal er "-999999". Alt ville ikke være noget, men det viser sig kun, at modulo er anomalt præcist indstillet til den første. Hvis der ikke er nogen grund til dette indenfor teorien, så opfattes en sådan teori som unaturlig.

Den største hindring for supersymmetriske teorier (ligesom alle andre!) Er forklaringen på Higgs bosons "uudholdelige lyshed".Faktisk håbede fysikere oprindeligt på modeller med lette superpartikler, fordi de forklarede massen af ​​Higgs boson på en meget naturlig måde. Nuværende LHC restriktioner overtræder denne idyll. Selvom supersymmetriske modeller ikke er formelt lukkede, skal de påtage sig kompensation på niveauet 1% og endnu mere præcist.

Hvor alvorlig er tabet af naturlighed? Det er ikke kendt, fordi det er et meget subjektivt kriterium! Måske kan kompensation på 0,1% betragtes som acceptabelt, og måske er det slet ikke noget objektivt videnskabeligt princip. Nylige diskussioner om dette emne generelt og anvendt til supersymmetri kan findes i artiklene arXiv: 1302.6587, arXiv: 1305.3434, arXiv: 1306.2926.

resultater

Resultaterne af de første tre år med LHC-operation begrænser supersymmetriske modeller meget mere end alle eksperimenterne hidtil. De er dog på ingen måde ikke tæt supersymmetri. Desuden fremgår det nu, at selv de mest begrænsede af sine muligheder stadig er levedygtige for nogle parametre; flere gratis modeller kan forenes med dataene uden problemer. Der er dog et problem med teorienes naturlighed, men hvordan man opfatter det,ikke rigtig klart endnu.

Den anden fase af Large Hadron Collider vil være et væsentligt nyt stadium i søgen efter supersymmetri. Hvis LHC ikke finder nogen manifestationer af det, vil det allerede få mere alvorlige konsekvenser for begrænsede modeller, men det vil ikke formelt lukke ideen selv. Spørgsmålet om teoriens naturlighed bliver endnu skarpere, og det vil kun være muligt at antage hvilke konklusioner teoretikerne vil danne.

Se også:
1) Grundelementets fysik på tærsklen for lanceringen af ​​Large Hadron Collider – et populært videnskabsforedrag af V. A. Rubakov; se afsnittet om supersymmetri.
2) Hvad er supersymmetri? – en moderat populær udstilling af grundlaget for supersymmetri
3) S.P. Martin. En supersymmetri Primer // hep-ph / 9611409 – indledende foredrag om supersymmetri.
4) Supersymmetri, del I: Teori og supersymmetri, del II: Eksperiment – et aktuelt overblik over den aktuelle tilstand af teorien og eksperimentelle søgninger på Particle Data Group hjemmeside.
5) J. L. Feng, J.-F. Grivaz, J. Nachtman. Søgninger efter Supersymmetry hos High-Energy Colliders // Rev. Mod. Phys. 82, 699-727 (2010) [arXiv: 0903.0046] – gennemgang af eksperimentelle søgninger på tidspunktet for lanceringen af ​​LHC.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: