Az LHC-adatok fényében a szupersimmetria: mi a teendő? • Igor Ivanov • Tudományos hírek a "Elemekről" • LHC, Fizika

Az LHC-adatok fényében a szupersimmetria: mi a teendő?

Ábra. 1. Példa a superszimmetrikus részecskék keletkezésének és kaszkádjának romlására a protonok ütközésében. Sajnálatos módon, annak ellenére, hogy a nagyméretű Hadron-összeütközőben ilyen folyamatok nyomaiban számos keresést találtak, még mindig nem találtak egyértelműen szupersimmetriát. Képforrás

A Large Hadron Collider első három évének eredményei nem mutatták a szuperszimmetria létezésének jelét, ami sok fizikusnak csalódást okozott. Mennyire kritikusak ezek az adatok a szuperszimmetria és a különböző modellek ötlete szempontjából? Hogyan tudják a fizikusok most optimalizálni a szuperszimmetria keresését a jövőbeni LHC-adatokban?

A szupersimmetria az elméleti nagyenergiájú fizika egyik legélénkebb és legeredményesebb ötlete. Számos fizikus reméli, hogy a mikrovilág modern képének, a szabványmodellnek a mélysége alá eső valóságos réteg kapcsolódik hozzá. Ezek a remények egyáltalán nem üres szavakon alapulnak: számos szuperszimmetrikus modell keretében a standard modellek egyes nehézségei és nyitott kérdései természetesen megoldottak. Nem meglepő, hogy a szuperszimmetria keresése a Nagy Hadron-ütköző egyik kulcsfontosságú és fárasztó tudományos feladata lett.

Az LHC eredménnyel kapcsolatos kezdeti elvárások nagyon világosak voltak; Az események alakulását, amikor az új hatások tűzijátékát a kiszámított energiától a kollektor működésének első heteiből kezdik, komolyan vették figyelembe. A valóság azonban kijózanítónak bizonyult: az LHC három éve végzett munkája után nincsenek szuperszimmetria jelei. Még közvetlenül mondhatod: egyedülállóan zárva Ezek a szuperszimmetrikus modellek egyszerű változatai, könnyű szuper-részecskékkel, amelyeket sok szuperszimmetria kutató vezetett egy tucat évvel ezelőtt.

Szuperszimmetrikus modellek válsága van. Milyen káros a negatív LHC-adatok a szuperszimmetria számára? Mely modellek zárva vannak, és melyek nem? Lehetséges-e kombinálni a szuperszimmetrikus modelleket az aktuális adatokkal, és ha igen, akkor mit kell feláldozni? Végezetül, szükséges-e optimalizálni a szuperszimmetria keresésének feladatát a következő ütközőre? Az elmúlt év során különösen nehézségekbe ütköztek ezek a kérdések, mivel az LHC adatstatisztikája gyors ütemben nőtt. Itt megpróbáljuk leírni a mai fejlett helyzetet.

Számtalan modell

A szuperszimmetria keresésének fő problémája a szupersimmetrikus modellek szédítő számos változata, és ezért hatalmas lehetőségeket kínál arra, hogy miként jelennek meg a kísérletben. Mindaddig, amíg a szupersimmetria pontos szimmetria marad, a szuperszimmetrikus világ elegáns és viszonylag egyszerű. Ha ez a helyzet, akkor csak rendkívül nagy energiák. De a mi alacsony energiájú világunkban – még a proton ütközések idején is az LHC-nál! – ez a kezdeti szupersimetria megszakadt. Ennek eredményeképpen az elmélet nagyszámú szuper-részecskéket (szuperpartner részecskékből álló rendes részecskék) jósol, amelyek tömege és kölcsönhatása szinte önkényes lehet. Az elmélet nem mondja meg, hogy melyik részecskék lesznek könnyebbek, melyek nehezebbek, mennyi ideig fognak élni, melyeknek lesznek a legvalószínűbb születési és bomlási folyamatok.

Hangsúlyozzuk, hogy még a szuperszimmetrikus elméletek némileg eltérő verzióinak felsorolása is teljesen lehetetlen feladat. Például a szuperszimmetria – a minimális szupersimmetrikus kiterjesztése a standard modell (MSSM) legegyszerűbb megvalósításában – 105 szabad paraméter van (lásd: hep-ph / 9709450).Még akkor is, ha megpróbáljuk "leolvasni" az esetleges kombinációik egész sorát a nagyon durva közelítésben (például feltételezve, hogy mindegyik paraméter nulla vagy egy nem nulla értéket vehet fel), kapunk 2105 kombinációk. Nyilvánvaló, hogy minden modell átadása nem kérdéses.

Szerencsére az ilyen lehetőségek túlnyomó többsége nagyon eltér a kísérleti adatoktól. De a feladat, hogy mindazt, ami következetes, nem könnyebb. A megoldás egy kísérlet arra, hogy megfogalmazza és gondosan elemezze a szuperszimmetrikus elméletek specifikus és nagyon korlátozott változatait. Ezeknek a modelleknek egyrészt meg kell őrizniük a szupersimmetria főbb jellemzőit, és nem szabad egyértelműen ellentétben állniuk a tapasztalattal, másrészt csak nagyon kevés paraméter szabadságát kell biztosítaniuk. Csak ebben az esetben van egy ésszerű esély arra, hogy átvizsgálja a teljes paramétert, szakítsa meg azokat a területeket, amelyek fizikai következményekben különböznek, részletes számításokat végeznek és előrejelzéseket végeznek a kísérlethez.

Számos ilyen lehetőség már régóta népszerűvé vált; mások csak az utóbbi években jöttek be divatba:

  • CMSSM (az MSSM – re korlátozva) és mSUGRA (minimális szupergravitáció) – az MSSM legnépszerűbb és legegyszerűbb verziói. Az összes skalár-részecske és a részecskék összes fermionuma feltételezésével jellemezhető a szupersimmetria-törés pillanatáig, és a standard modell paraméterei mellett mindössze 5 szabad paramétert tartalmaz. Ezekben a modellekben számos előrejelzés készült az LHC-re, amelynek alapján a szuperszimmetria kísérleti kutatásának stratégiáját dolgozták ki.
  • NUHM (modell nem univerzális Higgs-szel) – enyhén lazább MSSM-változat, amelyben a Higgs-mezők közötti merev univerzalitás feltételezése megszűnt; 6 ingyenes lehetőség.
  • pMSSM (fenomenológiai MSSM) – egy sokkal lazább modell, a 2009-ben megfogalmazott szuper-részecskék tulajdonságainak egyetemessége nélkül (arXiv: 0812.0980); 19 ingyenes lehetőség.
  • NMSSM (MSSM-hez legközelebb) – ha az összes korábbi modell az MSSM fajtái voltak, akkor ez az osztály meghaladja a határait és lehetővé teszi, hogy megszabaduljon az MSSM korlátozásai közül. Bonyolultabb Higgs mezőkből áll, és a legegyszerűbb változatban 7 szabad paraméter található.

Hangsúlyozzuk, hogy a szabad paraméterek változása minden modellben nemcsak kicsit megváltoztatja a szuper-részecskék születésének és bomlásának előrejelzését.Teljesen átírhatja a folyamatok teljes képét. Ezért mindegyik modellben mindvégig meglehetõsen nagy (vagy pMSSM esetében nagyon sok) lehetõség van, amelyet egyedileg kell tanulmányozni.

A kísérleti keresés lényege

Az általános keresési technikát az LHC szuperszimmetria oldalának keresése ismerteti. Mielőtt következtetéseket vonna le arról, hogy az elmélet milyen következményekkel jár az LHC első három évének adatait illetően, világosan meg kell értenünk azt az általános elképzelést, amely a fizikusokat a kutatási stratégia kialakításában vezette.

  • A részletes elméleti előrejelzések és a valódi folyamatok még alaposabb modellezése nagyon erőforrásigényes. Szinte lehetetlen a legkisebb részletekben dolgozni több, mint néhány tucat lényegesen eltérő egyedi modellnél. Ezért a hangsúlyt csak nagyon kevés speciális modellekre kell helyezni specifikus paraméterértékeket. Az ilyen modelleket "referencia" -nak (referencia modellnek) hívják.
  • Másrészt a fizikusok teljesen tisztában vannak azzal, hogy a szuperszimmetria – még akkor is, ha ez a természetben valósul meg – nem kell egy egyszerű modellben kifejeződnie. Senki sem garantálja, hogy egyáltalán megfelel az MSSM-nek!
  • A fizikusok reménye az LHC elindításakor az volt, hogy mindazonáltal a másikhoz kötődhetünk: Bármi legyen is a szupersimmetria valójában, az egyszerű támogatási modellekre tervezett stratégia valamilyen formában észreveheti megnyilvánulásait. Ezt hangsúlyozzuk, pontosan remény, és nem bizonyított állítás.

A kísérleti adatok áttekintése

Most az LHC adatok fényében fordulunk a jelenlegi helyzethez. A mai napig három fajta adatot kaptak a Large Hadron Colliderben, a szuperszimmetria korlátozásával:

  • közvetlen keresések – vagyis ütközéskor próbálják szuperpartikulákat szülni és észrevenni a bomlást,
  • Higgs bozon tulajdonságai – ha a tavaly felfedezett Higgs bozont a szuperszimmetriával kapcsolatos, mért tulajdonságai szintén korlátozzák a modelleket,
  • az ultra-ritka mezon bomlások megfigyelése, és mindenekelőtt az LHCb-együttműködés megfigyelése, a B-bomláss → μ+μ.

Közvetlen keresések a szuperkomponensek továbbra is negatív eredményt adnak minden bizonyított típusú folyamatban (lásd az Összefoglaló grafikonokat a Search supersymmetry oldalon: eredmények). És ez annak ellenére is, hogy az LHC már többször megvizsgálta a szuper-szemcsék tömegének tartományát, mint az összes korábbi kísérletet! Ábrán.A 2. ábra bemutatja azokat a CMSSM és mSUGRA modellek paraméterterületét, amelyek lezárták a korábbi kísérleteket (balra) és jelenleg az LHC-n (jobbra). Ügyeljen arra, hogy a mérlegek mennyire ütköznek a tengelyek mentén!

Ábra. 2. A Tevatronban és a LEP-ben végzett korábbi kísérletekben a szuper-részecskék közvetlen kutatásának eredményei (a bal oldalon) és az LHC-n (a jobb oldalon). Árnyékos területek a bal oldalon és szín görbék alatt álló területek mutassa be a kísérletben lezárt modellparamétertartományokat. Törött görbék megmutatják a paraméterek tartományát, amelyek megfelelnek egy bizonyos tömeg szuper-részecskéinek Képforrás

A legnagyobb tömegkorlátozásokat négyzetekhez és gluinóhoz (kvarkok és gluonok szuper negyedévében) nyerték; a tömegük alsó határai már meghaladják az 1 TeV értéket. Ez nem meglepő, mivel erős interakcióban vesz részt, ami azt jelenti, hogy könnyebb számukra a protonok ütközésén születni. Ugyanakkor a négyzetek itt csak az első két generációra utalnak (vagyis a fény kvarkok szuperpartnerei). A felső négyzetek korlátozása – vagy ahogy gyakran mondják, "megáll" – kisebbek a 500-600 GeV tartományban, egyszerűen azért, mert nehezebb elemezni a bomlást.

A leptonok (vakok) és semleges részecskék (neutralino) szuperpartnerek tömegének korlátozásaészrevehetően rosszabb, és ritkán haladja meg a 300 GeV-t. Ebben az esetben a legegyszerűbb neutralinok is meglehetősen könnyűek lehetnek. Mivel semleges és stabil részecske, egyszerűen elrepül, és nem észlelhető. Ez egy népszerű jelölt a sötét anyag részecskék; a tulajdonságok korlátozása a kozmológiából következhet, nem pedig a collider-keresésekből.

A Higgs bozon tulajdonságai, amelyet az LHC-nél mértünk (lásd a Higgs bozon oldalán szereplő adatok összefoglalását), nem felel meg a szuperszimmetrikus változatoknak. A már mért bozon tömeg (125-126 GeV) "törzs" elkezd. Az a tény, hogy az MSSM keretében a Higgs bozon nem lehet nehezebb, mint körülbelül 128 GeV; az ideális tartomány 115-120 GeV. Az a tény, hogy a bozon veszélyesen közel állt a peremhez, megköveteli a teoretikusok paramétereinek kellemetlen csavarását, és soknak ez a szükségessége frusztrálóan természetellenesnek tűnik. Az MSSM-en kívül ilyen nehézségek elkerülhetők.

Az ultra ritka mezon bomlik mivel ezek a folyamatok különböző okokból gyakorlatilag nem hajlamosak az ismert részecskék szokásos kölcsönhatásai miatt. Ezért, ha a szupersimmetria ugyanazt a bomlást okozza, akkor nagymértékben megváltoztathatja a bomlás valószínűségét a standard modell előrejelzéseihez képest. B bomláss → μ+μHat hónappal ezelőtt bejelentették, hogy kivételes betekintést nyer a szuperszimmetriához. A supersymmetrikus modellek egyes kiviteli alakjaiban ez még meghaladja a közvetlen keresések érzékenységét.

Meg kell mondani, hogy amikor az LHCb eredményét nyilvánosságra hozták, sokan gyorsan azt mondhatják, hogy ellentmond a szupersimmetriának. Egyáltalán nem. A bomlás standard valószínűségétől való eltérés többször is – vagyis ez még mindig kísérletzárás – csak a vizsgált változatok kis részében merül fel. Más modellekben ezek a különbségek lehetnek 10% vagy ennél is kevesebbek, és ez az eredmény még mindig eléggé összhangban van a mérésekkel.

Az LHC adatoknak a szuperszimmetrikus modellekkel kapcsolatos következményei

Az LHC szoros szupersimetria?

A hírekben néha megtalálhatja azt a kijelentést, hogy a negatív LHC adatok véget vetnek a szuperszimmetria elképzelésének. Az előző megbeszélésből már világos, hogy ez a lendületes állítás téves. A szupersimmetria sokféleképpen valósulhat meg világunkban, és senki nem állítja, hogy mindegyik egyformán látható vagy látható az LHC-n. Az LHC-ben lévő szuper-részecskék jelzéseinek hiánya semmiképpen sem mondja le azt a feltételezést, hogy a szuperszimmetria valamilyen formában a valóság része.

Csökkenti a minimális szuperszimmetrikus modellt (MSSM)? Nem is. Természetesen az összes adatnak megfelelő paraméterek széles skálája jelentősen csökkent az LHC előtti helyzethez képest, de továbbra is nagy marad, és nem vizsgálják meg teljesen. Ugyanez a pMSSM modell, nem beszélve az MSSM szabadabb verzióiról, egyszerűen példákat mutat be minden kísérleti adatnak.

Mi a helyzet igen korlátozott modellek esetén, például CMSSM vagy NUHM esetében? Egy évvel ezelőtt úgy tűnt, hogy ezek a modellek közelről záródnak (lásd: arxiv: 1204.4199). Az elmúlt hónapokban azonban léteztek olyan munkák, amelyekben alapos elemzést találtak olyan példákkal, amelyek még mindig összhangban vannak az összes adattal (lásd: arXiv: 1212.4887, arXiv: 1302.5956, arXiv: 1303.0721). A cikk arXiv: 1305.2914. Cikkében a legrészletesebb elemzést végeztük, amelyben a teljes "CMSSM kontinensek" (megfelelő paraméterterületek), amelyeket nem vizsgáltunk kellőképpen, megtaláltak és leírtuk.

Lehetséges, hogy ez az eredmény átmeneti, és az LHC következő szakaszából származó adatok, valamint a nem-collider kísérletek (például a sötét részecskék érzékelői) zárják le. Ez azonban csak néhány év múlva fog történni. Addig nem feltételezhető, hogy még a CMSSM is teljesen lezárult.

Mit kell tenni a teoretikusok?

Tehát a könnyű szuper-részecskékkel rendelkező modellek, és ennek eredményeként a legszembetűnőbb hatások nem valósultak meg. De a maguk modellek egyáltalán nem zárulnak le. Az LHC következő ülésén sokkal jobb lehet tanulmányozni őket, mind a megnövekedett energia, mind a tízszeres növekedés miatt. Mit kell tenni a teoretikusok, ha optimalizálják a kereséseket, javítják az LHC jövőképét, és megbízhatóbbá teszik az adatok értelmezését?

Már említettük az egyik irányt. A határolt modellek paraméterterét (CMSSM, NUHM) felfelé és lefelé kell vizsgálni. Ez elkerüli a "felfedezéseket", amikor először úgy tűnik, hogy a kísérleti adatok "eltemetik" a modellt, de közelebbi elemzéssel kiderül, hogy még életképes.

Egy másik terület a támogatási modellek fejlesztése a pMSSM és más, a szuperszimmetria szabadabb megvalósítása keretében. A paramétertér itt hatalmas lesz, ezért meg kell próbálnod találni egy olyan technikát, amely egyrészt nem lesz túlterhelt a túlméretezett lehetőségekkel szemben, másrészt nem teszi lehetővé a fontos rejtett kontinenseket a modell térképén. Egy ilyen tanulmány egy példája a cikk arXiv: 1305.2419.Az 1. ábra illusztrációja. A 3. ábra a szuper-részecskék tömegét mutatja az egyik modellekben, amelyet referenciaként javasolunk. Vegyük észre, hogy a részecskék nagy része észrevehetően nehezebb, mint 1 TeV.

Ábra. 3. A szuper-részecskék tömege az egyik támogató modellekben az arXiv: 1305.2419 cikkelyben javasolt

Ha figyelmen kívül hagyjuk a technikai kérdéseket, akkor a természetességi elmélet – "természetes" a numerikus értékek magyarázata szempontjából. Az elmélet természetesnek tekinthető, ha nem igényel valamilyen finom és szükségtelenül igazított egybeesést a numerikus paraméterek között. Például, ha egy kísérletileg mért "1" számot kapunk az elmélet keretein belül két különböző "3" és "-2" számú kompenzáció formájában, akkor ez normális. De ha a számok egyike megegyezik egy millióval, és nem ismeri a második, akkor kénytelenek vagyunk feltételezni, hogy a második szám "-999999". Nem lenne semmi, de csak kiderül, hogy modul anomáliásan pontosan az elsőhöz hangolt. Ha nincs erre ok az elméleten belül, akkor egy ilyen elmélet természetellenesnek tekinthető.

A szuperszimmetrikus elméletek fő botránya (mint bármely más!) A Higgs bozon "elviselhetetlen könnyedségének" magyarázata.Valójában a fizikusok kezdetben reménykedtek modellek könnyű szuper-részecskékkel, mert a Higgs-bozon tömegét nagyon természetes módon magyarázzák. Az aktuális LHC korlátozások megszegik ezt a idillust. Bár a szuperszimmetrikus modellek nem hivatalosan lezártak, 1% -os és még pontosabban kell kompenzálniuk.

Mennyire súlyos a természetesség elvesztése? Nem ismert, mert nagyon szubjektív kritérium! Talán 0,1% -os kompenzációt elfogadhatónak kell tekinteni, és talán egyáltalán nem objektíve tudományos alapelv. A közelmúltban folytatott megbeszélések általánosságban és a szupersimmetria alkalmazására az arXiv: 1302.6587, arXiv: 1305.3434, arXiv: 1306.2926 cikkekben találhatók.

találatok

Az LHC működésének első három évének eredményei meghaladják a szuperszimmetrikus modelleket, sokkal többet, mint az eddigi kísérleteket. Ezek azonban semmiképpen sem jelentenek nem szoros szupersimetria. Ezenkívül most úgy tűnik, hogy a lehetőségek közül a legkisebb is bizonyos paraméterekre még mindig életképes; több szabad modell összeegyeztethető az adatokkal problémamentesen. Van azonban egy nehézség az elmélet természetességével, de hogyan kell észlelni,még nem igazán világos.

A nagyméretű hadron ütköző második fázisa a szuperszimmetria keresésében jelentős új szakasz lesz. Ha az LHC nem talál semmiféle megnyilvánulást, akkor komolyabb következményei lesznek a korlátozott modellek esetében, de nem hivatalosan zárja le az ötletet. Az elmélet természetességének kérdése még élesebbé válik, és a következtetések, amelyeket a teoretikusok tesznek, csak akkor feltételezhetőek.

Lásd még:
1) Az elemi részecskék fizikája a nagy Hadron-összeütköző bevezetésének küszöbén – népszerű tudományos előadás V. A. Rubakov; lásd a szuperszimmetrikus fejezetet.
2) Mi a szupersimetria? – a szuperszimmetria alapjainak mérsékelten népszerű bemutatása.
3) S.P. Martin. Supersimetriai alapozó // hep-ph / 9611409 – bevezető előadások a szuperszimmetriáról.
4) Supersimetria, I. rész: Elmélet és szupersimmetria, II. Rész: Kísérlet – naprakész áttekintés az elmélet aktuális állapotáról és kísérleti kutatások a részecskeadat-csoport honlapján.
5) J. L. Feng, J.-F. Grivaz, J. Nachtman. Szupersimetriai kutatások nagyenergiás összefűzőkkel // Rev. Mod. Phys. 82, 699-727 (2010) [arXiv: 0903.0046] – a kísérleti keresések áttekintése az LHC elindításakor.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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