Когда говорят о суперсимметрии, имеют в виду, с одной стороны, математическую теорию, которая сейчас очень хорошо развита. С другой стороны, имеют в виду физические приложения этой теории, которые двояки. С одной стороны, мы пытаемся использовать суперсимметрию для построения единой теории всех взаимодействий, включая гравитацию. И если речь идет о гравитации, значит, речь идет о шкале квантовой гравитации, то есть о планковской шкале. Это очень далекая шкала. А с другой стороны, мы говорим о так называемой низкоэнергетической суперсимметрии, суперсимметрии на ТэВной шкале, где работает Большой адронный коллайдер. Не исключено, что это просто одна теория, которая имеет свои проявления на разных шкалах. Но экспериментально мы можем проверить только то, что доступно ускорителям.
Прямым следствием такой теории является существование новых элементарных частиц, которые должны на этой шкале проявляться. Это означает, что они должны иметь массы примерно в этом диапазоне. И тогда они смогут родиться в столкновении протонов на энергии порядка нескольких ТэВ. Поиски таких частиц сейчас и ведутся. Но, к сожалению, мы не можем предсказать массы этих частиц. Непонятно, в каком точно интервале нужно искать эти частицы. Мы их пытаемся найти по косвенным признакам, потому что они долго не живут. Они распадаются на обычные частицы. Таким образом возникает так называемая недостающая энергия. Это означает, что рождаются частицы, которые не имеют электрического заряда, детектор их не улавливает, эти частицы улетают и уносят с собой часть энергии импульса. Мы их пытаемся найти по этой недостающей энергии и недостающему импульсу.
Спрашивается, почему же такие математически строгие и весьма развитые теоретические схемы не позволяют нам предсказать массы этих частиц, с тем чтобы мы могли искать их достоверным образом? Как ни странно, строгая математическая теория предсказывает, что все частицы должны иметь нулевые массы. Это обычная ситуация даже в Стандартной модели физики элементарных частиц. Если бы симметрия была точной, математически ненарушенной, тогда все частицы имели бы нулевую массу. Все известные нам частицы были бы безмассовыми. Но это не так. И это происходит благодаря тому, что симметрия нарушается. Это как раз то самое спонтанное нарушение симметрии, связанное с хиггсовским бозоном.
То же самое происходит и с суперсимметричными частицами, если они есть в природе. Если бы суперсимметрия была точной, у них были бы нулевые массы или в крайнем случае равные массам обычных частиц, но это не так. Стало быть, если суперсимметрия ― эта новая симметрия природы ― имеет отношение к физике частиц, стало быть, она нарушена. Тут самая главная загвоздка для теоретиков, потому что теоретики, как выяснилось, не умеют правильно описывать нарушения суперсимметрии.
Различные модели суперсимметричного мира как раз и различаются тем, как происходит нарушение суперсимметрии. И оказалось, что таких способов существует довольно много. Все они довольно интересные. Но основная идея, которая лежит под этими попытками нарушить суперсимметрию, повторяет то, что мы уже проходили в Стандартной модели с хиггсовским бозоном. То есть предполагается, что происходит спонтанное нарушение симметрии, такое же, как и в случае Стандартной модели, когда все частицы приобретают массу в результате взаимодействия с полем хиггсовского бозона. Оказалось, что если в суперсимметрии разыграть тот же самый сценарий, предположить, что какие-то поля имеют вакуумные средние, что нарушает симметрию и равенство масс различных частиц, в результате чего возникает спектр масс, то эта модель не работает.
Она не работает по довольно простой причине. Нарушив суперсимметрию, мы одновременно нарушаем другие группы инвариантности, и все частицы начинают приобретать массы, причем очень большие. А мы знаем, что в Стандартной модели существует множество легких частиц, имеющих совсем маленькую массу и никак не связанных с нарушением суперсимметрии. Оказалось, что проблемы нарушения симметрии в обычном мире и в суперсимметричном мире связаны друг с другом.
Для того чтобы эту проблему разрешить, придумали очень странную, на первый взгляд, схему. Предположительно, что, помимо нашего с вами мира, существует еще некий новый мир. Его называют скрытый сектор, и в нем происходит нарушение суперсимметрии, которое каким-то образом передается в наш мир. Существует множество различных вариантов переносчиков. Различные схемы приводят к немного разному спектру масс суперсимметричных частиц, которые мы безуспешно пока пытаемся найти на Большом адронном коллайдере. Оказывается, что примером такого скрытого сектора может явиться обычная гравитация, про которую мы точно знаем, что она существует. В теории суперсимметричной гравитации (она получила название супергравитации) есть частицы, которые являются переносчиками нарушения суперсимметрии в гравитационном секторе.
Но, правда, еще нужно найти подтверждение этих идей, нужно найти соответствующие частицы. Одной из таких частиц является суперпартнер гравитона — гравитин. Эта замечательная частица имеет собственный угловой момент, равный трем вторым. Пока такой частицы в природе не найдено. Если бы мы ее нашли, он бы являлась подтверждением того, что такие идеи справедливы. Тогда бы гравитин являлся бы переносчиком нарушения суперсимметрии из гравитации в мир элементарных частиц.
Другим примером является нарушение суперсимметрии с переносчиками, которые являются частицами наподобие глюона или W-бозонов. Такие векторные частицы могли бы тоже переносить нарушение суперсимметрии из неизвестного нам мира. Но поскольку это мир уже не мир гравитации, мы должны предположить существование каких-то новых частиц, которые не описываются Стандартной моделью фундаментального взаимодействия, скрытый сектор частиц. Конечно, это более экзотическая возможность, потому что, помимо нашего мира, мы должны предположить существование такого мира, который с нами почти не взаимодействует. Это не единственный пример. Существуют еще всевозможные схемы того, как бы это могло происходить в природе. Но во всех случаях, как бы это ни происходило, мы должны найти какой-то материальный носитель того, что это происходит.
Найти отсвет существования этих частиц — это одна из задач, которые мы пытаемся решить. Когда я говорю «отсвет», я имею в виду, что эти частицы живут очень непродолжительное время и, как правило, очень быстро распадаются. Нам нужно найти продукты их распада, то, как это происходит, как эти частицы распадаются, как они взаимодействуют с обычным миром, — все это определяет ту модель, которая является правильной. Пока еще не найдено ни одной суперсимметричной частицы, поэтому мы не можем ничего сказать о том, какая же из моделей реализуется. Но достаточно обнаружить хотя бы одну частицу, как сразу заработает целая схема, и мы сразу сможем сказать, какой из вариантов наиболее вероятен.
Предсказания различных моделей разнятся. Когда был ложный слух об открытии 750-ГэВного хиггсовского бозона, то первые работы появились в печати уже через несколько часов. Это означает, что теоретики уже все приготовили. Было достаточно просто вставить туда нужное число, и сразу все заработало. Я думаю, что с суперсимметрией произойдет все то же самое. Если вдруг одна из частиц будет открыта, то сразу же появится интерпретация. Будет целая гора публикаций, где все это будет реализовано. Но может оказаться не так. Может оказаться, что Большой адронный коллайдер на той энергии, какую мы сейчас имеем, не откроет суперсимметрию. Что это будет означать? Наверное, это будет означать, что те модели суперсимметричной физики частиц при энергии порядка ТэВ, возможно, неверны. Общая идея о суперсимметрии как о симметрии мира остается незыблемой, потому что она может реализоваться при действительно очень высоких энергиях, но просто не сработает при низких энергиях ― низких по сравнению с планковской шкалой, потому что низкие энергии — это на сегодняшний день самые высокие.
Почему же мы ожидаем проявления моделей суперсимметрии на Большом адронном коллайдере, если может оказаться, что они всего лишь на планковской шкале? Ожидаем мы это потому, что в физике элементарных частиц есть некие проблемы, связанные с хиггсовским сектором ― обычно их называют проблемы иерархии. Она заключается в том, что если существует мир тяжелых частиц, про которые нам ничего не известно, то они могут оказывать влияние на легкие частицы, взаимодействуя с ними. Даже если мы не наблюдаем этих частиц вживую, потому что они очень тяжелые и не могут родиться на коллайдере, тем не менее, взаимодействуя с нашими частицами, они могут привести к тому, что массы наших частиц станут очень большими. Этого не происходит для кварков, лептонов и W-бозонов, потому что они защищены симметрией. А хиггсовский бозон ничем не защищен. Поэтому масса хиггсовского бозона, если такие тяжелые частицы существуют, может получить такие большие поправки, частицы перестанут быть легкими, чего, мы знаем, не происходит. Эту проблему надо как-то решить.
Оказалось, что суперсимметрия, если она реализуется на масштабах порядка одного ТэВа, с легкостью эту проблему решает. Часто говорят, что это главный аргумент в пользу существования низкоэнергетической суперсимметрии. Поэтому все суперсимметричные модели физики частиц заточены на решение этой проблемы. Если же суперсимметрии нет, значит, эта проблема решается каким-то другим, неизвестным нам способом, что тоже вполне возможно. Но тем не менее пока надежда есть, и все многочисленные модели, которые описывают, как нарушается суперсимметрия, как построен суперсимметричный мир, какие там есть новые частицы, ― все это является предметом анализа на ускорителе, поскольку мы сейчас живем в эпоху, когда эксперимент диктует нам дальнейшее развитие теории.
