В середине 2011 года, когда Большой адронный коллайдер (БАК) был ещё молод, мой коллега Джон Конвэй объявил в своём блоге, что суперсимметрия (конкретно, суперсимметрия в качестве решения проблемы естественности, которую я буду называть «естественной суперсимметрией», ЕС)) по сути была забракована данными, полученными в экспериментах ATLAS и CMS на БАК. Быстрого взгляда и пары минут было достаточно, чтобы понять, что это заявление было ошибочным – и это демонстрирует тот факт, что люди продолжают поиски признаков ЕС до сих пор. Почему так сложно отвергнуть ЕС? Потому, что у этой темы есть огромное количество вариантов – невероятно много вариантов суперсимметрии, способных решить загадку естественности. Чтобы исключить их все, потребуется очень много работы! Гораздо больше данных, чем было собрано на БАК за несколько месяцев.
К середине 2012 года, получив в пять раз больше данных и проделав гораздо больше работы по их сортировке, мы поняли, что ситуация немного усложнилось. На этот раз потребовалось уже немного больше времени, порядка нескольких часов, чтобы понять, что результаты с ATLAS и CMS не отвергли ЕС. Сложностей было две. Первая – результаты очень важного измерения с эксперимента LHCb (хотя экспериментаторы умудрились дважды запутать общественность, ошибочно заявляя, что они исключили возможность ЕС, или, по крайней мере, «отправили её на больничную койку» – одно из самых бессмысленных заявлений в области физики, которое я слышал). Вторая – открытие частицы Хиггса массой 126 ГэВ, достаточно лёгкой для того, чтобы удовлетворять ЕС, но слишком тяжёлой для того, чтобы соответствовать простейшим её вариантам. И всё же тогда было слишком рано делать какие-то определённые заявления по поводу ЕС или чего-либо ещё.
Что у нас происходит сегодня [2013]? То, на что в 2011 году ушло пара минут, а в 2012 – несколько часов, в 2013 потребовало шести месяцев напряжённой работы. Собранные в 2012 году на ATLAS и CMS данные получились гораздо большими по объёму, и экспериментаторам пришлось потратить гораздо больше времени на то, чтобы пробиться сквозь них. После всех потраченных усилий стало возможным понять, какие варианты суперсимметрии исключены, а какие – нет. Мы, наконец, находимся в положении, позволяющем начать делать важные, хотя неполные, выводы по поводу естественных вариантов суперсимметрии.
Как я сказал, у суперсимметрии есть поражающее воображение количество вариантов, каждый из которых делает немного другие предсказания касаемо экспериментов на БАК. В принципе можно, используя существующие данные с ATLAS и CMS, делать определённые заявления по поводу ЕС, не специфичные для какого-то конкретного подкласса вариантов суперсимметрии – но можно ли сделать заявления, применимые ко всем (или к очень большому классу) ЕС-теорий? На этот вопрос мы с моими коллегами отвечаем в нашей научной работе.
Мы показали, что ответ будет положительным. Это «да» немного ограничено, поскольку есть несколько небольших логических лазеек, но подчеркну – небольших. По сравнению с 2012-м годом это серьёзное улучшение, ведь через те лазейки можно было провести грузовик. Вот наши аргументы:
Во-первых, мы предполагаем, что имеем дело с естественным вариантом суперсимметрии, в котором требуется, чтобы хиггсино (теоретические суперпартнёры частиц хиггса – суперсимметрия требует наличия пяти разновидностей частиц Хиггса) имели массу не более 400 ГэВ/с2. И это довольно консервативное требование – большая часть вариантов ЕС требует, чтобы частицы были сильно легче.
Во-вторых, мы предполагаем, что глюино (суперпартнёры глюонов) доступны нам в следующем смысле: их масса не превышает 1400 ГэВ/с2, и это достаточно немного, чтобы мы могли получить несколько таких частиц во время сбора данных в 2011-2012 годах.
Затем мы отмечаем следующее: если, и когда, глюино будут получены на БАК в столкновениях протонов, тогда почти во всех моделях ЕС с доступными глюино будет происходить одно или несколько из следующих явлений:
- Недостающий поперечный импульс. Яркий признак того, что в столкновениях создаются как наблюдаемые, так и ненаблюдаемые частицы, и наблюдаемые очевидно отскакивают от тех, которые мы видеть не можем.
- Верхние кварки и антикварки: довольно тяжёлые частицы (масса верхнего кварка – 175 ГэВ/с2), часто распадающиеся на электрон или мюон, нейтрино (ненаблюдаемый) и нижний кварк (или их античастицы).
- Большое количество высокоэнергетических элементарных частиц: кварки, антикварки, глюоны, лептоны, антилептоны или фотоны. Типичное количество – от 3 до 10 элементарных частиц на глюино, и, следовательно, от 6 до 20 частиц в столкновении протон-протон.
Наконец, мы указываем на то, что поиски всех этих экспериментальных признаков проводились эффективно и практически без предположений, как на ATLAS, так и на CMS. Поиски двух первых признаков настолько точные, что практически невозможно пропустить ЕС-модель, в которой глюино распадается на верхний кварк и возникает недостающий поперечный импульс, если масса глюино не превышает 1000 ГэВ/с2, а иногда может доходить до 1200 ГэВ/с2. Если же при распаде глюино возникает несколько верхних кварков и практически отсутствует недостающий поперечный импульс, но при этом возникает много кварков, антикварков и глюонов, тогда ограничения на массу глюино становятся слабее – возможно в районе 800 ГэВ/с2, но обычно всё-таки находятся в районе 1000 ГэВ/с2. Мы также указали, каким способом можно улучшить поиск глюино в этой последней категории.
Этот набор наблюдений исключает большую часть вариантов ЕС, у которых масса глюино находится в доступной нам области, до или в районе 1000 ГэВ/с2. Сюда не попадают только варианты с более тяжёлыми глюино, или с распадом глюино, в котором не наблюдается ни одного из трёх упомянутых выше признаков, или с неестественно тяжёлыми хиггсино. Результат подытожен на рисунке ниже. Что важно, в отличие от более ранних поисков суперсимметрии, основывавшихся на трёх ключевых предположениях из версий суперсимметрии, бывших самыми популярными:
- В любом процессе количество суперпартнёров может меняться только на чётное число.
- Легчайший суперпартнёр (который, как следует из п.1, стабилен) – это суперпартнёр известной нам частицы (и, следовательно, дабы избежать конфликтов с имеющимися данными, это ненаблюдаемый нейтралино или снейтрино).
- Суперпартнёры, на которые действует сильное ядерное взаимодействие, гораздо тяжелее других суперпартнёров известных нам частиц.
наши результаты оказываются применимыми, даже если отказаться от любого или от всех этих предположений. Также мы не предполагаем, что суперсимметрия «минимальна» – то есть, что нам предстоит открывать только суперпартнёров уже известных нам частиц (и дополнительные частицы Хиггса, требуемые суперсимметрией).
По вертикали – масса хиггсино, по горизонтали – глюино. Верхняя часть графика – неприятно неестественные результаты. Внизу слева – почти полное покрытие, далее, от 800 до 1000 ГэВ/с2 — несколько известных пробелов, потом большие пробелы, и затем, от 1400 ГэВ/с2 — неизведанная территория.
И как в связи с этим можно охарактеризовать поиски естественной суперсимметрии? Можно сказать, они закончены на 3/4. Для вариантов ЕС без глюино, который можно было получить в 2011-12 годах, было проведено множество поисков для других частиц-суперпартнёров – но, как показали мои коллеги Джаред Эванс и Евгений Кац, пока это нельзя назвать полным покрытием. К примеру, было проведено много поисков верхних скварков, суперпартнёров для верхних кварков, но при каждом из них приходилось делать определённые предположения на тему того, как распадаются верхние скварки. И для такого распада существуют возможности, неподвластные текущим методам поиска. То же верно и для хиггсино и других похожих частиц-суперпартнёров.
Исключить ЕС с почти полной определённостью и очень маленькими лазейками не получится до тех пор, пока БАК не проработает ещё пару лет со столкновениями протонов на энергиях в 13 ТэВ – а эти работы начнутся только в 2015 году [С 2015 по 2017 год БАК действительно работал с этой расчётной мощностью, в данный момент идёт обработка результатов / прим. перев.]. К 2017-му году мы уже должны будем получить данные, исключающие практически все варианты ЕС с массой глюино до 1600-1800 ГэВ/с2 (если не откроем какой-то вариант, конечно). К тому времени ограничения на верхние скварки и хиггсино будут также гораздо более сильными, и это оставит очень мало места для суперсимметрии.
Хочу упомянуть о паре лазеек в нашей логике. Крупнейшая из них – наше предположение о том, что при распаде глюино не появляется новых долгоживущих частиц или других странных явлений. Такие возможности потребовали бы совершенно другого набора стратегий, и их тяжело изучать, не зная подробности о том, как детекторы измеряют долгоживущие частицы – эта тема довольно сложна. Для некоторых типов долгоживущих частиц имеющиеся поиски подходят очень хорошо, для других никаких поисков вообще не предпринималось – поэтому покрытие этой темы весьма обрывочное. Кроме того, мы предположили, что массы глюино, хиггсино и всех других частиц-суперпартнёров малой массы не находятся в очень узком промежутке шириной в несколько десятков ГэВ/с2. Для такого случая потребуются особые меры, кроме предпринятых нами – однако пока неясно, возможно ли такое развитие событий в рамках ЕС. Наконец, в принципе можно представить себе настолько сложный распад глюино, что он собьёт с толку любые современные методы поиска. Могут ли существовать такие распады – вопрос отдельного теоретического исследования. Возможно, существуют и другие лазейки, но мы считаем их достаточно малыми.
Что ещё важно понять для тех, кто не является экспертами – это когда экспериментаторы с ATLAS или CMS говорят, что «мы закончили поиски Х», где Х – это частица какого-то вида или явление или идея, это не означает, что этот поиск обязательно был бесполезным для Y, где Y сильно отличается от Х. Экспериментаторы ищут суперсимметрию не только потому, что она может найтись, но и потому, что используемые ими стратегии могут открыть нам и что-то ещё. И наоборот, иногда поиски чего-либо, не связанного с суперсимметрией, оказываются полезными для поисков определённых вариантов суперсимметрии.
Проше говоря, если даже искренне веришь в то, что Х не существует, это не означает, что нужно считать, что поиски Х являются полной потерей времени. Не нужно критиковать экспериментаторов за потерянное «в поисках суперсимметрии» или «дополнительных измерений» или чего-то ещё время. Те же самые поиски полезны и нужны для открытия или исключения множества других теорий. К примеру, в работе мы показали, что определённые поиски дополнительных пространственных измерений (точнее, поиски микроскопических, мгновенно испаряющихся чёрных дыр) служит одним из самых плодотворных путей исключения глюино, при распаде которых появляется множество элементарных частиц.
В итоге мне хочется думать, что наши результате представляют собой шаг вперёд по направлению к пониманию того, что ATLAS и CMS сообщают нам о физике частиц, и каким образом необходимо будет вести поиски в будущем. Одним из возможных уроков будет то, что во многих ситуациях небольшое количество широких и всеобъемлющих поисков какого-то общего явления получается более эффективным, чем большое количество крайне оптимизированных и очень узких поисков совершенно определённого явления. В последнем случае остаётся гораздо больше дыр, и если они не делают открытия, они оказываются менее полезными, чем первый случай, в плане составления общих и твёрдых выводов по поводу того, как устроен мир.
Источник
