[Перевод] Суперсимметрия не подтверждается экспериментами, и физики ищут новые идеи

В экспериментах на Большом адронном коллайдере, 26-километровом круговом тоннеле Лаборатории ЦЕРН в Швейцарии, где сталкиваются протоны больших энергий, пока не было получено никаких намёков на «новую физику» за пределами Стандартной модели.

Михаил Шифман, молодой московский физик-теоретик в 1982 году, был поражён элегантностью новой теории под названием суперсимметрия, пытавшейся включить известные элементарные частицы в более полный каталог частиц Вселенной.

«Мои работы того времени просто светятся энтузиазмом»,- говорит Шифман, 63-летний профессор в Миннесотском университете. За десятилетия он и тысячи других физиков разработали гипотезу суперсимметрии в уверенности, что эксперименты её подтвердят. «Но природе она не нужна»,- говорит он. – По крайней мере, в простой изначальной форме».

Поскольку крупнейший коллайдер мира не смог обнаружить частиц, которые должны существовать согласно этой теории, Шифман присоединяется к хору исследователей, призывающему своих коллег сменить курс.

Михаил Шифман

В эссе, опубликованном в октябре 2012 года, Шифман призвал коллег отбросить путь «разработки притянутых за уши вычурных и эстетически непривлекательных модификаций» суперсимметрии, ведущиеся в целях объяснения того, факта, что более простые версии теории не подтверждены тестами. Он пишет, что пришло время «начинать думать и разрабатывать новые идеи».

Но материала для работы маловато. Пока что никаких намёков на «новую физику» за пределами Стандартной модели – принятого набора уравнений, описывающих известные элементарные частицы – не возникло ни в экспериментах на БАК, ни где-либо ещё. (Открытый не так давно бозон Хиггса был предсказан Стандартной моделью). Последние тесты по сталкиванию протонов в Киото, Япония, исключили ещё один большой класс суперсимметричных моделей, и другие теории «новой физики», поскольку не нашли ничего необычного в распадавшихся частицах.

«Конечно, это разочаровывает,- говорит Шифман. – Мы не боги, мы не пророки. В отсутствие намёков на направление движения в экспериментальных данных, как можно догадаться о чём-нибудь, происходящем в природе?».

Более молодые физики, изучающие частицы, встали перед трудным выбором: следовать путём, проторённым за десятилетия их учителями, и изобретать ещё более изощрённые версии суперсимметрии, или пойти своим путём, без всякого направления со стороны каких бы то ни было данных.

«Это сложный вопрос, на который большинство из нас старается пока не отвечать»,- говорит Адам Фальковский, специалист по физике частиц из Университета Париж-юг XI в Орсе, Франция, работающий в ЦЕРН. В блогпосте о японских испытаниях Фальковский шутит, что пора уже искать работу в неврологии.

«Это никак нельзя назвать ободряющим,- говорит Стивен Мартин, специалист по физике высоких энергий из Университета в Северном Иллинойсе, работающий над суперсимметрией, или кратко, SUSY. – Я уж точно не верю, что SUSY должна быть правильной. Я просто не могу придумать ничего лучше».

Суперсимметрия доминировала над физикой частиц десятилетиями, и исключила почти все альтернативные физические теории, выходившие за рамки СМ.

«Тяжело переоценить вклад физиков в SUSY за последние 20-30 лет, поэтому её провал окажет сильнейшее влияние на нашу область»,- говорит Питер Войт [Peter Woit], специалист по физике частиц и математик из Колумбийского университета.

Теория привлекательна по трём причинам. Она предсказывает существование частиц, из которых может состоять «тёмная материя», невидимая субстанция, пронизывающая окраины галактик. Она объединяет три фундаментальных взаимодействия при высоких энергиях. И, самое большое преимущество,- она решает загадку физики под названием «проблема калибровочной иерархии».

Загадка связана с несоразмерностью гравитации и слабым ядерным взаимодействием, которое в 100 миллионов триллионов триллионов (10³²) раз сильнее, и действует на гораздо меньших масштабах, управляя взаимодействием внутри атомного ядра. Частицы, переносящие слабое взаимодействие, W и Z-бозоны, получают массу из хиггсовского поля, поля энергии, пропитывающего пространство. Но непонятно, почему энергия поля Хиггса, и соответственно массы W и Z-бозонов, такие небольшие. Поскольку другие частицы связаны с полем Хиггса, их энергии должны влиться в него в момент квантовых флюктуаций. Это должно сильно поднять энергию хиггсовского поля, делая W и Z-бозоны более массивными и приводя к тому, что слабое взаимодействие ослабеет до уровня гравитации.

Суперсимметрия решает проблему иерархии, предполагая наличие суперпартнёра-близнеца для каждой элементарной частицы. Согласно теории, у фермионов, из которых состоит материя, есть суперпартнёры-бозоны, переносящие взаимодействия, а у существующих бозонов есть суперпартнёры-фермионы. Поскольку типы частиц и их суперпартнёров противоположны, вклады их энергии в хиггсовское поле обладают противоположными знаками – один его увеличивает, второй уменьшает. Вклады пар взаимоуничтожаются, и никаких катастроф не происходит. А в качестве бонуса один из неоткрытых суперпартнёров может быть составной частью тёмной материи.

«Суперсимметрия прекрасна, и в физике мы позволяем подобной красоте и эстетике вести нас в направлении, в котором может находиться истина»,- говорит Брайан Грин [Brian Greene], физик-теоретик из Колумбийского университета.

Со временем, поскольку суперпартнёры не появились, суперсимметрия стала менее красивой. По популярным моделям, чтобы избежать обнаружения, частицам-суперпартнёрам приходиться быть сильно тяжелее своих двойников, и вместо симметрии появляется какое-то кривое зеркало. Физики выдвинули огромное количество идей о том, как симметрия может быть сломана, и породили тысячи версий суперсимметрии.

Но нарушение суперсимметрии – это новая проблема. «Чем тяжелее приходится делать суперпартнёров по сравнению с существующими частицами, тем хуже работает взаимное исключение их действия»,- поясняет Мартин.

Большинство специалистов по физике частиц в 1980-х считали, что суперпартнёры будут лишь немного тяжелее известных частиц. Но на Теватроне, ускорителе в Fermilab, ныне отстранённом от работы, ничего подобного не нашли. И в то время, как БАК тестирует всё более высокие энергии, не находя и следа суперсимметричных частиц, некоторые физики утверждают, что теория мертва. «Думаю, что БАК был последней соломинкой»,- сказал Войт.

В настоящее время большинство рабочих версий суперсимметрии предсказывают настолько тяжёлых суперпартнёров, что они бы пересилили эффекты от своих лёгких близнецов, если бы не точно настроенные взаимоуничтожения воздействий между различными суперпартнёрами. Но тонкая подстройка, предназначенная для нейтрализации проблем теории и решения проблемы иерархии, не нравится многим. «Это показывает, что мы, возможно, должны отойти назад и задуматься о проблемах, ради решения которых была придумана SUSY»,- сказал Шифман.

Некоторые теоретики ломятся дальше, и утверждают, что, несмотря на красоту изначальной теории, в природе может существовать уродливая комбинация частиц-суперпартнёров и капельки подстроек. «Думаю, ошибкой будет концентрироваться на популярных версиях суперсимметрии»,- сказал Мэтт Страсслер [Matt Strassler], физик в области элементарных частиц из Рутгерского университета. «Конкурсы популярности – это ненадёжный показатель истины».

Адам Фальковский

В менее популярных моделях SUSY, самых лёгких из суперпартнёров как раз и ищут на БАК. В иных моделях суперпартнёры не тяжелее существующих частиц, но менее стабильны, из-за чего их труднее обнаружить. Эти теории будут и далее проверяться на БАК после апгрейда.

Если ничего нового не найдут – а о таком развитии событий говорят, как о «кошмарном сценарии» – физикам останутся всё те же пробелы, что путали им всю картину Вселенной три десятка лет назад, до того, как их аккуратно закрыла суперсимметрия. И при отсутствии коллайдера более высоких энергий, говорит Фальковский, эта область будет медленно деградировать. «Количество рабочих мест в физике частиц будет падать, и физики, специализирующиеся на частицах, будут вымирать естественным образом».

Грин более оптимистичен. «Наука – это самоподстраивающееся мероприятие,- говорит он. – Неправильные идеи со временем выкорчёвывают, поскольку они неплодотворные, или поскольку они ведут в тупики. И это происходит внутри области. А люди продолжают работать над тем, что их очаровывает, и наука зигзагами приближается к истине».