Кіріспе

Стандартты модельдің ең қарапайым суперсимметриялық кеңейтілуі

Минималды суперсимметриялық стандартты модель (MSSM) – суперсимметрияны іске асыратын Стандартты модельдің кеңейтілуі. MSSM – бұл минималды суперсимметриялық модель, себебі ол тек "қажетті ең аз жаңа бөлшектер мен "шындыққа" сәйкес келетін жаңа өзара әрекеттесулерді" қарастырады. Суперсимметрия бозондарды фермиондармен жұптастырады, сондықтан Стандартты модельдегі әр бөлшектің (әлі ашылмаған) суперсерігі бар. Егер мұндай супербөлшектер табылатын болса, олар қара материяның кандидаты болуы мүмкін, сондай-ақ ғарыштың біртұтастығының немесе теориялық жолдардың дұрыстығына дәлел бере алады. Үлкен адрондық коллайдерде MSSM-ға қатысты ешқандай дәлел таба алмау, одан бас тартуға бейімділікті арттырды.

Өмірбаян

МССМ бастапқыда 1981 жылы әлсіз масштабты тұрақтандыру және иерархиялық проблеманы шешу үшін ұсынылған. Стандартты модельдегі Хиггс бозонының массасы кванттық түзетулерге тұрақсыз келеді және теория бойынша, әлсіз масштаб байқалғаннан әлдеқайда төмен болуы тиіс. МССМ-де Хиггс бозонының фермиондық суперсерігі – Хиггсино бар, оның массасы суперсимметрия дәл симметрия болған жағдайдағы массасына тең болады. Фермион массаларының радиациялық тұрақтылығының арқасында Хиггс массасы да осы тұрақтылықты мұра етеді. Алайда, МССМ-де бірнеше Хиггс өрісінің қажеттігі туындайды, бұл төменде сипатталған. Суперсимметрияны ашқандығымызды нақты айтудың жалғыз жолы – зертханада супербөлшектерді өндіру. Супербөлшектердің протоннан 100-1000 есе ауыр болуы күтілуде, сондықтан оларды жасау үшін зор энергия қажет, мұндай энергияны тек бөлшектер үдеткіштерінде ғана алуға болады. Теватрон 2011 жылдың 30 қыркүйегінде жабылуға дейін суперсимметриялық бөлшектердің пайда болуына куәлік іздеумен айналысты. Көптеген физиктердің пікірінше, егер суперсимметрия әлсіз масштабты тұрақтандыруға жауапты болса, оны LHC-де табу керек. Стандартты модельдің суперсеріктеріне жататын бес класс бөлшек бар: скварктар, глюинолар, шаргинолар, нейтралинолар және слептонтар. Бұл супербөлшектердің өзара әрекеттесуі мен одан кейінгі ыдырауы МССМ арқылы сипатталады және әрқайсысының ерекше белгілері бар. МССМ протондардың тұрақтылығын түсіндіру үшін R-паритетін қолданады. Ол Лагранж функциясына белгілі бір, әзірге белгісіз (және нақтыламаған) динамика арқылы берілетін жұмсақ суперсимметрияны бұзу операторларын қосу арқылы суперсимметрияны бұзуды енгізеді. Бұл МССМ-де 120 жаңа параметр бар екенін білдіреді. Бұл параметрлердің көпшілігі үлкен дәмі өзгертілген бейтарап токтар немесе нейтрон мен электрон үшін үлкен электр дипольдік моменттер сияқты қабылдауға келмейтін құбылыстарға әкелуі мүмкін. Мұндай проблемаларды болдырмау үшін МССМ барлық жұмсақ суперсимметрияны бұзуды дәм кеңістігінде диагональды және барлық жаңа CP бұзу фазаларын жоюға бағыттайды.

Табиғилық

МССМ-ді ұсынудың бастапқы себебі – Стандартты модельде квадраттық түрде айырмашылығы бар радиациялық түзетулерге байланысты Хиггс массасын тұрақтандыру (иерархиялық проблема). Суперсимметриялық модельдерде скалярлар фермиондармен байланысты және бірдей массаға ие. Фермиондардың массалары логарифмдік түрде айырмашылығы бар болғандықтан, скалярлардың массалары да сол радиациялық тұрақтылықты мұралайды. Хиггс вакуумдық күтілетін мәні (VEV) Лагранждағы теріс скалярлық массамен байланысты. Хиггс массасына радиациялық түзетулер нақты мәннен едәуір үлкен болмауы үшін Стандартты модельдің суперсеріктерінің массасы Хиггс VEV-тен едәуір ауыр болмауы керек – шамамен 100 ГэВ. 2012 жылы Хиггс бөлшегі LHC-де ашылды, оның массасы 125–126 ГэВ екені анықталды.

Қара зат

Егер R паритеті сақталса, онда MSSM-нің ең жеңіл супербөлшегі (LSP) тұрақты болады және әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшек (WIMP) болып табылады, яғни ол электромагниттік немесе күшті өзара әрекеттесулерге қатыспайды. Бұл LSP-ді қара материяның жақсы үміткері етеді және ол суық қара материя (CDM) санатына жатады.

Хадрондық коллайдерлерге қатысты MSSM болжамы

Теватрон мен LHC-де суперсимметриялық бөлшектерді іздеуге бағытталған белсенді тәжірибелік бағдарламалар жүргізілуде. Бұл екі машина да адрондық шашырағыштар болғандықтан – Теватронда протон-антипротон, ал LHC-де протон-протон – олар күшті өзара әрекеттесетін бөлшектерді табуға ең қолайлы. Сондықтан, тәжірибелік сигналдардың көп бөлігі скварктар немесе глюинолардың пайда болуын қамтиды. MSSM R-паритетіне ие болғандықтан, ең жеңіл суперсимметриялық бөлшек тұрақты болады, ал скварктар мен глюинолар ыдырағаннан кейін, әр ыдырау тізбегінде детектордан көрінбей шығатын бір LSP болады. Осыдан MSSM-нің осы бөлшектер детектордан шығу арқылы "жоғалған энергия" сигналын тудырады деген жалпы болжам туындайды.

Шаржино

Фермиондар болып табылатын және электр заряды бар екі зарядин бар. Олар әдетте және деп белгіленеді (бірақ кейде және қолданылады). Ауыр зарядин жеңіл зарядинға ыдырай алады. Екеуі де W-дан нейтралиноға ыдырай алады.

Слиптон

Слептондар — Стандартты модельдің лептондарының скалярлық серіктестері. Олар күшті өзара әрекеттеспейді, сондықтан өте жеңіл болмаса, адрондық коллайдерлерде сирек пайда болады. Тау-лептонының жоғары массасының салдарынан стаудың сол-оң араласуы, стоп пен сботттың араласуына ұқсас болады (жоғарыда қараңыз). Егер олар ыдырау өнімдері ретінде пайда болуға жеткілікті жеңіл болса, слептондар әдетте зарядинос пен нейтралинолардың ыдырауларында табылады.

MSSM Хиггс массасы

MSSM Хиггс массасы – Минималды суперсимметриялық стандартты модельдің болжамы. Ең жеңіл Хиггс бозонының массасы Хиггс квартиктік байланысымен анықталады. Квартиктік байланыстар суперсимметрияны бұзудың жұмсақ параметрлері емес, себебі олар Хиггс массасының квадраттық айырмашылығына алып келеді. Сонымен қатар, Хиггс массасын MSSM-де еркін параметр етуге мүмкіндік беретін суперсимметриялық параметрлер жоқ (бірақ минималды емес кеңейтулерде бар). Осылайша, Хиггс массасы MSSM-нің болжамы болып табылады. LEP II және IV эксперименттері Хиггс массасының ең төменгі шегін 114,4 ГэВ деп белгіледі. Бұл ең төменгі шек, MSSM әдетте болжағаннан әлдеқайда жоғары, бірақ MSSM-ді жоққа шығармайды; 125 ГэВ массасы бар Хиггстің табылуы шамамен 130 ГэВ-қа жуық ең жоғарғы шекке сәйкес келеді, мұнда MSSM ішіндегі циклдық түзетулер Хиггс массасын көтере алады. MSSM-ді қолдайтындар Хиггс массасының жоғарғы шегіндегі Хиггс массасының MSSM есептеуінің сәтті болжамы екенін көрсетеді, бірақ күткеннен артық нақтылықты қажет етеді.

MSSM Лагранждық

MSSM үшін Лагранж бірнеше құрамдас бөліктерден тұрады. Біріншісі – материя және Хиггс өрістерінің Кэлер потенциалы, ол өрістердің кинетикалық мүшелерін тудырады. Екінші құрамдас бөлік – өлшеу өрісінің суперпотенциалы, ол өлшеу бозондарының және гаугинолардың кинетикалық мүшелерін тудырады. Келесі мүше – материя және Хиггс өрістерінің суперпотенциалы. Бұлар Стандартты модель фермиондары үшін Юкава байланыстарын, сондай-ақ Хиггсинолардың массалық мүшесін жасайды. R-паритетті таңдағаннан кейін, суперпотенциалдағы қайта нормаланатын, өлшеу инвариантты операторлар:

Тұрақты мүше жаһандық суперсимметрияда физикалық емес (супергравитациядан өзгеше).

Қиындықтар

MSSM-де бірнеше мәселе бар, олардың көпшілігі параметрлерді түсінуге байланысты. Му мәселесі: Хиггсино массасының параметрі μ суперпотенциалда келесі мүше ретінде көрінеді: μHuHd. Ол электрәлсіз масштабқа шамамен тең болуы керек, Планк масштабынан, яғни табиғи кесу масштабынан, көп есе кішірек. Жұмсақ суперсимметрия бұзу мүшелері де электрәлсіз масштабқа шамамен тең болуы керек. Бұл табиғилық мәселесін тудырады: неге бұл масштабтар кесу масштабынан әлдеқайда кіші, бірақ сонымен қатар бір-біріне өте жақын? Жұмсақ массалар мен А мүшелерінің дәмдік универсалдығы: стандартты модельде болжанғаннан басқа дәмді араласу әзірге табылған жоқ, сондықтан MSSM Лагранжианындағы қосымша мүшелердің коэффициенттері кем дегенде шамамен дәмге тәуелсіз болуы керек (яғни барлық дәмдер үшін бірдей). CP бұзу фазаларының кішілігі: стандартты модельде болжанғаннан басқа CP бұзу әзірге табылған жоқ, сондықтан MSSM Лагранжианындағы қосымша мүшелер кем дегенде шамамен CP-ге тәуелсіз болуы керек, осылайша олардың CP бұзу фазалары кіші болады.

Суперсимметрияны бұзу теориясы

Суперсеріктердің массалары мен өзара әрекеттесулеріндегі қажетті қасиеттерді қамтамасыз ететін жұмсақ суперсимметрия бұзу механизмін түсінуге зор теориялық еңбек жұмсалды. Ең көп зерттелген үш механизм:

Гаузерлік суперсимметрияны бұзу (GMSB)

Гаузерлік медиацияланған суперсимметрияны бұзу – Стандартты модельдің гаузерлік өзара әрекеттесулері арқылы суперсимметрияны бұзуды суперсимметриялық Стандартты модельге жеткізу әдісі. Әдетте, жасырын сектор суперсимметрияны бұзады және оны Стандартты модельге қатысты зарядталған массивті хабаршы өрістерге жеткізеді. Бұл хабаршы өрістер бір циклда гаугино массасын тудырады, ал содан кейін ол екі циклда скалярлық суперсеріктерге беріледі. Егер тоқтау кварктары 2 ТэВ-тан төмен болса, болжамдалған Хиггс бозонының максималды массасы 121.5 ГэВ-қа тең. Хиггс 125 ГэВ-та табылғандықтан, бұл модель тоқтау кварктарының массасы 2 ТэВ-тан жоғары болуын талап етеді.

Жер бетіндегі детекторлар

XENON1T (2016 жылы іске қосылатын қараңғы материяның WIMP детекторы) CMSSM сияқты суперсимметрия кандидаттарын зерттеуге/тексеруге күтілуде.