Минимальная суперсимметричная стандартная модель: обзор и перспективы

Введение

Простейшее суперсимметричное расширение Стандартной модели

Минимальная суперсимметричная стандартная модель (MSSM) — это расширение Стандартной модели, реализующее суперсимметрию. MSSM является минимальной суперсимметричной моделью, поскольку рассматривает только минимальное количество новых состояний частиц и новых взаимодействий, согласующихся с реальностью. Суперсимметрия объединяет бозоны и фермионы, поэтому для каждой частицы Стандартной модели существует (пока не обнаруженный) суперпартнер. В случае обнаружения такие суперчастицы могли бы быть кандидатами в темную материю и предоставить свидетельства в пользу великого объединения или состоятельности теории струн. Отсутствие доказательств существования MSSM, полученных на Большом адронном коллайдере, усилило тенденцию к её пересмотру.

Предыстория

MSSM была первоначально предложена в 1981 году для стабилизации слабой шкалы, решая проблему иерархии. Масса бозона Хиггса в Стандартной модели нестабильна к квантовым поправкам, и теория предсказывает, что слабая шкала должна быть значительно слабее, чем наблюдается. В MSSM бозон Хиггса имеет фермионного суперпартнера – хиггсино, который обладает той же массой, что и в случае точной суперсимметрии. Поскольку фермионные массы радиационно стабильны, масса Хиггса наследует эту стабильность. Однако в MSSM требуется более одного поля Хиггса, как описано ниже. Единственный однозначный способ заявить об открытии суперсимметрии – это создать суперчастицы в лабораторных условиях. Поскольку ожидается, что суперчастицы будут в 100–1000 раз тяжелее протона, для их создания требуется огромное количество энергии, которое можно получить только в ускорителях частиц. Теватрон активно искал свидетельства рождения суперсимметричных частиц до своего закрытия 30 сентября 2011 года. Большинство физиков полагают, что суперсимметрия должна быть обнаружена на Большом адронном коллайдере (БАК), если она отвечает за стабилизацию слабой шкалы. Существует пять классов частиц, к которым относятся суперпартнеры Стандартной модели: скварки, глюино, чаргино, нейтралино и слептоны. Взаимодействия и последующие распады этих суперчастиц описываются MSSM, и каждая из них имеет характерные сигнатуры. MSSM вводит R-чётность для объяснения стабильности протона. Она нарушает суперсимметрию, вводя в лагранжиан явные операторы мягкого нарушения суперсимметрии, которые передаются ему некоторой неизвестной (и не уточненной) динамикой. Это означает, что в MSSM существует 120 новых параметров. Большинство этих параметров приводят к неприемлемой феноменологии, такой как большие изменения вкусовых нейтральных токов или большие электрические дипольные моменты нейтрона и электрона. Чтобы избежать этих проблем, MSSM предполагает, что все мягкие нарушения суперсимметрии диагональны в пространстве вкуса, а все новые фазы нарушения CP равны нулю.

The MSSM was originally proposed in 1981 to stabilize the weak scale, solving the hierarchy problem. The Higgs boson mass of the Standard Model is unstable to quantum corrections and the theory predicts that weak scale should be much weaker than what is observed to be. In the MSSM, the Higgs boson has a fermionic superpartner, the Higgsino, that has the same mass as it would if supersymmetry were an exact symmetry. Because fermion masses are radiatively stable, the Higgs mass inherits this stability. However, in MSSM there is a need for more than one Higgs field, as described below. The only unambiguous way to claim discovery of supersymmetry is to produce superparticles in the laboratory. Because superparticles are expected to be 100 to 1000 times heavier than the proton, it requires a huge amount of energy to make these particles that can only be achieved at particle accelerators. The Tevatron was actively looking for evidence of the production of supersymmetric particles before it was shut down on 30 September 2011. Most physicists believe that supersymmetry must be discovered at the LHC if it is responsible for stabilizing the weak scale. There are five classes of particle that superpartners of the Standard Model fall into: squarks, gluinos, charginos, neutralinos, and sleptons. These superparticles have their interactions and subsequent decays described by the MSSM and each has characteristic signatures. The MSSM imposes R parity to explain the stability of the proton. It adds supersymmetry breaking by introducing explicit soft supersymmetry breaking operators into the Lagrangian that is communicated to it by some unknown (and unspecified) dynamics. This means that there are 120 new parameters in the MSSM. Most of these parameters lead to unacceptable phenomenology such as large flavor changing neutral currents or large electric dipole moments for the neutron and electron. To avoid these problems, the MSSM takes all of the soft supersymmetry breaking to be diagonal in flavor space and for all of the new CP violating phases to vanish.

Естественность

Первоначальной мотивацией для предложения MSSM была стабилизация массы Хиггса по отношению к радиационным поправкам, которые квадратично расходятся в Стандартной модели (проблема иерархии). В суперсимметричных моделях скаляры связаны с фермионами и имеют одинаковую массу. Поскольку массы фермионов логарифмически расходятся, скалярные массы наследуют ту же радиационную стабильность. Вакуумное ожидаемое значение Хиггса (VEV) связано с отрицательной скалярной массой в лагранжиане. Чтобы радиационные поправки к массе Хиггса не были значительно больше фактического значения, массы суперпартнеров Стандартной модели не должны быть существенно больше, чем VEV Хиггса – примерно 100 ГэВ. В 2012 году частица Хиггса была обнаружена на Большом адронном коллайдере (БАК), и ее масса составила 125–126 ГэВ.

Темная материя

Если R-паритет сохраняется, то самая легкая суперчастица (LSP) в MSSM стабильна и является слабо взаимодействующей массивной частицей (WIMP), то есть она не имеет электромагнитных или сильных взаимодействий. Это делает LSP хорошим кандидатом на роль темной материи и относит ее к категории холодной темной материи (CDM).

Прогнозы МССМ относительно адронных коллайдеров

Теватрон и БАК реализуют активные экспериментальные программы по поиску суперсимметричных частиц. Поскольку обе эти установки являются адронными коллайдерами – протон-антипротон для Теватрона и протон-протон для БАК – они наиболее эффективно обнаруживают сильно взаимодействующие частицы. Поэтому большинство экспериментальных сигнатур связано с производством скварков или глюино. Так как в MSSM сохраняется R-чётность, самая лёгкая суперсимметричная частица стабильна, и после распада скварков и глюино каждая цепочка распадов будет содержать одну LSP, которая покинет детектор, оставаясь незамеченной. Это приводит к общему предсказанию, что MSSM будет генерировать сигнал «пропущенной энергии» из-за этих частиц, покидающих детектор.

Каржино

Существуют два заряженных хино, которые являются фермионами и несут электрический заряд. Обычно они обозначаются и (хотя иногда вместо этого используется и ). Более тяжелый заряженный хино может распадаться в более легкий заряженный хино. Оба могут распадаться через в нейтралино.

Слиптон

Слептоны — это скалярные суперпартнёры лептонов Стандартной модели. Они слабо взаимодействуют и поэтому редко производятся в адронных коллайдерах, если их масса достаточно велика. Из-за большой массы тау-лептона для стау будет наблюдаться смешение слева направо, аналогичное смешению стоп-кварка и сботом-кварка (см. выше). Слептоны, как правило, обнаруживаются в продуктах распада заряженных и нейтральных частиц суперсимметрии, если они достаточно легки, чтобы быть продуктами распада.

Масса Хиггса

Масса Хиггса в MSSM является предсказанием Минимальной Суперсимметричной Стандартной Модели. Масса самого лёгкого бозона Хиггса определяется квартическим взаимодействием Хиггса. Квартические взаимодействия не являются параметрами мягкого нарушения суперсимметрии, поскольку они приводят к квадратичной расходимости массы Хиггса. Более того, в MSSM нет суперсимметричных параметров, позволяющих сделать массу Хиггса свободным параметром (хотя это возможно в неминимальных расширениях). Это означает, что масса Хиггса является предсказанием MSSM. Эксперименты LEP II и LHC установили нижний предел массы Хиггса в 114,4 ГэВ. Этот нижний предел значительно выше типичных предсказаний MSSM, но не исключает MSSM; открытие Хиггса с массой 125 ГэВ находится в пределах максимального верхнего предела, примерно равного 130 ГэВ, до которого петлевые поправки в MSSM могут увеличить массу Хиггса. Сторонники MSSM отмечают, что масса Хиггса, попадающая в верхнюю границу расчёта MSSM, является успешным предсказанием, хотя и указывает на большую тонкую настройку, чем ожидалось.

MSSM Лагранжианский

Лагранжиан для MSSM состоит из нескольких частей. Первая – потенциал Кэлера для полей материи и Хиггса, который порождает кинетические члены для этих полей. Вторая часть – суперпотенциал калибровочных полей, который порождает кинетические члены для калибровочных бозонов и гаугино. Следующий член – суперпотенциал для полей материи и Хиггса. Он порождает взаимодействия Юкавы для фермионов Стандартной модели, а также массу для хиггсино. После наложения R-чётности, ренормируемые, калибровочно-инвариантные операторы в суперпотенциале следующие.

Постоянный член нефизичен в глобальной суперсимметрии (в отличие от супергравитации).

Проблемы

В MSSM существует несколько проблем, большинство из которых связаны с пониманием параметров. Проблема мю: Параметр массы Хиггсино μ появляется в суперпотенциале в виде следующего члена: μHuHd. Он должен иметь тот же порядок величины, что и электрослабая шкала, но на много порядков меньше, чем шкала Планка, которая является естественной шкалой отсечки. Мягкие члены нарушения суперсимметрии также должны быть того же порядка величины, что и электрослабая шкала. Это порождает проблему естественности: почему эти шкалы настолько меньше, чем шкала отсечки, и при этом оказываются так близки друг к другу? Вкусовая универсальность мягких масс и A-членов: поскольку до сих пор не обнаружено смешивания ароматов, выходящего за рамки предсказаний Стандартной модели, коэффициенты дополнительных членов в лагранжиане MSSM должны быть, по крайней мере, приблизительно, инвариантны относительно ароматов (то есть одинаковы для всех ароматов). Малость фаз нарушения CP-инвариантности: поскольку до сих пор не обнаружено нарушения CP-инвариантности, выходящего за рамки предсказаний Стандартной модели, дополнительные члены в лагранжиане MSSM должны быть, по крайней мере, приблизительно, CP-инвариантны, чтобы их фазы нарушения CP-инвариантности были малы.

Теории нарушения суперсимметрии

Большое количество теоретических усилий было направлено на понимание механизма мягкого нарушения суперсимметрии, приводящего к желаемым свойствам масс и взаимодействий суперпартнеров. Три наиболее тщательно изученных механизма:

Разрыв суперсимметрии с помощью калибра (GMSB)

Разрыв суперсимметрии посредством калибровочных взаимодействий – это механизм передачи нарушения суперсимметрии в суперсимметричную Стандартную модель через калибровочные взаимодействия самой Стандартной модели. Как правило, нарушение суперсимметрии происходит в скрытом секторе и передается массивным полям-посланникам, несущим заряд в рамках Стандартной модели. Эти поля-посланники индуцируют массу гаугино на уровне одной петли, которая затем передается скалярным суперпартнерам на уровне двух петель. Если потребовать, чтобы масса стоп-кварков была меньше 2 ТэВ, то максимальная предсказанная масса бозона Хиггса составит всего 121,5 ГэВ. Однако, поскольку бозон Хиггса был обнаружен при энергии 125 ГэВ, эта модель требует, чтобы масса стоп-кварков была больше 2 ТэВ.

Земные детекторы

Ожидается, что XENON1T (детектор WIMP темной материи, который вводился в эксплуатацию в 2016 году) позволит исследовать и проверить кандидаты в рамках суперсимметрии, такие как CMSSM.