Во-первых, позвольте мне подчеркнуть то, что в наши дни покрывается толстым слоем дезинформации в средствах массовой информации: совершенно преждевременно делать выводы о том, увидит ли БАК SUSY или нет. Основные детекторы собрали только 45/pb (и оценили 35/pb) данных. «Слеш pb» следует произносить как «обратные пикобарны».

БАК предназначен для сбора в сотни или тысячи раз большего количества данных, чем он записал до сих пор, и в конечном итоге он должен работать с удвоенной энергией (общая энергия 14 ТэВ вместо нынешних 7 ТэВ). Каждое умножение интегральной светимости (количества столкновений) на 10 соответствует доступу новых частиц, массы которых примерно в 2 раза больше или около того. Это означает, что LHC сможет принимать решения о существовании новых частиц с массами, которые в 4-16 раз превышают текущие нижние границы (16 также включает вероятное повышение с 2x 3,5 ТэВ до 7 ТэВ).

Есть как минимум два "в основном независимых" параметра с размерностью массы в SUSY - я имею в виду$m_0$а также$m_{1/2}$. Таким образом, число из предыдущего предложения действительно должно быть возведено в квадрат, и в некоторых разумных подсчетах и ​​с разумной мерой БАК исследовал только около 1/16–1/256 пространства параметров, доступного БАК за время своего существования.

Таким образом, единственное, что мы можем сказать сейчас, это то, что SUSY не был обнаружен на очень ранней стадии эксперимента, на что многие надеялись, но эта возможность никогда не подтверждалась ничем иным, как принятием желаемого за действительное. Вопрос о том, сможет ли БАК увидеть SUSY, может оставаться открытым в течение нескольких лет, если только БАК не увидит ее намного раньше. Это эксперимент, который может продолжаться до 2020 года и далее.

На самом деле мы не знаем, где могут быть массы суперпартнеров, но они могут находиться на уровне нескольких ТэВ, и это все равно будет означать, что они доступны для БАК.

Теперь ваши вопросы:

Что помогает решить SUSY

Во-первых, SUSY является естественным - и в основном неизбежным - следствием теории струн, единственной последовательной квантовой теории, которая включает гравитацию, а также силы Янга-Миллса на 2011 год. См.

http://motls.blogspot.com/2010/06/why-string-theory-implies-supersymmetry.html

В этом контексте суперсимметрия нужна для стабильности вакуума и прочего хотя бы на определенном уровне. По другим причинам, которые будут обсуждаться ниже, естественно ожидать, что SUSY не будет разбиваться до энергетических масштабов, подобных LHC (т. е. что он должен быть виден на LHC), но нет четкого аргумента, который мог бы вычислить масштаб суперпартнера. Некоторые струнные теоретики даже говорят, что следует ожидать, что суперсимметрия будет нарушена на очень большом масштабе (около масштаба великого объединения или планковского масштаба) — потому что это «общее поведение» в струнном ландшафте («большинство» минимумов имеют крупномасштабное нарушение SUSY, которое сделало бы SUSY недоступным для каких-либо выполнимых экспериментов) — поэтому эти сторонники антропных рассуждений не ожидают, что SUSY будет замечен на БАК. Однако,

Почему? Есть несколько основных аргументов: SUSY может предложить очень естественного кандидата в частицы темной материи, а именно LSP (легчайшая суперсимметричная частица), скорее всего, нейтралино (суперпартнер фотона или Z-бозона, или бозонов Хиггса, или их смеси), которая, кажется, имеет правильную приблизительную массу, силу взаимодействий и другие вещи, чтобы играть роль большей части темной материи во Вселенной (так что теория Большого Взрыва с этой дополнительной частицей заканчивается Вселенной, похожей на нашу после 13,7 млрд лет). См. статью о SUSY и темной материи:

http://motls.blogspot.com/2010/07/susy-and-dark-matter.html

Кроме того, SUSY с суперпартнерами недалеко от шкалы энергий ТэВ или LHC улучшает унификацию калибровочной связи, так что силы связей очень хорошо унифицируются вблизи шкалы GUT (и, возможно, объединяются в единую простую группу на более высокой шкале энергии, а не далеко от шкалы Планка), см.:

http://motls.blogspot.com/2010/06/susy-and-gauge-coupling-unification.html

Унификация в простейших суперсимметричных моделях хороша только в том случае, если суперпартнеры не слишком далеки от масштаба ТэВ, но если они около 10 ТэВ, это все еще незначительно. Тот же комментарий с тем же значением 10 ТэВ справедлив и для работы темной материи нейтралино, обсуждавшейся выше.

Наконец, и это наиболее известно, SUSY с массами суперпартнеров, близкими к масштабу ТэВ или LHC, стабилизирует массу Хиггса — это объясняет, почему масса Хиггса (и, следовательно, массы W-бозонов и Z-бозонов, среди других частиц) не квантовые поправки (с петлями пар частица-античастица на диаграммах Фейнмана) ведут к огромной шкале энергии, такой как шкала Планка. Те квантовые поправки, которые в противном случае ожидались бы, аннулируются с точностью до ТэВ, если массы суперпартнеров близки к ТэВ, и результирующая масса Хиггса может быть естественным образом в ожидаемом окне 100–200 ГэВ с дополнительным везением 10:1 (что неплохо). ).

Чем легче массы суперпартнеров, тем более «естественно» SUSY объясняет, почему масса бозона Хиггса остается легкой. Но нет строгого аргумента в пользу того, что суперпартнеры должны быть легче 1 ТэВ или 10 ТэВ. Просто «звучит странно», если бы они были намного выше, потому что осталась бы незначительная часть проблемы иерархии. См. текст о SUSY и проблеме иерархии:

http://motls.blogspot.com/2010/07/susy-and-hierarchy-problem.html

Можно сказать, что эксперименты уже опровергли 99,999999999+ процентов естественного априорного интервала для мыслимой массы бозона Хиггса в Стандартной модели. SUSY меняет этот подсчет - вероятность того, что масса бозона Хиггса окажется примерно такой же малой, как предполагают электрослабые наблюдения, становится сравнимой со 100 процентами согласно теории SUSY. Чтобы согласоваться с другими доступными экспериментами, SUSY необходимо настроить некоторые другие параметры, но в хороших точках пространства параметров ни одна из настроек не является столь экстремальной, как настройка массы Хиггса в несуперсимметричной Стандартной модели.

Можем ли мы решить, есть ли SUSY на БАК?

SUSY может скрываться какое-то время, но LHC просто запланировано выполнить определенное количество столкновений с определенной энергией, и эти столкновения могут в конечном итоге быть изучены самыми современными методами, и доказательства существования SUSY будут либо в данные или нет. Некоторые феноменологи часто хотят оставаться очень скромными и говорят о многочисленных сложных способах, которыми SUSY может продолжать скрываться или оставаться фактически неотличимой от других моделей. Однако иногда одни и те же люди способны реконструировать случайно сконструированную искусственную модель (фиктивно сгенерированные данные о столкновениях) за выходные: это игры, в которые играют на Олимпийских играх LHC. Так что я действительно не ожидаю слишком много прятаться. С этими данными в конечном итоге будет решена судьба SUSY масштаба LHC.

Очевидно, что если SUSY существует в масштабе LHC, то LHC в конечном итоге обнаружит фейерверк новых эффектов (SUSY также является наиболее привлекательной реалистичной возможностью для экспериментаторов) — среди прочего, все суперпартнеры известных частиц (такие как расширенный сектор Хиггса относительно Стандартной модели). Их спины и связи должны быть проверены, чтобы (не) согласовываться со спинами известных частиц, и так далее. Все массы могут быть для нас неожиданными - мы на самом деле не знаем ни одной из них, хотя у нас есть различные модели нарушения SUSY, которые предсказывают различные закономерности.

Альтернативы в случае отсутствия наблюдения SUSY

Темная материя может состоять из частиц ad hoc, которым не нужны никакие грандиозные структуры, но такие альтернативы не оправдываются ничем иным, как простой и единственной задачей, которую они должны выполнять. Конечно, в литературе есть много альтернатив, но ни одна из них не кажется столь же оправданной другими доказательствами, т. е. не ad hoc, как SUSY. Я думаю, что в случае отсутствия SUSY на LHC, LHC останется на некотором расстоянии от «полного опровержения» SUSY-частиц как источника темной материи, потому что эта роль может работать до масс до 10 ТэВ или около того, и многое из этого интервал останется недоступным для LHC.

Таким образом, БАК — отличный гаджет, который мощнее предыдущего, но просто нельзя гарантировать, что он должен давать окончательные ответы на все вопросы, на которые мы хотим получить ответы. Этот факт может быть неудобным (и многие неспециалисты любят, когда им обещают, что за эти миллиарды долларов неизбежно будут даны ответы на все вопросы — правда это или нет), но это просто факт, что БАК — это не машина, чтобы увидеть каждое лицо Бога. . Существуют различные варианты решения проблемы иерархии - маленькая модель Хиггса, модели Рэндалла-Сандрума (которые могут быть опровергнуты и в конце БАК - ожидается, что БАК решит судьбу каждого решения иерархии проблема, хотя они всегда могут оставаться некоторой неопределенностью) и т. д. - но я убежден, что даже в том случае, если SUSY не наблюдается на LHC,

Конечно, если кто-то найдет более совершенные новые модели или удивительные экспериментальные доказательства некоторых существующих моделей на БАК (или других), ситуация может измениться. Но прямо сейчас, помимо SUSY, действительно нет альтернативных теорий, которые естественным образом объясняют или решают три вышеперечисленные проблемы одновременно. Эта способность SUSY решать множество задач одновременно, конечно, не является доказательством того, что она должна быть правильным решением для всех из них, но это большой намек. Это причина, по которой физики элементарных частиц считают ее наиболее вероятной новой физикой на данный момент — вывод, который может измениться, но только если появятся новые (теоретические или экспериментальные) доказательства.

Хотя ясно, что отсутствие SUSY на LHC ослабило бы аргументы в пользу SUSY и всех связанных с ней направлений, я убежден, что, если в будущем не будут найдены какие-то впечатляющие новые альтернативы или впечатляющие новые доказательства других теорий, SUSY по-прежнему останется единственное серьезное направление в феноменологии. В формальной теории его ключевая роль гарантированно останется первостепенной, независимо от результатов БАК или любых возможных экспериментов. Очевидно, что чем более формальные части теории высоких энергий изучает теоретик, тем меньше его или ее работа зависит от результатов БАК.

Мне не нужно объяснять, что отсутствие SUSY на БАК означало бы более резкий раскол сообщества физиков элементарных частиц.

Отсутствие SUSY и теории струн

Ясно, что если бы SUSY не наблюдалось до 2012, 2015 или 2020 года, критика теории струн была бы громче, чем когда-либо прежде. В рамках теории струн антропные голоса и попытки найти разумный вакуум с нарушением SUSY в масштабе высоких энергий будут усиливаться. Но на самом деле ничего качественно не изменится. БАК великолепен, но он просто сдвигает энергетическую границу Тэватрона не более чем на 1-1,5 порядка или около того.

Если на БАК будет найдена какая-то новая физика, не относящаяся к SUSY, большинство физиков элементарных частиц, очевидно, заинтересуются любыми моделями, которые могут иметь отношение к наблюдениям. Если БАК не увидит новую физику, например, если он увидит только один бозон Хиггса и больше ничего не появится, текущая ситуация качественно сохранится, а напряженность только усилится. Серьезным физикам придется продолжать свои преимущественно теоретические и все более тщательные исследования (на основе наблюдений, которые были включены в теории десятилетия назад) без каких-либо указаний относительно новой физики из доступных новых экспериментов (просто потому, что не было бы никаких новых данных). !) - в то время как не очень серьезные физики и люди вокруг науки будут усиливать свои враждебные и совершенно иррациональные заявления о том, что физика больше не является наукой.

Социологически ситуация почти наверняка стала бы неприятной для хороших физиков и приятной для популистских и необразованных критиков науки, которые на самом деле не интересуются правдой о физическом мире. Но Природа работает так, как Она делает. Она не обязана регулярно раскрывать часть Своих тайн.

Статья с тем же вопросом в названии

Забавно, что существует препринт двухнедельной давности от восьми авторов:

http://arxiv.org/abs/arXiv:1102.4693
Что, если БАК не обнаружит суперсимметрию в серии sqrt(s)=7 ТэВ?

Вы можете заметить, что вопрос в их заголовке почти идентичен вашему вопросу на Physics Stack Exchange. Их ответ во многом похож на мой ответ выше: если LHC не будет найден во время эксперимента с энергией 7 ТэВ (который должен продолжаться до конца 2012 г.), SUSY все равно останется приемлемым решением всех проблем, о которых я упоминал выше; просто наше представление о массах сильно взаимодействующих суперпартнеров (глюино и скварков) пришлось бы поднять выше 1 ТэВ или около того. Вполне естественно, что эти сильно взаимодействующие суперпартнеры являются самыми тяжелыми среди суперпартнеров, что автоматически делает их более трудными для наблюдения на адронных коллайдерах, таких как БАК.

Наиболее важной проблемой, которую решает суперсимметрия, является проблема иерархии : почему слабый масштаб, определяющий скорость бета-распада или массы бозонов W и Z, намного меньше, чем масштаб Планка, который связан с силой гравитационная сила? Другими словами, почему слабое взаимодействие настолько сильно, по сравнению с гравитацией? Настоящая проблема здесь заключается в том, что квантово-механические поправки имеют тенденцию поднимать энергетические шкалы почти до самого большого масштаба в любой данной системе, если только их не защищает какой-либо механизм. Таким образом, даже если вы устроите Стандартную модель так, чтобы слабый масштаб имел определенное значение, квантовые эффекты захотят подтолкнуть его ближе к планковскому масштабу. (Масса бозона Хиггса — это конкретный параметр, с которым связана эта проблема; все остальные защищены симметриями.)

Суперсимметрия элегантно решает эту проблему: в пределе точной суперсимметрии любая поправка, увеличивающая шкалу масс Хиггса, отменяется другой поправкой с противоположным знаком. Если суперсимметрия нарушается примерно на слабом масштабе, эти поправки остаются достаточно точными, чтобы удерживать слабый масштаб на низком уровне. По сути, есть только две другие хорошие идеи о том, как решить проблему иерархии: одна из них — technicolor , в которой говорится, что шкала возникает так же, как шкала КХД, потому что некоторая сила взаимодействия очень слаба при очень высоких энергиях и постепенно становится сильнее при более низких энергиях. , взрывающийся именно в слабом масштабе; другой - большие дополнительные размеры, что на самом деле не решает проблему, но переводит ее в другую, геометрическую проблему, почему определенные измерения такие большие. (Я опускаю большинство других идей, таких как модели Рэндалла-Сандрума, маленькие модели Хиггса и составные модели Хиггса, которые в некотором смысле являются частными версиями техниколор, которые могут иметь дополнительные приятные особенности.)

Главное феноменологическое преимущество суперсимметрии перед техническим цветом и большими дополнительными измерениями заключается в том, что она хорошо сочетается со всеми нашими точными наблюдениями. Даже без непосредственного создания новых частиц любая теория новой физики предсказывает определенные эффекты, которые слегка изменят значения и соотношения между точно измеряемыми величинами. На сегодняшний день ни одно такое точное измерение не дает однозначного доказательства существования физики за пределами Стандартной модели. Это означает, что любая новая теория должна быть несколько изменена, чтобы отменить все эти возможные исправления. Эти настройки в некоторых теориях должны быть выполнены настолько точно, что мы склонны находить их неправдоподобными. В суперсимметрии требуется относительно небольшая настройка, чтобы теория согласовывалась с тем, что мы уже измеряли.

У него также есть теоретическое преимущество, заключающееся в том, что он является более глубокой идеей, определенно, чем техниколор (который просто дублирует физику, которую мы уже знаем в КХД) и, возможно, чем дополнительные измерения.

Другой очень убедительной причиной для SUSY, помимо проблемы иерархии, является унификация калибровочной связи. Это действительно эмпирический факт. Измеренные манометрические связи, если они работают до высоких энергий, не унифицируются в Стандартной модели. Однако они довольно точно объединяются в суперсимметричной модификации Стандартной модели. Это выглядит как подсказка, которую дает нам природа о физике очень высоких энергий, и большинство из нас думает, что это, вероятно, не случайность. Теперь можно заставить унификацию калибровочной связи работать в других сценариях, выходящих за рамки Стандартной модели (например, в некоторых версиях Technicolor), но, похоже, этого не происходит ; требуется некоторое построение модели. В суперсимметричной Стандартной модели это сразу же проявляется. Это довольно убедительно для большинства из нас.

Темная материя — это третий пункт, обычно упоминаемый как причина верить в SUSY, но я не нахожу его очень убедительным. Легко построить не-SUSY-модели с разумными кандидатами на темную материю и SUSY-модели без них, и очень вероятно, что какая-то другая чрезвычайно хорошо мотивированная частица, такая как аксион, является темной материей. Но темная материя может оказаться суперпартнером.

Если БАК заработает по плану и не обнаружит свидетельств суперпартнеров, я думаю, большинство из нас ожидает, что он обнаружит свидетельство какого-то другого механизма решения проблемы иерархии, например техниколор. (Существует множество способов, которыми может проявиться SUSY, но если суперпартнеры существуют в масштабе ТэВ, трудно представить, что их можно полностью пропустить. Поэтому я думаю, что БАК действительно может убедить нас, что их нет в масштабе ТэВ. ) Если он не найдет доказательства отсутствия такого механизма (просто Стандартная модель Хиггса и ничего больше), то мы останемся с загадкой, и многие люди будут утверждать, что антропные сценарии — единственный ответ. Это было бы довольно неудовлетворительно, но нет смысла сильно беспокоиться об этом, если это не произойдет.

Есть две вещи, которые SUSY привносит в физику. Во-первых, это лазейка в «теореме о невозможности» Коулмана Мандулы, которая позволяет внутренней симметрии частиц работать с внешней симметрией пространства-времени. SUSY работает путем преобразования бозонных полей в фермионные поля и наоборот. Итак, частицы, о которых мы знаем, имеют свои суперсимметричные пары. Это означает, что в вакууме равное количество фермионных и бозонных частиц, где нулевая энергия этих полей соответственно отрицательна и положительна. Ненарушенная суперсимметрия естественным образом определяет вакуум с нулевой энергией.

Если БАК не найдет SUSY, мы столкнемся с некоторыми проблемами. Десятилетия назад считалось, что SUSY проявится в диапазоне энергий 100 ГэВ, где проблема калибровочной иерархии с легкими SUSY-частицами решается гораздо проще. Если мы не найдем SUSY, то вопросы унификации или калибровочной иерархии станут более проблематичными, и, возможно, природа просто не суперсимметрична. По разным причинам я подозреваю, что если мы не получим SUSY, мы также можем не найти поле Хиггса, и в этом случае огромное количество физической литературы находится на шатком основании. Жак Дистлер сказал, что он ничего не ожидает от БАК, что является самым мрачным возможным исходом для всего этого.

Я не буду вдаваться в споры о том, является ли теория струн наукой перед лицом чего-то вроде этого возможного исхода. Спор был бы глупым и бессмысленным. Однако теоретическое развитие в науке, которое постоянно не вступает в контакт с экспериментальными наблюдениями, просто терпит неудачу и в конце концов отомрет. Это даже если все окажется так, что если бы США сделали суперколлайдер, мы бы нашли и Хиггс, и SUSY, и так далее, ибо проблема в том, что деньги и терпение на эти вещи будут исчерпаны. Это особенно касается Соединенных Штатов, цивилизация которых явно находится в упадке, и Европа откровенно следует их примеру. Также обратите внимание, что население во всем мире, и особенно в США, стало очень религиозным, что не предвещает ничего хорошего для научного будущего. особенно большая наука. Если в этом и есть будущее, то в этом столетии оно лежит в Китае и других азиатских державах. Западный мир, от США через Европу до России, становится клубом шатающихся бегемотов, которые безнадежно плывут по течению и приходят в упадок.

Это также означает с личной точки зрения, если ничего не найдено и вы достаточно молоды: «Убирайся!» Не будет большого смысла пытаться не отставать от области, которая в этих условиях зачахнет. Настоятельно рекомендуется переключиться на более новые направления работы, биофизику, биоинформатику, нанотехнологии и…, что я и сделал несколько лет назад. Теория струн действительно крутая штука, но есть шанс, что вся она может взорваться.

Что, если БАК не увидит SUSY?

Тот факт, что суперсимметрия (SUSY) не была обнаружена на LHC даже при энергии 13 ТэВ, является доказательством в пользу петлевой квантовой гравитации (LQG) и не в пользу теории (супер)струн — SUSY по своей природе низкоэнергетическое решение суперструн. составы. Это в сочетании с неспособностью теории струн вычислить уникальное решение многообразия Калаби-Яу для гравитационного поля привело в последние годы к отходу от теории струн к LQG. Недавние разработки спиновых сетей SU(2) в LQG формируют независимое от фона решение проблемы возникновения пространства-времени в ранней Вселенной (эра Планка) — см., например, одну из моих недавних статей arXiv:1811.02407: Physics.gen- ph или следите за недавней серией семинаров Карло Ровелли на Youtube.