Сменить фон сайта
Новое - из глубины
Сайт Центра и Исследовательской Творческой Группы (ИТГ) «Солярис»
  (Облегчённая версия)
Страница загружена 09 Декабря 2019 года (понедельник) 20:20:09 
.
АКТУАЛЬНАЯ МЫСЛЬ: «Шахматы - это не развлечение, а сложная система со своими Законами»
.
Вход/регистрация
Войти

Регистрируясь на сайте,
Вы соглашаетесь
c Правилами участия в деятельности сайта Соляриса


Что даст вам регистрация на сайте?

  • Быстрый просмотр всех новых событий на сайте
  • Участие в дискуссиях на форуме Соляриса
  • Возможность добавлять материалы
  • Отправка сообщений другим пользователям
  • Вход на все сайты системы Ucoz без регистрации
  • И многое другое...

Зарегистрироваться!


Главное меню



Активность на сайте

Новое на сайте
 


Поиск по сайту

Наш опрос
Как вы себе представляете будущее?
Всего ответов: 44

Важные даты
12 Апреля 2015Поздравляем с праздник... (2)
28 Сентября 2014112 лет со дня рождени... (0)
30 Августа 2014129 лет со дня полёта ... (0)




Общероссийский рейтинг школьных сайтов


.
Новостной материал

Категория: Новости науки
Опубликовал: Sol · Дата и время публикации: 01 Декабря 2012 года (понедельник) 02:20:25
Просмотров: 1331 · Комментариев: 0
Рейтинг по пятибалльной шкале: 5.0 (количество проголосовавших: 1)

Новые результаты БАК по поиску суперсимметрии

12 ноября 2012 года представители коллаборации LHCb, работающие на Большом Адронном Коллайдере, объявили о важном открытии: впервые получены надёжные указания на то, что сверхредкий распад странных Bs-мезонов на мюон-антимюонную пару действительно происходит. Процесс, за которым много лет «охотились» несколько коллайдеров, и который имеет важнейшее значение для поиска Новой физики, наконец-то стал четко проявляться в данных. Впрочем, к этой новости примешивается и нотка горечи - первые измерения вероятности этого распада полностью согласуются с предсказаниями Стандартной модели. Таким образом, никаких проявлений физики вне Стандартной модели этот распад пока не показывает.


Рис.2. Распределение по инвариантной массе μ+μ-пар, оставшихся после многоступенчатой процедуры отбора событий. Разноцветные линии показывают вклады разных механизмов рождения этих пар, синяя кривая - их сумма. Пик (показан красной штриховой линией) при массе 5300–5400 МэВ отвечает Bs-мезонам. Более слабый пик чуть левее (показан зеленой штриховой линией) отвечает B-мезону.

 

Напомним вкратце предысторию этого поиска. Поиск новых частиц, а также новых явлений, выходящих за границы существующей общепринятой теории - Стандартной модели - физики могут вести напрямую, пытаясь зафиксировать следы рождения новых частиц при столкновении других частиц, разогнанных до высоких энергий. Так, в частности, минувшим летом была открыта частица, очень похожая на бозон Хиггса. Если энергии гипотетических частиц слишком высоки и недоступны для их получения на коллайдере, есть и другой способ - искать присутствие новых частиц непрямым способом, через их взаимодействия с кварками при распаде частиц.

 

В частности, такой способ поиска частиц может реализовать детектор LHCb (от англ. Large Hadron Collider beauty experiment):

 

 

Рис.3. Общий вид детектора LHCb.  Горизонтально через весь детектор проходит вакуумная труба, по которой двигается пучок частиц. Столкновения протонов происходят в самой левой части рисунка. Частицы, вылетевшие направо под небольшим углом, проходят последовательно через вершинный детектор VELO, первый черенковский счетчик RICH-1, отклоняются в магнитном поле большого магнита, проходят через последовательность трековых детекторов, затем через второй черенковский счетчик RICH-2. За ним стоят электромагнитный (ECAL) и адронный (HCAL) калориметры, и, наконец, последним слоем идут мюонные камеры (M1 – M5).

 

Работающие на нем физики изучают поведение частиц, в состав которых входит b-кварк («прелестный», от английского «beauty»). Нейтральный странный Bs-мезон состоит из s-кварка («странного», strange) и b-кварка. Сверхредкие распады этого мезона интересны тем, что они позволяют косвенно заглянуть в мир сверхтяжелых частиц - если они, конечно, существуют. В рамках Стандартной модели такие распады идут исключительно неохотно в силу той или иной особенности известных частиц, поэтому даже слабенький эффект от виртуальных тяжелых частиц может сильно изменить его вероятность. В случае распада Bs → μ+μ эта вероятность предсказывается Стандартной моделью на уровне 3,5 миллиардных, однако наличие суперсимметричных частиц или других гипотетических процессов могло бы увеличить ее в разы. В частности, считается, что изучение этого распада будет даже более эффективным в плане поиска суперсимметрии, чем попытки наблюдать прямое рождение суперчастиц. Для того чтобы эту вероятность измерить экспериментально, требуется набрать хотя бы несколько миллиардов событий рождения Bs-мезонов и найти среди них горстку нужных распадов. Как всегда, задача усложняется тем, что приходится бороться с «фоном» - рождением той же мюон-антимюонной пары, но без промежуточного Bs-мезона.

 

Год назад коллаборация CDF коллайдера Тэватрон (национальная ускорительная лаборатория им.Энрико Ферми в городке Батавия штата Иллинойс, недалеко от Чикаго, США) сообщила о намёках на то, что она видит этот распад в своих данных. Вероятность его составляла аж 18 миллиардных - впятеро больше ожиданий Стандартной модели! Однако первые же данные Большого адронного коллайдера, появившиеся всего месяц спустя, шли вразрез с этим сообщением. LHC тогда еще не видел следов этого распада, но он мог установить верхнее ограничение на его вероятность. По мере роста статистики это верхнее ограничение снижалось. К лету 2012 года коллаборация LHCb уже вплотную подошла к требуемому рубежу чувствительности. По этой причине ожидалось, что к концу этого года наконец-то будут получены первые указания на существование данного распада. Главная интрига заключалась в том - будет ли его вероятность совпадать со Стандартной моделью или нет?


Новые данные детектора LHCb, полученные на основе статистики 2011 года (интегральная светимость 1,1 fb–1на энергии 7 ТэВ) и 2012 года (1,0 fb–1 на энергии 8 ТэВ), позволили обнаружить этот распад на уровне статистической значимости 3,5 стандартных отклонений (см. рис.2). Вероятность породить такой сигнал за счет статистической флуктуации составляет примерно p = 0,0005. По стандартам физики элементарных частиц это пока не считается открытием, но уже является надежным указанием на существование этого распада. Измерения вероятности распада дали значение 3,2 ± 1,2 миллиардных, что согласуется с предсказаниями Стандартной модели.

 

Коллаборация LHCb также сообщила об обновленном ограничении на распад B-мезона (без индекса «s») на ту же мюон-антимюонную пару. Этот распад в рамках Стандартной модели идет еще медленнее, его вероятность оценивается лишь в одну десятимиллиардную. Детектор LHCb этот распад с нужной степенью достоверности пока не видит, хотя какая-то активность в данных всё же проступает (см. рис.2). Тем не менее, коллаборация установила ограничение сверху на вероятность этого распада в 0,94 миллиардных.

 

Физики надеялись, что вероятность димюонного распада Bs-мезона окажется в несколько раз выше. Однако, первый результат LHCb  показал, что больших отклонений от Стандартной модели нет. Вероятность того, что есть большое превышение, практически исключена. Параметры распада Bs-мезона на два мюона очень точно совпали с предсказаниями теории, что почти не оставляет места для Новой физики, в частности, они налагают ограничения на главного кандидата на роль Новой физики -  теорию суперсимметрии.

 

Теория (гипотеза) суперсимметрии (SUper SYmmetry, SUSY, читается «сьюзи») предполагает, что у всех известных элементарных частиц существуют «двойники» - суперсимметричные частицы (скварки, слептоны, глюино и т.п.), которые «родились» вместе с «обычными» частицами в момент Большого взрыва. Затем суперсимметричные частицы стали намного тяжелее обычного вещества и распались, а их «остатки» образовали «тёмную материю», из которой почти на четверть состоит Вселенная.

 

В Стандартной модели фермионы (частицы со спином 1/2, или полуцелым спином) и бозоны (частицы со спином 1 или целым спином) ведут себя настолько по-разному, что, казалось бы, нет никакой возможности «поженить» их друг с другом. Однако именно это удается сделать в рамках математических теорий, опирающихся на идею суперсимметрии - симметрии между фермионами и бозонами. Оказывается, и фермионы, и бозоны можно рассматривать как части некоторого единого семейства, называемого супермультиплетом частиц. Этот супермультиплет описывает частицы, которые двигаются в суперпространстве - расширении обычного четырехмерного пространства-времени, к которому добавляются совершенно необычные измерения с некоммутирующими координатами. Оказывается, если супермультиплет повернуть в этом суперпространстве, то бозоны могут превратиться в фермионы и наоборот. Иными словами, бозоны и фермионы - это лишь разные проекции на наш обычный мир единого объекта – супермультиплета - живущего в суперпространстве.

 

Суперсимметрия может, на первый взгляд, показаться чрезвычайно искусственной конструкцией, попыткой «притянуть за уши» излишне сложную математику к описанию нашего мира. Однако когда дело доходит до построения конкретных теорий за пределами Стандартной модели, у суперсимметричных моделей обнаруживается редкая мощь, способность решать проблемы, которые трудно решить как-то иначе: приблизительно нулевая энергия вакуума, естественное возникновение хиггсовского механизма, устранение проблемы иерархии, более сильные свидетельства в пользу теории объединения взаимодействий и т. п. По этой причине суперсимметрия уже давно воспринимается не как экзотическая гипотеза, а как один из самых главных вариантов физики за пределами Стандартной модели. Полезно также напомнить, что теория неабелевых калибровочных взаимодействий, предложенная Янгом и Миллсом в 1954 году, тоже поначалу казалась чем-то совершенно абстрактным и не имеющим отношения к физической реальности. Тем не менее, сейчас это ключевой элемент Стандартной модели.

 

Идею суперсимметрии можно применить к реальному миру. Правда, в этом случае частица вещества (например, электрон) входит в один супермультиплет не с известными бозонами, а с некоторой новой частицей, которая называется «скалярный суперпартнер электрона», или, коротко, «сэлектрон». Аналогичный суперпартнер есть у каждого фермиона; называется он так же, как исходная частица, только с приставкой «с-» (смюон, скварк, слептон и т. д.), а обозначается той же буквой, только с тильдой сверху. Все суперпартнеры фермионов - бозоны. Частицы-переносчики взаимодействий (а также хиггсовские бозоны) тоже входят в свои супермультиплеты, и их суперпартнеры являются фермионами. Название частиц получается в этом случае путем добавления суффикса «-ино»: фотино, хиггсино, глюино, зино (суперпартнёр Z-бозона), ви́но (суперпартнёры W-бозонов) и т. д.



Рис.4. Набор частиц суперсимметричной модели


Если бы суперсимметрия строго выполнялась в нашем мире, массы частиц и их суперпартнеров были бы равны. Но среди экспериментально открытых элементарных частиц мы не видим ни одного примера такого суперпартнерства. Значит, суперсимметрия (если она вообще реализуется в нашем мире) должна быть нарушена. Наиболее привлекателен для теоретиков механизм спонтанного нарушения суперсимметрии: то есть теория формулируется симметрично, но решения, описывающие наш мир, симметрию теряют. Как симметрии вообще могут спонтанно нарушаться, теоретики знают; спонтанное нарушение электрослабой симметрии - яркий тому пример. Так же как электрослабую симметрию можно нарушить разными вариантами хиггсовского механизма, существуют и разные механизмы нарушения суперсимметрии. В отсутствие прямых экспериментальных данных, теоретики конструируют и изучают, опираясь на самосогласованность и предсказательную силу возникающей теории. Среди прочих возможностей в нарушении суперсимметрии может принимать участие и гравитация. Нарушение суперсимметрии должно сделать суперчастицы массивными, с массами в районе сотен ГэВ или выше. К сожалению, нет четкого предсказания масштаба масс суперчастиц; их значения сильно зависят от устройства моделей. Тем не менее, если нам «повезёт» и энергия Большого Адронного Коллайдера достигнет этого диапазона, в нём начнут в изобилии рождаться суперчастицы.

 

Разработано много разновидностей суперсимметричных теорий, которые при низких энергиях похожи на Стандартную модель и не противоречат имеющимся сейчас экспериментальным данным. Поскольку суперсимметрия до сих пор не открыта экспериментально, теоретики при построении таких моделей руководствуются прежде всего математической самосогласованностью теории.

 

Один из главных параметров суперсимметричных моделей — это число N, которое показывает, сколько типов суперсимметрии заложено в теорию. Так называемая Минимальная суперсимметричная Стандартная модель (MSSM) отвечает N = 1; а максимально суперсимметричная теория без гравитации, включающая калибровочные взаимодействия, имеет N = 4. К слову сказать, эта теория оказалась настолько замечательной, а развитые в ней методы решения оказались насколько мощными, что ее сейчас вовсю используют как «простую модель» теории сильных взаимодействий. Разные виды суперсимметричных теорий могут сильно различаться своим спектром масс частиц, то есть тем, как именно массы разных суперсимметричных частиц располагаются друг относительно друга.

 

Несмотря на разнообразие вариантов суперсимметричных моделей, у них есть общие характерные предсказания:

  • Хиггсовский сектор должен быть устроен сложнее, чем в Стандартной модели. В минимальном варианте суперсимметричных теорий имеются два хиггсовских дублета, в более сложных вариантах появляются и дополнительные бозоны Хиггса.
  • Во многих вариантах суперчастицы должны рождаться только парами и не могут распадаться только на обычные частицы. У них есть характеристика, этакая «суперность» (в научной терминологии, R-чётность), которая сохраняется при реакциях и распадах. Поэтому судьба любой суперсимметричной частицы, родившейся на коллайдере, такова: она испытывает каскад распадов с излучением разных частиц Стандартной модели (кварков, лептонов и т. д.), и в конце концов превращается в легчайшую суперсимметричную частицу. Будучи стабильной, легчайшая суперсимметричная частица уже не распадается, а просто улетает прочь, незамеченная детектором. Такие легчайшие суперсимметричные частицы являются естественным кандидатом на роль частиц тёмной материи: у них подходящие массы и «правильные» свойства.

 

Суперсимметрия до сих пор не открыта в эксперименте. Она пока остается красивым математическим явлением, и неизвестно, имеет ли она отношение к реальному миру или нет. Если в эксперименте будут обнаружены суперчастицы или иные надёжно доказанные проявления суперсимметрии, это станет одним из главных открытий в физике элементарных частиц за последние десятилетия. Неудивительно, что поиску суперсимметрии на Большом Адронном Коллайдере уделяется большое внимание.

 

Во избежание недоразумений поясним, что словосочетание «поиск суперсимметрии» не означает, что экспериментаторы будут пытаться углядеть какую-то симметричность в результатах протонных столкновений. Оно лишь означает, что будет вестись поиск новых частиц и иных эффектов, которые выходят за рамки Стандартной модели и которые могут быть объяснены какой-либо разновидностью суперсимметричных теорий гораздо лучше, чем модели без суперсимметрии.

 

Главная проблема с экспериментальной проверкой суперсимметрии состоит в том, что заранее нельзя предсказать - при каких энергиях начнут рождаться суперчастицы: это может быть и 1 ТэВ, и на порядки больше. В таком случае прямое рождение суперчастиц будет невозможным ни на LHC, ни на коллайдерах следующего поколения. Однако, если окажется, что LHC не видит ни малейшего намека на суперсимметричные частицы, идея суперсимметрии не будет закрыта, а лишь слегка потускнеет ее привлекательнось для теоретиков.

 

В том случае, если же будет обнаружен какой-то нестандартный эффект, похожий на проявление суперсимметричных частиц, это, конечно, не станет автоматически доказательством существования суперсимметрии. Потребуется скрупулезная проверка того, нельзя ли описать этот эффект иными, несуперсимметричными моделями. Эта задача усложняется еще и тем, что для правильной интерпретации данных (а затем извлечения параметров суперсимметрии) потребуется параллельно проанализировать не один-два, а большое число разных процессов. Ее решение потребует «распараллеливания» человеческих ресурсов, причем не только физиков-экспериментаторов, которые непосредственно изучают данные, но и теоретиков.

 

Практически все теории с участием суперсимметрии сходятся в одном: самая легкая из суперсимметричных частиц будет либо вовсе стабильная, либо очень долгоживущая, и, кроме того, она очень слабо взаимодействует с обычными частицами. Поскольку детекторы элементарных частиц построены из обычных частиц, они не смогут уловить легчайшую суперсимметричную частицу. Однако если бы скварки и глюино рождались в столкновениях протонов на коллайдере, они распадались бы на «обычные» кварки и глюоны, а также лёгкие стабильные частицы нейтралино, из которых, согласно теории, может состоять «тёмная материя».

 

Нейтралино – это своеобразная суперпозиция, смесь суперпартнёров Z-бозона, фотона и бозона Хиггса (соответственно: зино, фотино и хиггсино – все эти суперпартнёры калибровочных бозонов называются гейджино и они, естественно, являются фермионами). Легчайшее нейтралино - это стабильный фермион, котрый участвует только в слабом и гравитационном взаимодействиях, обладает массой 30-5000 ГэВ и является основным кандидатом в составляющие холодной тёмной материи из слабовзаимодействующих массивных частиц - вимпов (от англ. WIMP, Weakly Interacting Massive Particle - слабовзаимодействующая массивная частица).

 

Кварки и глюоны, рождённые в столкновениях на Коллайдере, в свою очередь, создавали бы потоки (джеты) других частиц, а нейтралино, не взаимодействующие с обычной материей, улетали бы незамеченными. Детекторы БАК могли бы видеть джеты, и учёные, обнаружив «недостачу» энергии, унесенной нейтралино, могли бы сделать вывод о рождении суперсимметричных частиц. Поэтому процесс вида «несколько адронных струй плюс пропавший поперечный импульс» будет одним из самых четких проявлений суперсимметрии.


Рис.5. Возможная схема распада тяжелого скварка (суперпартнера кварка). В результате цепочки распадов получается пять кварков и стабильная легчайшая суперсимметричная частица χ01, которая не оставляет следа в детекторе.

 

Члены коллаборации CMS пытались обнаружить процессы «несколько адронных струй плюс пропавший поперечный импульс», однако на данный момент число таких зарегистрированных процессов относительно невелико.

 

Учёные, работающие с детектором ATLAS, пытаются обнаружить рождение суперпартнеров, фиксируя рождение электронов и мюонов с потерей энергии. Таких событий фиксировалось ещё меньше. Исследователям удалось исключить варианты теории, согласно которым масса суперпартнера глюона (глюино) меньше 700 ГэВ.

 

Как уже говорилось, суперсимметрия должна нарушаться, чтобы суперпартнеры стали тяжелее «обычных» частиц. Причем это нарушение должно происходить при той же энергии, при которой нарушается электрослабая симметрия, в точке, когда переносчики слабого взаимодействия (W- и Z-бозоны) становятся массивными, а переносчики электромагнитного (фотоны) остаются безмассовыми. Считалось, что такое нарушение происходит при энергиях около 250 ГэВ. Однако результаты БАКа показывают, что «точка разрыва» находится выше этого значения. Теория допускает существование тяжелых суперсимметричных частиц, однако модели становятся слишком сложными.

 

Ряд учёных считают, что суперсимметричные модели, скорее всего, не соответствуют реальности. «Результат коллаборации LHCb очень сильно ограничивает круг существующих моделей, в частности, суперсимметричные модели становятся почти невероятными. Я бы сказал, что суперсимметричные модели по дороге на кладбище», — сказал сотрудник коллаборации LHCb, профессор Имперского колледжа Лондона Андрей Голутвин.

 

Впрочем, поскольку суперсимметричные модели обладают достаточно большой свободой, то меняя определённые параметры, можно их «подогнать» под любые обозримые экспериментальные данные. Однако, в таком случае, возникает вопрос – насколько суперсимметричные модели удовлетворяют критерию научности в виде принципа фальсифицируемости Поппера? Можно прийти к выводу, что они ему не удовлетворяют, поскольку практически невозможно осуществить эксперимент, опровергающий суперсимметрию.


Источники: http://elementy.ru/LHC/, http://ria.ru/science/


Комментарии
 
Имя *:
Email:
Все смайлы
Код *:

Все права принадлежат Исследовательской Творческой Группе «Солярис» © 2003-2019 гг. н.э.
Сайт создан в системе uCoz Сайт создан в системе uCoz-->