Sunday Science: суперсимметрия – слишком хорошо чтобы быть неправдой?

Происхождение темной материи до сих пор остается загадкой для ученых. Предполагается, что она является доминантной массой вселенной, и доказательства этого очень сложно игнорировать. Вероятно самым рациональным объяснением концепции темной материи является теория суперсимметрии. Физики вообще очень любят использовать симметрию в основе своих теорий. К примеру – проведение опытов связанных с симметрий всегда напрямую приводит к идее закона сохранения энергии.

Представить себе суперсимметрию – не простое дело, однако ее воздействие вполне очевидно. Теория подразумевает то, что для каждого типа элементарных частиц существует их потенциальный двойник. Это значит, что само существование электронов означает наличие суперсимметричных электронов (так же их называют селектроны – прим. Cohen). Но почему потенциальный двойник? Связано это с тем, что если бы суперсимметрия была идеальной симметрией, то электроны и селектроны должны иметь одинаковую массу, но эксперименты проводимые на протяжении многих лет установили, что это не так.

Таким образом, если суперсимметрия и существует в реальности, то она должна быть... "сломанной" если так можно сказать, что приводит к существованию супер-частиц, которые должны быть тяжелее чем наши обычные частицы. Звучит все это достаточно надуманно – мы придумали симметрию, после чего поняли, что нам нужно "сломать" ее, чтобы объяснить существование неправильных частиц, которые она объясняет. Однако неправильная симметрия является нормой и часто проявляется в условиях, когда замкнутая наблюдаемая система охлаждается. К примеру, при достаточно высоких температурах молекулы воды могут двигаться в любом направлении, но когда воздух охлаждается, они замерзают вместе и создают красивые рисунки, которые мы можем видеть на окнах. Таким образом идея симметрии движения во всех направлениях становится неправильной, допуская появление узоров на окнах. В итоге мы просто ожидаем, что суперсимметрия – это не очевидное явление в проводимых экспериментах. И в качестве бонуса, принимается факт того, что все эти супер-частицы дожны быть тяжелее чем обычные частицы, которые каждый день возникают в Церне – и все это следствие неправильной симметрии – поэтому мы допускаем, что суперсимметрия вовсе не так надумана. А если учесть такие особенности супер-частиц, то теория отлично подходит для объяснения темной материи.

Необходимо отметить, что суперсимметрия не создавалась для объяснения темной материи. Но она отлично подходит к теории пространства-времени чтобы быть неправдой. Само ее существование расширяет симметрию пространства-времени описанную теориями Эйнштейна, так как она объединяет различные типы частиц, которые могут существовать. Такая унификация является главным элементом других теорий, таких как теория струн. Многим физикам-теоретикам сложно поверить в то, что суперсимметрия не играет ту или иную роль в природе. Главный вопрос в том – существовало ли это влияние в ранние моменты вселенной – моменты, которые невозможно изучить даже при помощи Большого Адронного Коллайдера (БАК). Однако ученые не оставляют надежд, что в конце-концов обнаружат супер-частицы, так как это объяснит не только идею темной материи, но так же и то, почему бозон Хиггса легче чем должен быть.

Самый простой способ обнаружить суперсимметрию в БАК – это столкнуть протоны друг с другом и посмотреть – нет ли следов оставленных супер-частицами. И если новые частицы не слишком тяжелые, то они обязательно будут обнаружены во время тестов. Но есть и еще один способ доказать существование суперсимметрии – это обратить внимание на ее непрямое воздействие.

Супер-частицы должны оказывать влияние на величины, которые получают ученые БАКа, даже если они слишком тяжелые для возникновения. Эта заманчивая идея основана на Принципе Неопределенности Хайзенберга, который допускает, что энергия будет почерпнута из пустого пространства, но только на короткое мгновение, после чего она должна быть возвращена. В этот момент и возможно появление супер-частиц. Подобный след, даже если произойдет – слишком мал для отслеживания, это можно сравнить с маленькой рябью на гребне океанской волны. Но тут в дело вступает БАК. Ученые изучают то, что происходит с красивыми мезонами (совершенно серьезно, это настоящее название B-мезонов: beauty meson – прим. Cohen). Би-мезоны производятся достаточно эффективно во время экспериментов, так что исследовать их можно с высокой точностью. Однако их отличает то, что они существуют не очень долго, приблизительно одну пектосекунду, после чего они распадаются на более легкие частицы и вышеупомянутые супер-частицы создают рябь, слишком слабую для обнаружения. Однако, существуют редкие случаи когда мезоны не распадаются привычным образом. Один из таких случаев настолько редок, что он отвергается физикой. Это случай, когда мезон распадается и, согласно теориям его смерти, производит пары мюонов (тяжелые версии электронов). Это должно случаться приблизительно три раза на миллиард мезонов. Подобная редкость значит, что это отличная возможность для небольших супер-частиц проявить себя так, что их можно обнаружить – можно сравнить с успокоившейся гладью окена, на которой гораздо легче обнаружить небольшую рябь. Все что необходимо – это определить распад и посчитать как часто он случается. Если это случается слишком часто (или слишком редко), то можно на этом основывать доказательства суперсимметрии. Суть в том, что эксперименты показали частоту в три распада на миллиард и выясили, что это отлично подходит к стандартной теории, при этом не было найдено никаких указаний на супер-частицы. Или любые другие частицы если уж на то пошло.

Так что же мы имеем в конечном итоге с суперсимметией? Измерения детектора "красивых частиц" объединенные с данными от других приборов БАК позволяют избавляться от различных вероятностей, но в то же время они не полностью отвергают теорию суперсимметрии. Сама концепция суперсимметрии слишком обширна и слишком хороша, чтобы БАК мог просто отвергнуть ее, хотя все полученные на данный момент данные не допускают существования суперсимметрии.

Наука требует терпения...