Коллаборация CMS завершила очередной этап обработки данных по протон-протонным столкновениям, которые проводятся на Большом адронном коллайдере, но не обнаружила следов частиц из суперсимметричного расширения Стандартной модели.
Оригинальная Стандартная модель, напомним, описывает элементарные частицы и их взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное. Основные её предсказания очень хорошо согласуются с экспериментальными данными, хотя существование ключевого элемента теории — бозона Хиггса — пока не доказано. Серьёзным недостатком модели также считается то, что она не объясняет появление тёмной материи.
Чтобы снять эту проблему, учёные дополняют базовую теоретическую конструкцию и создают расширенные её варианты, наиболее известным из которых стала минимальная суперсимметричная стандартная модель (МССМ). Все «традиционные» частицы в МССМ получают суперсимметричного партнёра со спином, отличающимся от исходного на ½. Электрону (фермиону со спином ½) соответствует, скажем, сэлектрон со спином 0, а глюону (бозону, спин которого равен 1) — глюино со спином ½. Другие суперпартнёры получают аналогичные обозначения: к названиям фермионов добавляется «с-» (смюон, скварк), а бозонов — «-ино» (хиггсино).
Легчайшая суперсимметричная частица (lightest supersymmetric particle, LSP), которая, вероятнее всего, соответствует фотону, стабильна и чрезвычайно слабо взаимодействует с веществом, что делает её отличным кандидатом на роль составляющей тёмной материи. Кроме того, в рамках МССМ три упомянутых выше взаимодействия естественным образом объединяются в области чрезвычайно высоких энергий. Этот эффект «великого объединения» считают ещё одним важным преимуществом суперсимметрии.
Пример каскадного распада в рамках МССМ: глюино распадается на кварк и скварк, который затем рождает ещё один кварк и LSP. (Иллюстрация APS / Alan Stonebraker.)
Согласно МССМ, при столкновении двух протонов на достаточно большой энергии могут рождаться либо пара глюино, либо скварки, которые затем распадаются на более лёгкие суперсимметричные частицы и кварки. Процесс распада завершается образованием LSP, и она улетает прочь, не замеченная детектором. Регистрируемая в опытах недостающая энергия, которую уносит с собой «исчезающая» LSP, используется для отбора событий и свидетельствует о возможном появлении суперсимметричных частиц.
В новой статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, обсуждаются данные, накопленные детектором CMS за 2010-й и первую половину 2011-го. Объём этой выборки отвечает интегральной светимости в 1,14 обратного фемтобарна.
Собранную информацию авторы интерпретировали в контексте ограниченной МССМ — распространённого и простого варианта минимальной суперсимметричной стандартной модели. К сожалению, признаков рождения суперсимметричных частиц физики не нашли, что говорит либо о несовершенстве опыта, либо об ошибочности теории. Если последняя верна, глюино и скварки должны быть достаточно тяжёлыми для того, чтобы скрываться от экспериментаторов (уточнённая сотрудниками CMS минимально возможная масса скварка, к примеру, выросла уже до 1,1 ТэВ). Если же ограниченная МССМ в итоге окажется недействительной, учёным придётся рассматривать более сложные варианты суперсимметрии, предсказывающие другие исходы протон-протонных столкновений.