Увидим ли мы новую физику до конца тысячелетия?

Обзорный доклад с таким названием представил на общеинститутском семинаре заместитель директора ЛТФ Дмитрий Игоревич КАЗАКОВ. Неудивительно, что предложенная тема вызвала огромный интерес сотрудников всех возрастов из разных лабораторий: в какой бы области исследований ни находились профессиональные интересы ученого, всегда актуально, “куда идет трамвай” фундаментальной физики. По нашей просьбе Д. И. Казаков подготовил для публикации в еженедельнике краткий вариант своего доклада.

В последней четверти двадцатого века мы стали свидетелями и участниками радикальных политических изменений, которые поставили науку в весьма тяжелое положение. В то же время на наших глазах и при нашем содействии произошло рождение новой картины микромира, создана Стандартная модель фундаментальных сил природы, описывающая сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия на основе единого принципа локальной симметрии. Материя выступает в этой модели в форме кварков и лептонов, а переносчиками взаимодействия являются так называемые калибровочные частицы, глюоны, W и Z бозоны и фотон. Все эти частицы к настоящему времени открыты экспериментально на ускорителях, и точность, с которой Стандартная модель проверена на опыте, является беспрецедентной.

Стандартная модель (СМ) уже увенчана не одной Нобелевской премией, как за теорию, так и за экспериментальные открытия, хотя и оставляет ряд нерешенных проблем. К ним прежде всего относится все еще не подтвержденный экспериментально механизм нарушения электрослабой симметрии, так называемый механизм Хиггса, механизм СР нарушения и т. д. Попытки решения проблем СМ выводят нас за ее рамки и связаны с возможной новой физикой при энергиях заметно выше 100 ГэВ, доступных сегодня экспериментальной проверке.

Одной из приоритетных задач существующих и строящихся ускорителей является проверка СМ и поиск новой физики, прежде всего поиск хиггсовского бозона, а также новых частиц и симметрий. При этом существуют два способа достижения поставленной цели: или увеличить точность теоретических расчетов и эксперимента, так чтобы заметить отклонение предсказаний СМ от наблюдений, или увеличить энергию и светимость, чтобы наблюдать рождение новых частиц. (То же с некоторыми оговорками относится и к неускорительным экспериментам.)

На первом пути возможно обнаружение проявлений и измерение масс новых частиц за счет их вклада в радиационные поправки ниже порога рождения. Таким образом на ускорителе LEP (ЦЕРН) была найдена масса топ-кварка до его открытия в Фермилаб. Аналогичным образом прецизионные измерения масс W бозона и топ-кварка на LEP и Теватроне (Фермилаб) позволяют определить массу хиггсовского бозона, при условии, что механизм Хиггса реализован в природе, при энергиях ниже порога его рождения.

Здесь следует сделать некоторое отступление и заметить, что в СМ масса хиггсовского бозона не предсказывается, хотя и существуют косвенные ограничения на ее величину. Это связано с тем, что масса бозона Хиггса выражается через вакуумное среднее, которое известно, например, из массы Z бозона, и константу связи, которая не фиксируется в модели. Косвенные ограничения возникают из требования устойчивости хиггсовского потенциала и отсутствия ложного полюса, т. е. из требования, чтобы константа связи не обращалась в ноль и бесконечность при энергиях ниже, скажем, 1 ТэВ. Это приводит к интервалу разрешенных масс порядка 130-400 ГэВ. Заметим, что такие массы недоступны пока прямой экспериментальной проверке.

Существенным достижением 1998 года, доложенным на Рочестерской конференции в Ванкувере, явилось экспериментальное ограничение на массу хиггсовского бозона, полученное из анализа совокупности ускорительных данных. С 95-процентным уровнем достоверности масса хиггсовского бозона в СМ ограничена значением в 280 ГэВ. Эта оценка, по-видимому, не сильно изменится в ближайшее время. Экспериментальный же предел, следующий из необнаружения хиггсовского бозона на ускорителе LEP, составляет сейчас 90 ГэВ. Он следует из анализа событий электрон-позитронной аннигиляции с рождением либо двух пар лептонов, либо пары лептонов и пары адронных струй, либо двух пар струй. Имеющиеся события такого рода укладываются в рамки фонового процесса рождения пары Z бозонов.

Другим направлением исследований является поиск новых частиц и, прежде всего, проявления суперсимметрии – гипотетический новой симметрии, которая может существовать при высоких энергиях. И хотя в настоящий момент не существует никаких прямых указаний на ее существование, это есть наиболее популярный и многообещающий выход за рамки СМ, и поиску суперсимметрии уделяется сейчас много внимания. Поэтому остановимся на ней поподробнее.

Все частицы СМ можно разбить на два класса: фермионы, или частицы со спином Ѕ, и бозоны, или частицы со спином 1 и 0. К первым относятся кварки и лептоны, а ко вторым – калибровочные бозоны и бозон Хиггса. Имеется 90 фермионных степеней свободы и 28 бозонных. Тем самым СМ в высшей степени несимметрична по отношению к фермионам и бозонам, они никак не связаны между собой, и группы внутренней симметрии, такие, как, например, группа вращений изоспина или цветного заряда кварков, не связаны с группой пространственной симметрии, группой Лоренца. А такая связь, если она существует, позволяет поместить все частицы в один мультиплет и построить модель единого взаимодействия.

Подобная симметрия между бозонами и фермионами, названная суперсимметрией, была предложена математиками около 25 лет назад, и вскоре были построены суперсимметричные модели квантовой теории поля, пригодные для описания физики частиц. Сразу же было понято, что если, следуя принципу локальной симметрии, сделать суперсимметрию локальной, то возникает теория, связывающая между собой частицы спина 0, Ѕ, 1, 3/2 и 2, т. е. теория гравитации или супергравитации. Тем самым в рамках суперсиммтерии удается построить единую калибровочную теорию всех известных взаимодействий, хотя технически это и очень сложно.

Тем не менее были предприняты попытки построить суперсимметричное обобщение СМ, и полученная теория носит название Минимальной суперсимметричной стандартной модели (МССМ). Особенностью МССМ является то, что каждая частица СМ, будь то бозон или фермион, входит в один мультиплет с аналогичной частицей, отличающейся значением спина на Ѕ. Такие частицы называют суперпартнерами обычных частиц. Так, суперпартнерами кварков и лептонов являются скварки и слептоны спина 0, суперпартнерами калибровочных бозонов – калибрино (глюино, зино, вино и фотино) спина Ѕ, а хиггсовского бозона – хиггсино также спина Ѕ. Эти частицы, если бы суперсимметрия была ненарушенной симметрией, должны были бы иметь те же самые массы, что и обычные частицы и наблюдаться на опыте. Поскольку это не так, то предполагается, что суперсимметрия нарушается на некотором масштабе порядка 1 ТэВ, и суперпартнеры становятся заметно тяжелее.

В рамках МССМ можно попытаться предсказать массы суперпартнеров, однако результат зависит от деталей механизма нарушения суперсимметрии. Тем не менее, общая оценка дает значения масс скварков и слептонов в районе от сотен ГэВ до ТэВа, причем некоторые частицы могут быть и заметно легче, а для калибрино, которые делятся на заряженные – зарядино, и нейтральные – нейтралино, можно получить массы и менее 100 ГэВ. При этом суперпартнеры в простейших моделях с так называемой R-четностью рождаются всегда парами, а легчайшая суперсимметричная частица, обычно нейтралино, оказывается стабильной.

Все это имеет непосредственное значение для эксперимента, ибо позволяет наблюдать суперпартнеры уже сегодня на существующих ускорителях. При этом характерной особенностью событий с рождением суперпартнеров должны быть недостающая энергия и импульс, уносимые недетектируемым стабильным нейтралино. Ненаблюдение подобных событий устанавливает границы на массы новых частиц, и существующие сейчас значения составляют около 25 и 90 ГэВ для нейтральных и заряженных частиц соответственно.

Любопытная ситуация возникает в МССМ с хиггсовским бозоном, и, возможно, поиск хиггсовского бозона окажется критическим для суперсимметрии в самое ближайшее время. В этом состоит “горячая точка” физической науки оставшихся лет нашего тысячелетия. Дело в том, что в суперсимметричных теориях константа связи хиггсовского бозона известна и, тем самым, его масса может быть предсказана. В МССМ, в отличие от СМ, существует не один, а пять хиггсовских бозонов: два нейтральных СР-четных, один нейтральный СР-нечетный и два заряженных. Легчайший из них, такой же как и стандартный хиггсовский бозон, имеет массу меньше, чем Z бозон. Правда, это справедливо лишь в классической теории, и еще существуют квантовые поправки, однако они радикально не меняют ситуацию. В двух несколько отличных сценариях нарушения суперсимметрии массы хиггсовского бозона предсказываются соответственно в районе 95 и 120 ГэВ. Заметим, что это существенно ниже нижней границы, полученной в СМ (в 134 ГэВ). Таким образом, наблюдение легкого хиггсовского бозона явилось бы сильным, хотя и косвенным, свидетельством в пользу суперсимметрии.

В то же время эксперимент стремительно подбирается к предсказаниям МССМ. В настоящий момент ускоритель LEP-II достиг энергии в системе центра масс равной 189 ГэВ и планируется до конца тысячелетия довести ее до 200, что при достаточной светимости позволит открыть или закрыть хиггсовский бозон с массой до 105 ГэВ. Таким образом, простейший суперсимметричный сценарий, так называемый сценарий малого тангенса, будет или подтвержден или закрыт менее чем через два года. Останется второй сценарий, сценарий большого тангенса. Далее LEP-II будет разобран, в его туннеле начнется монтаж адронного коллайдера LHC, эстафету примет протон-антипротонный коллайдер Тэватрон. К сожалению, на первой стадии его светимости будет недостаточно, чтобы выделить интересующие нас процессы из фона, и ждать придется еще несколько лет. Уже в следующем тысячелетии, когда граница на массу хиггсовского бозона достигнет 120 ГэВ, вопрос с минимальной суперсимметрией будет прояснен. Однако окончательную точку поставит LHC, который начнет работать после 2006 года. После набора статистики там можно будет проверить не только суперсимметричный сценарий, но и “дотянуться” до хиггсовского бозона Стандартной модели. Там же должны быть открыты и некоторые суперпартнеры, если они существуют.

Конечно, было бы чрезвычайно интересно получить подтверждение реализации суперсимметрии в физике частиц. Однако гораздо более существенным является выяснение механизма нарушения симметрии в Стандартной модели. Если хиггсовский бозон не будет обнаружен, это создаст большие проблемы для СМ и потребует создания новой концепции. По-видимому, нас ожидают интересные времена.

Д. И. КАЗАКОВ, доктор физико-математических наук