Просмотр кода страницы Суперсимметрия

'''Суперсимме́трия''', или '''симме́трия Фе́рми — Бо́зе''', — [[Гипотеза|гипотетическая]] [[Симметрия (физика)|симметрия]], связывающая [[Бозон (элементарная частица)|бозоны]] и [[фермион]]ы в природе<ref>[http://www.ihst.ru/personal/tomilin/book/ Томилин К. А. Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах.] {{Wayback|url=http://www.ihst.ru/personal/tomilin/book/ |date=20140714212802 }} М.: Физматлит, 2006, 368 с, страница 153. (djvu)</ref>. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает [[бозонное поле|бозонное]] и [[Фермионное поле|фермионное]] квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить [[вещество]] во [[фундаментальные взаимодействия|взаимодействие]] (или в [[излучение]]), и наоборот.

Суперсимметрия предполагает удвоение (как минимум) числа известных [[Элементарная частица|элементарных частиц]] за счёт наличия суперпартнёров. Для [[Фотон|фотона]] — [[Фотино (частица)|фотино]], [[Кварк|кварка]] — [[скварк]], [[Поле Хиггса|хиггса]] — [[хиггсино]], [[W- и Z-бозоны|W-бозон]] — [[Гейджино|ви́но]], [[глюон]] — [[глюино]] и так далее. Суперпартнёры должны иметь значение спина, на [[полуцелое число]] отличающееся от значения спина у исходной частицы<ref>{{cite news | author = Simeon Bird, Ilias Cholis, Julian B. Muñoz, Yacine Ali-Haïmoud, Marc Kamionkowski, Ely D. Kovetz, Alvise Raccanelli, Adam G. Riess | title = Did LIGO detect dark matter? | url = http://arxiv.org/abs/1603.00464 | publisher = Cornell University Library | date = 2016-03-01 | lang = en | access-date = 2016-03-06 | archive-date = 2020-03-30 | archive-url = https://web.archive.org/web/20200330203321/https://arxiv.org/abs/1603.00464 }}</ref><ref>{{cite news | author =  | title = Нобелевский лауреат предположил открытие суперсимметрии | url = http://lenta.ru/news/2016/03/06/ligo/ | publisher = Lenta.ru | date = 2016-03-06 | lang = ru | access-date = 2016-03-06 | archive-date = 2017-04-20 | archive-url = https://web.archive.org/web/20170420023110/https://lenta.ru/news/2016/03/06/ligo/ }}</ref>.

Несмотря на продолжительные поиски, суперсимметричные частицы так и не были найдены<ref>[https://www.science.org/content/article/ten-years-after-higgs-physicists-face-nightmare-finding-nothing-else Ten years after the Higgs, physicists face the nightmare of finding nothing else | Science]</ref>.

== История ==
Впервые суперсимметрию предложили в 1973 году австрийский физик [[Весс, Юлиус|Юлиус Весс]] и итальянский физик Бруно Зумино для описания ядерных частиц<ref>Wess J., Zumino В., Supergauge transformations in four dimensions, Nucl. Phys. В., 1974, v. 70, pp. 39-49.</ref><ref>Wess J., Zumino В., A Lagrangian Model Invariant under Gauge Transformations, Phys. Lett. В., 1974, v. 49, pp. 52-54.</ref>. Математический аппарат теории был открыт ещё раньше, в 1971—1972 годах, советскими физиками [[Гольфанд, Юрий Абрамович|Юрием Гольфандом]] и Евгением Лихтманом<ref>Гольфанд Ю. А., Лихтман Е. П., [http://www.jetpletters.ru/ps/717/article_11110.pdf Расширение алгебры генераторов Пуанкаре и нарушение Р-инвариантности] {{Wayback|url=http://www.jetpletters.ac.ru/ps/717/article_11110.pdf |date=20130928091137 }}, Письма в ЖЭТФ, 1971, т. 13, вып.8, стр. 452—455.</ref> из [[ФИАН]], а также [[Волков, Дмитрий Васильевич (физик)|Дмитрием Волковым]] и Владимиром Акуловым<ref>Д. В. Волков, В. П. Акулов, [http://www.jetpletters.ru/ps/791/article_12201.pdf О возможном универсальном взаимодействии нейтрино] {{Wayback|url=http://www.jetpletters.ac.ru/ps/791/article_12201.pdf |date=20170221004328 }}, Письма в ЖЭТФ, 1972, т.16, вып.11, стр. 621—624.</ref><ref>D.V. Volkov, V.P. Akulov, Phys.Lett. Is the neitrino a Goldstone partiicle? B46 (1973) pp. 109—110.</ref><ref>Акулов В. П., Волков Д. В., [http://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=tmf&paperid=3515&option_lang=rus Голдстоуновские поля со спином половина] {{Wayback|url=http://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=tmf&paperid=3515&option_lang=rus |date=20220615144630 }}, Теор. мат. физ, 1972, т. 18, стр. 39-50.</ref> из [[Харьковский физико-технический институт|ХФТИ]]. Суперсимметрия впервые возникла в контексте версии [[теория струн|теории струн]], которую предложили Пьер Рамон, [[Шварц, Джон Хенри|Джон Шварц]] и Андре Невё, однако алгебра суперсимметрии позднее стала успешно использоваться и в других областях физики.

== Суперсимметричное расширение Стандартной модели ==
Основная физическая модель современной физики высоких энергий — [[Стандартная модель]] — не является суперсимметричной, но может быть расширена до суперсимметричной теории. Минимальное суперсимметричное расширение Стандартной модели называется «минимальная суперсимметричная Стандартная модель» (MSSM). В MSSM необходимо добавить дополнительные поля так, чтобы построить суперсимметричный [[мультиплет]] с каждым полем Стандартной модели. Для материальных [[Фермионное поле|фермионных полей]] — [[кварк]]ов и [[лептон]]ов — нужно ввести [[Скалярное поле|скалярные поля]] — [[скварк]]и и [[слептон]]ы, по два поля на каждое поле Стандартной модели. Для векторных [[Бозонное поле|бозонных полей]] — [[глюон]]ов, [[фотон]]ов, [[W- и Z-бозоны|W- и Z-бозонов]] — вводятся [[Фермионное поле|фермионные поля]] [[гейджино|глюино]], [[гейджино|фотино]], [[гейджино|зино]] и [[гейджино|ви́но]], также по два на каждую степень свободы Стандартной модели. Для нарушения [[электрослабая симметрия|электрослабой симметрии]] в MSSM нужно ввести 2 [[бозон Хиггса|хиггсовских]] дуплета (в обычной Стандартной модели вводится один хиггсовский дуплет), то есть в MSSM возникает 5 хиггсовских степеней свободы — заряженный бозон Хиггса (2 степени свободы), лёгкий и тяжёлый скалярный бозон [[Бозон Хиггса|Хиггса]] и псевдоскалярный бозон Хиггса.

В любой реалистической суперсимметричной теории должен присутствовать сектор, нарушающий суперсимметрию. Наиболее естественным нарушением суперсимметрии является введение в модель так называемых мягких нарушающих членов. В настоящее время рассматриваются несколько вариантов [[Нарушение суперсимметрии|нарушения суперсимметрии]].
* SUGRA — [[нарушение суперсимметрии]], основанное на взаимодействии с гравитацией;
* GMSB — нарушение за счёт взаимодействия с дополнительными калибровочными полями (с зарядами по группе Стандартной модели);
* AMSB — нарушение, также использующее взаимодействие с гравитацией, но с применением конформных аномалий.

Первый вариант MSSM предложили в 1981 году американские физики [[Джорджи, Говард|Говард Джорджи]] и [[Димопулос, Савас|Савас Димопулос]].

== Достоинства идеи суперсимметрии ==
Теории, включающие суперсимметрию, дают возможность решить несколько проблем, присущих Стандартной модели:

* '''Решение проблемы иерархии'''<ref>{{cite thesis|type=PhD thesis|last1=David|first1=Curtin|title=Model Building And Collider Physics Above The Weak Scale|date=2011-08|url=http://www.lepp.cornell.edu/rsrc/Home/Research/GradTheses/Curtin_David.pdf|publisher=Cornell University|access-date=2021-03-25|archive-date=2016-10-10|archive-url=https://web.archive.org/web/20161010184419/http://www.lepp.cornell.edu/rsrc/Home/Research/GradTheses/Curtin_David.pdf|url-status=live}}</ref>. Одно из её проявлений — величина радиационных поправок к массе бозона Хиггса. В рамках [[Стандартная модель|Стандартной модели]] поправки к массе скалярного поля имеют квадратичную форму и оказываются существенно больше, чем масса поля, входящая в [[лагранжиан]]. Для сокращения таких поправок к массе Хиггса параметры Стандартной модели должны иметь очень точно определённые значения. В рамках MSSM поправки, как к фермионным массам, так и скалярным, имеют логарифмическую форму, и их сокращение происходит более естественно, но требует точной суперсимметрии. Кроме того, данное решение проблемы иерархии предполагает, что массы суперпартнёров не могут быть больше, чем несколько сотен [[ГэВ]]. Этот аргумент позволяет ожидать открытие суперсимметрии на коллайдере [[LHC]].
* '''Унификация калибровочных бегущих констант'''. Известно, что в калибровочных теориях возникает явление [[бегущая константа связи|бегущей константы связи]], то есть значение константы взаимодействия изменяется в зависимости от того, на каком энергетическом масштабе наблюдается взаимодействие. Стандартная модель базируется на трёх различных калибровочных группах. Значения констант этих групп различны на малых энергиях, и с увеличением энергии они меняются. На энергетическом уровне порядка 100 [[ГэВ]] две константы становятся одинаковыми (явление [[электрослабое взаимодействие|электрослабого объединения]]). На энергетическом уровне 10<sup>16</sup> [[ГэВ]] все три константы сходятся примерно к одному значению, но в Стандартной модели они не могут стать равными друг другу. То есть, строго говоря, в рамках Стандартной модели «[[Теории Великого объединения|великое объединение]]» ([[Электрослабое взаимодействие|электрослабого]] и [[Сильное взаимодействие|сильного]] взаимодействия) невозможно. Поправки за счёт новых полей МССМ меняют вид энергетической эволюции констант, так что они могут сойтись в одну точку.
* '''Тёмная материя'''<ref>{{cite web |first=Jonathan |last=Feng |url=http://theory.fnal.gov/jetp/talks/feng.pdf |title=Supersymmetric Dark Matter |publisher=University of California, Irvine |date=2007-05-11 |access-date=2021-03-25 |archive-date=2013-05-11 |archive-url=https://web.archive.org/web/20130511104145/http://theory.fnal.gov/jetp/talks/feng.pdf |url-status=dead }}</ref><ref>{{cite web| first=Torsten |last=Bringmann |url=http://www.desy.de/~troms/teaching/SoSe11/DM_slides_05.pdf |title=The WIMP "Miracle" |archive-url= https://web.archive.org/web/20130301033728/http://www.desy.de/~troms/teaching/SoSe11/DM_slides_05.pdf |archive-date=2013-03-01 |publisher=University of Hamburg}}</ref>. За последние годы в астрофизике [[Скрытая масса|наблюдаются явления]], указывающие на существование [[тёмная материя|тёмной материи]]. В MSSM естественно возникает кандидат на объяснение этого феномена — [[нейтралино]], нейтральная стабильная частица.

== Проблемы идеи суперсимметрии ==
* Удвоение числа [[Поле (физика)|полей]].
* Проблема μ-члена.
* [[Аромат (физика)|Ароматовая]] универсальность мягких членов и A-масс.
* Малость фаз [[CP-нарушение|CP-нарушения]].

== Применение математического аппарата суперсимметрии ==
Независимо от существования суперсимметрии в природе, [[Математика|математический аппарат]] суперсимметричных теорий оказывается полезным в самых различных областях физики. В частности, [[суперсимметричная квантовая механика]] позволяет находить точные решения весьма нетривиальных [[уравнение Шрёдингера|уравнений Шрёдингера]]. Суперсимметрия оказывается полезной в некоторых задачах [[статистическая физика|статистической физики]] (например, суперсимметричная сигма-модель).

=== Суперсимметричная квантовая механика ===
{{Main|Суперсимметричная квантовая механика}}
Суперсимметричная квантовая механика отличается от квантовой механики тем, что включает супералгебру SUSY, в противоположность квантовой теории поля. Суперсимметричная квантовая механика часто становится актуальной при изучении динамики суперсимметричных солитонов, и из-за упрощенного характера полей, которые зависят от времени (а не пространства-времени), в этом подходе достигнут большой прогресс, и эта теория теперь изучается самостоятельно.

Квантовая механика SUSY рассматривает пары гамильтонианов, которые находятся в определённом математическом отношении, которые называются ''гамильтонианами-партнерами''. А соответствующие члены потенциальной энергии, входящие в гамильтонианы, тогда известны как ''потенциалы-партнеры''. Основная теорема показывает, что для каждого собственного состояния одного гамильтониана, его гамильтониан-партнер имеет соответствующее собственное состояние с той же энергией. Этот факт можно использовать для вывода многих свойств спектра собственных значений. Это аналогично новому описанию SUSY, которое относилось к бозонам и фермионам. Можно представить «бозонный гамильтониан», собственными состояниями которого являются различные бозоны нашей теории. А SUSY-партнер этого гамильтониана будет «фермионным», а его собственными состояниями будут фермионы теории. У каждого бозона будет фермионный партнер с равной энергией.

=== Суперсимметрия в физике конденсированного состояния ===
Концепции SUSY оказалась полезной для некоторых применений [[квазиклассическое приближение|квазиклассических приближений]]. Кроме того, SUSY применяется к системам с усредненным беспорядком, как квантовым, так и неквантовым (посредством [[Статистическая механика|статистической механики]]), [[уравнение Фоккера — Планка]] — это пример неквантовой теории. «Суперсимметрия» во всех этих системах возникает из-за того, что моделируется одна частица, и поэтому «статистика» не имеет значения. Использование метода суперсимметрии обеспечивает математически строгую альтернативу [[Метод реплик (статистическая физика)|методу реплик]], но только в невзаимодействующих системах, который пытается решить так называемую «проблему знаменателя» при усреднении по беспорядку. Подробнее о приложениях суперсимметрии в физике конденсированного состояния см. Ефетов (1997)<ref>{{cite book|title=Supersymmetry in Disorder and Chaos |first=Konstantin |last=Efetov |publisher=Cambridge University Press |date=1997}}</ref>.

== Экспериментальная проверка ==
В 2011 году на [[Большой адронный коллайдер|Большом адронном коллайдере]] (БАК) была проведена серия экспериментов, в ходе которых проверялись фундаментальные выводы теории Суперсимметрии, а также верность описания ею физического мира. Как заявила 27 августа 2011 года профессор [[Ливерпульский университет|Ливерпульского университета]] {{iw|Ширс, Тара|Тара Ширс|en|Tara Shears}}, эксперименты не подтвердили основные положения теории<ref>[http://www.vesti.ru/doc.html?id=552788&cid=999 Эксперимент на Большом адронном коллайдере опроверг современную теорию мироздания] {{Wayback|url=http://www.vesti.ru/doc.html?id=552788&cid=999 |date=20130329221745 }} // vesti.ru</ref><ref>[http://www.bbc.co.uk/news/mobile/science-environment-14680570 LHC results put supersymmetry theory 'on the spot'] {{Wayback|url=http://www.bbc.co.uk/news/mobile/science-environment-14680570 |date=20150925181424 }} // BBC News</ref>. При этом Тара Ширс уточнила, что не нашла подтверждений упрощённой версии теории суперсимметрии, однако полученные результаты не опровергают более сложный вариант теории.

К концу 2012 года на детекторе [[LHCb]] Большого адронного коллайдера была накоплена статистика по распаду странного [[B-мезон]]а на два [[мюон]]а<ref>{{cite news
 | author = 
 | title = Коллайдер почти закрыл "новую физику"
 | url = http://ria.ru/science/20121112/910511816.html
 | publisher = [[РИА Новости]]
 | date = 2012-11-12
 | access-date = 2012-11-14
 | lang = ru
 | archive-date = 2012-11-13
 | archive-url = https://web.archive.org/web/20121113064841/http://ria.ru/science/20121112/910511816.html
 }}</ref>. Предварительные результаты совпали с прогнозом [[Стандартная модель|Стандартной модели]]: (3,66 ± 0,23){{e|-9}}, тогда как её суперсимметричное расширение прогнозирует более высокую вероятность распада. Весной 2015 года коллаборации [[LHCb]] и [[Компактный мюонный соленоид|CMS]] объединили свои данные по распаду странного B-мезона на мюон-антимюонную пару и получили вероятность распада {{val|2.8|0.7|0.6}}{{e|-9}} с уровнем [[статистическая значимость|статистической значимости]] 6,2 σ. Таким образом, вероятность этого крайне редкого события статистически достоверна и хорошо согласуется с предсказанием Стандартной модели.<ref>[http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14474.html Observation of the rare Bs0 →µ+µ− decay from the combined analysis of CMS and LHCb data] {{Wayback|url=http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature14474.html |date=20150516005940 }} :: [[Nature]]</ref>.

Результаты проверки [[Электрический дипольный момент|электрического дипольного момента]] [[электрон]]а (2013) также не подтвердили варианты суперсимметричных теорий<ref>[http://www.popmech.ru/science/15019-sfericheskaya-forma-elektrona-stavit-pod-vopros-sushchestvovanie-supersimmetrii/ Сферическая форма электрона ставит под вопрос существование суперсимметрии] {{Wayback|url=http://www.popmech.ru/science/15019-sfericheskaya-forma-elektrona-stavit-pod-vopros-sushchestvovanie-supersimmetrii/ |date=20170131190710 }} // [[Популярная механика]], 14 ноября 2013</ref>.

Тем не менее суперсимметричные теории могут быть подтверждены другими экспериментами, в частности, наблюдениями за распадом нейтрального B<sup>0</sup>-мезона.<ref>[https://nplus1.ru/news/2015/05/14/in-previous-season Редкий распад мезонов исключил суперсимметрию] {{Wayback|url=https://nplus1.ru/news/2015/05/14/in-previous-season |date=20150518095946 }} // nplus1.ru</ref>.
После перезапуска весной 2015 года, БАК планирует начать работу на мощности 13 [[Электронвольт|ТэВ]] и продолжит поиск отклонений от статистических предсказаний Стандартной модели.<ref>{{Cite web |url=http://elementy.ru/news/432240 |title=Детекторы LHC готовятся искать Новую физику на энергии 13 ТэВ |access-date=2014-04-30 |archive-date=2014-05-02 |archive-url=https://web.archive.org/web/20140502032717/http://elementy.ru/news/432240 |url-status=live }}</ref><ref>[https://www.economist.com/news/science-and-technology/21637340-coming-year-will-be-crunch-time-humanitys-understanding The search for supersymmetry. Come out, come out, wherever you are!] {{Wayback|url=https://www.economist.com/news/science-and-technology/21637340-coming-year-will-be-crunch-time-humanitys-understanding |date=20180106111624 }} // economist.com</ref>.
{{обновить|дата=2017-01-19}}
Отсутствие экспериментальных данных, подтверждающих теорию суперсимметрии, привело к появлению критиков данной теории даже среди бывших энтузиастов суперсимметрии. Так, теоретик [[Шифман, Михаил Аркадьевич|Михаил Шифман]] ещё в октябре 2012 опубликовал критическую статью<ref>{{Статья|автор=M. Shifman|заглавие=Reflections and Impressionistic Portrait at the Conference Frontiers Beyond the Standard Model|ссылка=https://arxiv.org/pdf/1211.0004v1.pdf|язык=en|издание=FTPI|тип=|год=2012|месяц=октябрь|число=31|том=|номер=|страницы=|issn=|archive-date=2017-01-31|archive-url=https://web.archive.org/web/20170131184241/https://arxiv.org/pdf/1211.0004v1.pdf}}</ref>. В статье он прямо написал, что теория суперсимметрии бесперспективна, что от неё надо отказаться ради новых идей и ради нового поколения физиков-теоретиков (чтобы они не стали потерянным поколением).

== См. также ==
* [[Стандартная модель]]
* [[Теория струн]]
* [[Нерешённые проблемы современной физики]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* [https://link.springer.com/book/10.1007%2F978-3-319-15001-7 The Large Hadron Collider: Harvest of Run 1 с. 421—462] [https://web.archive.org/web/20150621061308/http://elementy.ru/LHC/news?theme=2653111&newsid=432504 Опубликована монография по результатам LHC Run 1]

== Ссылки ==
* Семинар по суперсимметриям. Том 1. Алгебра и анализ: основные факты (И. Н. Бернштейн, Д. А. Лейтес, В. Н. Шандер) мцнмо 2011
* [http://dlc.crimea.edu/catalogue/physics/SS.djvu  ''Весс Ю., Беггер Д.'' Суперсимметрия и супергравитация. М.: Мир, 1986.]{{Недоступная ссылка|date=Июнь 2019 |bot=InternetArchiveBot }} [https://web.archive.org/web/*/dlc.crimea.edu/catalogue/physics/SS.djvu Архив]
* ''Уэст П.'' Введение в суперсимметрию и супергравитацию. М.: Мир, 1989.
* ''Горбунов, Д. С., Дубовский, С. Л., Троицкий, С. В.'' [http://ufn.ru/ru/articles/1999/7/a/ Калибровочный механизм передачи нарушения суперсимметрии] // [[Успехи физических наук|УФН]], том 169, выпуск 7. — М.: 1999, с. 705—736.
* ''Лихтман Е. П.'' [http://ufn.ru/ru/articles/2001/9/g/ Суперсимметрия — 30 лет тому назад] // [[Успехи физических наук|УФН]], том 171, выпуск 9. — М.: 2001, с. 1025—1032.
* ''Стивен П. Мартин'' [http://arxiv.org/abs/hep-ph/9709356 Введение в суперсимметрию] // [[arXiv.org]], 1997(v1)-2011(v6){{ref|en}}.
* [http://www.femto.com.ua/articles/part_2/3962.html «Суперсимметрия»] Статья в «Физической энциклопедии».
* {{cite web|url=http://elementy.ru/LHC/news?theme=2653111#n431248|title=Новости Большого адронного коллайдера|date=2013-09-26|work=Трения между суперсимметрией и данными LHC не так велики, как считалось ранее|publisher=«Элементы»|access-date=2013-09-30}}
* [http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/433264/Igra_v_pryatki_v_11_mernom_prostranstve Игра в прятки в 11-мерном пространстве Александр Горский «Троицкий вариант» № 17(211), 23 августа 2016 года]

{{частицы}}
{{За пределами Стандартной модели}}

[[Категория:Физика за пределами Стандартной модели]]
[[Категория:Квантовая теория поля]]
[[Категория:Теоретическая физика]]
[[Категория:Симметрия (физика)]]
[[Категория:Суперсимметрия|*]]