Supersümmeetria ja tumeaine: definitsioon, tähtsus ja LHC-katsed

Avasta supersümmeetria ja tumeaine olemus: definitsioon, miks see on tähtis ning millised LHC-katsed otsivad superosakesi ja tõendeid uue füüsika jaoks.

Supersümmeetria on teaduslik teooria, mis ütleb, et kui universumi alguses tekkisid elementaarosakesed (näiteks footonid, elektronid ja kvarkid), siis tekkisid ka sobivad teoreetilised "superosakesed". Kui see teooria vastab tõele, siis oleks universumis olevate osakeste liikide arv vähemalt kahekordne. Kui universumis on lisamõõtmeid (Edward Witteni M-teooria ennustab kuni 11), siis oleks ka rohkem võimalusi sümmeetriaks ja rohkem liike superosakesi.

Paljud teadlased loodavad tõestada supersümmeetriat, sest see täidab paljud lüngad füüsika standardmudelis (sealhulgas tumeaine) ja annaks tuge stringiteooria ideedele. Suure hadronite põrguti katsed ei ole aga seni leidnud tõendeid supersümmeetria kohta.

Supersümmeetria oli Hironari Miyazawa (s. 1927) idee.

Mida supersümmeetria täpselt väidab?

Supersümmeetria (tavaliselt lühendatult SUSY) ühendab kahe eri tüüpi osakeste klassi — fermionid (näiteks elektronid ja kvargid) ja bosonid (näiteks footonid ja gluonid) — nii, et iga tavapärase osakese jaoks eksisteerib partnerosake ehk superpartner. Näiteks fermionidest saavad bosonilaadsed sfermionid (squarkid, sleptoniidid) ja bosonidest fermionilaadsed gaugino'd ning higgsino'd. Selle tulemusena suureneks osakeste arv oluliselt: iga tuntud osakese kõrvale kuuluks üks või mitu uut liiki.

Miks see teooria on tähtis?

• Hierarhia- ja massiprobleem: supersümmeetria aitab selgitada, miks Higgsi bosoni mass on palju väiksem kui plaanck-kalss (stabiilsuse ja peenhäälestuse küsimus). Superpartnerite panused tühistavad suuremaid kvadratilisi divergentsse, mis muidu ajaksid Higgsi massi kõrgele.
• Gaugi süsteemide ühinemine: supersümmeetrilised mudelid sobivad paremini ideega, et tugev-, nõrk- ja elektromagnetiline vastasmõju ühenduvad kõrgel energia skaalal üheks suurkujuks (GUT — Grand Unified Theory).
• Tumeaine kandidaat: kui kehtib nn R-pariteet, on kergeim supersümmeetriline osake stabiilne ja võib moodustada osakestest koosneva tumeaine — näiteks neutraalino (neutralino) on üks levinud kandidaat.
• Teoreetiline konsistents: SUSY on loomulik partner stringiteooriale ja mõnedele gravitatsiooniga seotud mudelitele (nt supersümmeetriline gravitatsioon ehk supergravity).

Peamised mudelid ja variandid

Praktilises uuringus kasutatakse mõnda populaarset vormi, näiteks Minimaalne supersümmeetriline standardmudel (MSSM) ning selle laiendused nagu NMSSM. On ka alternatiive nagu split SUSY (kus mõned superpartnerid on väga rasked), ning erinevad mehhanismid, kuidas supersümmeetriat "murdakse" (gauge-mediated, gravity-mediated jms). Supersümmeetriat peetakse katki olevaks nähtuseks — muidu oleksime nende superosakeste massid juba ammu näinud — ning see purunemine määrab, kui rasked superpartnerid on.

Tumeaine seos

Paljudel SUSY-versioonidel on loogiline ja looduslik tumeaine kandidaat: stabiilne kergem supersümmeetriline osake, mida kutsutakse tavaliselt LSP-ks (Lightest Supersymmetric Particle). Kui LSP on laenguta ja nõrgalt suhtlev neutraalino, siis saab see seletada kosmoses välja mõõdetud tumeaine hulka. See loob ka ristuvõimaluse: sama mudelit testitakse nii kosmoloogias (tumeaine tiheduse, struktuurifoorumite kaudu) kui ka otsestes otsingutes (häälestatud detektorid, kiirgustestid) ja teismelistel kiirendikatsetel.

LHC-katsed ja otsingustrateegiad

ATLAS ja CMS eksperimendid Suures hadronite põrgutis otsivad supersümmeetrilisi osakesi mitmesuguste signatuuride kaudu. Levinumad otsingud hõlmavad:

• suured missing transverse energy (MET) sündmused — kui stabiilne LSP võtab osa energiast kaasa, ilmneb MET;
• mitme joonega juhtumid (multi-jet) + MET — oodatud signatuur kvarkide superpartnerite (squarkide) või gluino'de tootmisel;
• leptonitega sündmused (elektronid, müonid) + MET — kaasneb sageli kaskaadne lagunemine;
• pika elueaga osakesed, nihkega lagunemine või kaduvad rajad (displaced vertices, disappearing tracks) — mõnede mudelite spetsiifilised tunnused.

Praegused tulemused ei ole andnud veenvat otsest tõendit supersümmeetria olemasolu kohta. Katsete tulemused piiravad paljusid lihtsamaid SUSY-mudeleid: raskemate värkude (gluino, squark) massipiirid sõltuvad mudelist, kuid üldjoontes on lihtsates tõlgendustes piirangud jõudnud geV–teistesse TeV-skaaladesse. Samas on suur osa mudeliruumist — nt kompresseeritud spektrid või peaaegu massiliselt degenerate olukorrad — endiselt alles ja neid on raskem avastada.

Mida järgmised sammud võivad tuua?

• HL-LHC: Suurema heledusega LHC (High-Luminosity LHC) laiendab otsingute tundlikkust ja suudab avastada nõrgemaid või harvemaid signaale.
• Tulevased kiirendid: ettepanekud nagu FCC, ILC või CLIC annaksid kõrgema energia või puhtama eksperimendikeskkonna teatud SUSY-variantide testimiseks.
• Mitme suuna koostöö: otsedetektorid, astrofüüsikalised mõõtmised ja precisioonfüüsika (nt maitse-, CP- ja EDM-otsingud) pakuvad komplementaarset informatsiooni, mis võib SUSY-ile kas toetust anda või kitsendada.

Kokkuvõte

Supersümmeetria on elegantne ja mitmepoolseid probleeme lahendav teoreetiline raamistik, mis pakub seletusi hierarhia probleemile, võimaldab paremat töösuhet jõudude ühildumisele ja annab loogilise tumeaine kandidaadi. Seni otsesed katselised tõendid puuduvad, kuid teooria ja eksperiment suhtlevad tihedalt: kui SUSY on tõene, siis jääb see katsetamiseks põnevaks sihiks nii hüperkiirendite kui ka kosmoloogiliste ja astrofüüsikaliste mõõtmiste kaudu. Uued andmed ja järjepidevad otsingud võivad tulevikus anda lõpliku vastuse või viia meid peenemalt nüansirikkamate mudelite juurde.

Küsimused ja vastused

K: Mis on supersümmeetria?

K: Kui palju erinevaid osakesi tekiks supersümmeetrias?

K: Kui palju lisamõõtmeid ennustab M-teooria?

K: Milliseid lünki füüsika standardmudelis täidaks supersümmeetria?

K: Milline on supersümmeetria ja stringiteooria vaheline seos?

K: Mis on suur hadronite põrguti?

K: Kas seni on Suure Hadronite Põrguti eksperimentides leitud tõendeid supersümmeetria kohta?

Otsing