Стандартная модель элементарных частиц. Закрытия и открытия. Основные компоненты Стандартной модели

«Мы задаёмся вопросом, почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятит жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть? На самом деле, в занятиях физиков элементарных частиц проявляется человеческое любопытство и желание узнать, как устроен мир, в котором мы живём» Шон Кэрролл

Если вы всё ещё боитесь фразы квантовая механика и до сих пор не знаете, что такое стандартная модель - добро пожаловать под кат. В своей публикации я попытаюсь максимально просто и наглядно объяснить азы квантового мира, а так же физики элементарных частиц. Мы попробуем разобраться, в чём основные отличия фермионов и бозонов, почему кварки имеют такие странные названия, и наконец, почему все так хотели найти Бозон Хиггса.

Из чего мы состоим?

Ну что же, наше путешествие в микромир мы начнём с незатейливого вопроса: из чего состоят окружающие нас предметы? Наш мир, как дом, состоит из множества небольших кирпичиков, которые особым образом соединяясь, создают что-то новое, не только по внешнему виду, но ещё и по своим свойствам. На деле, если сильно к ним приглядеться, то можно обнаружить, что различных видов блоков не так уж и много, просто каждый раз они соединяются друг с другом по-разному, образуя новые формы и явления. Каждый блок - это неделимая элементарная частица, о которой и пойдёт речь в моём рассказе.

Для примера, возьмём какое-нибудь вещество, пусть у нас это будет второй элемент периодической системы Менделеева, инертный газ, гелий . Как и остальные вещества во Вселенной, гелий состоит из молекул, которые в свою очередь образованы связями между атомами. Но в данном случае, для нас, гелий немного особенный, потому что он состоит всего из одного атома.

Из чего состоит атом?

Атом гелия, в свою очередь, состоит из двух нейтронов и двух протонов, составляющих атомное ядро, вокруг которого вращаются два электрона. Самое интересное, что абсолютно неделимым здесь является лишь электрон .

Интересный момент квантового мира
Чем меньше масса элементарной частицы, тем больше места она занимает. Именно по этой причине электроны, которые в 2000 раз легче протона, занимают гораздо больше места по сравнению с ядром атома.

Нейтроны и протоны относятся к группе так называемых адронов (частиц, подверженных сильному взаимодействию), а если быть ещё точнее, барионов .

Адроны можно разделить на группы
Барионов, которые состоят из трёх кварков

Мезонов, которые состоят из пары: частица-античастица

Нейтрон, как ясно из его названия, является нейтрально заряженным, и может быть поделён на два нижних кварка и один верхний кварк. Протон, положительно заряженная частица, делится на один нижний кварк и два верхних кварка.

Да, да, я не шучу, они действительно называются верхний и нижний. Казалось бы, если мы открыли верхний и нижний кварк, да ещё электрон, то сможем с их помощью описать всю Вселенную. Но это утверждение было бы очень далеко от истины.

Главная проблема - частицы должны как-то между собой взаимодействовать. Если бы мир состоял лишь из этой троицы (нейтрон, протон и электрон), то частицы бы просто летали по бескрайним просторам космоса и никогда бы не собирались в более крупные образования, вроде адронов.

Фермионы и Бозоны

Достаточно давно учёными была придумана удобная и лаконичная форма представления элементарных частиц, названная стандартной моделью. Оказывается, все элементарные частицы делятся на фермионы , из которых и состоит вся материя, и бозоны , которые переносят различные виды взаимодействий между фермионами.

Разница между этими группами очень наглядна. Дело в том, что фермионам для выживания по законам квантового мира необходимо некоторое пространство, а для бозонов почти не важно наличие свободного места.

Фермионы

Группа фермионов, как было уже сказано, создаёт видимую материю вокруг нас. Что бы мы и где ни увидели, создано фермионами. Фермионы делятся на кварки , сильно взаимодействующие между собой и запертые внутри более сложных частиц вроде адронов, и лептоны , которые свободно существуют в пространстве независимо от своих собратьев.

Кварки делятся на две группы.

Верхнего типа. К кваркам верхнего типа, с зарядом +2\3, относят: верхний, очарованный и истинный кварки
Нижнего типа. К кваркам нижнего типа, с зарядом -1\3, относят: нижний, странный и прелестный кварки

Истинный и прелестный являются самыми большими кварками, а верхний и нижний - самыми маленькими. Почему кваркам дали такие необычные названия, а говоря более правильно, «ароматы», до сих пор для учёных предмет споров.

Лептоны также делятся на две группы.

Первая группа, с зарядом «-1», к ней относят: электрон, мюон (более тяжёлую частицу) и тау-частицу (самую массивную)
Вторая группа, с нейтральным зарядом, содержит: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино

Нейтрино - есть малая частица вещества, засечь которую практически невозможно. Её заряд всегда равен 0.

Возникает вопрос, не найдут ли физики ещё несколько поколений частиц, которые будут еще более массивными, по сравнению с предыдущими. На него ответить трудно, однако теоретики считают, что поколения лептонов и кварков исчерпываются тремя.

Не находите никакого сходства? И кварки, и лептоны делятся на две группы, которые отличаются друг от друга зарядом на единицу? Но об этом позже...

Бозоны

Без них бы фермионы сплошным потоком летали по вселенной. Но обмениваясь бозонами, фермионы сообщают друг другу какой-либо вид взаимодействия. Сами бозоны же с друг другом практически не взаимодействуют.
На самом деле, некоторые бозоны всё же взаимодействуют друг с другом, но об этом будет рассказано более подробно в следующих статьях о проблемах микромира

Взаимодействие, передаваемое бозонами, бывает:

Электромагнитным , частицы - фотоны. С помощью этих безмассовых частиц передаётся свет.
Сильным ядерным , частицы - глюоны. С их помощью кварки из ядра атома не распадаются на отдельные частицы.
Слабым ядерным , частицы - ±W и Z бозоны. С их помощью фермионы перекидываются массой, энергией, и могут превращаться друг в друга.
Гравитационным , частицы - гравитоны . Чрезвычайно слабая в масштабах микромира сила. Становится видимой только на сверхмассивных телах.

Оговорка о гравитационном взаимодействии.
Существование гравитонов экспериментально ещё не подтверждено. Они существуют лишь в виде теоретической версии. В стандартной модели в большинстве случаев их не рассматривают.

Вот и всё, стандартная модель собрана.

Проблемы только начались

Несмотря на очень красивое представление частиц на схеме, осталось два вопроса. Откуда частицы берут свою массу и что такое Бозон Хиггса , который выделяется из остальных бозонов.

Для того, что бы понимать идею применения бозона Хиггса, нам необходимо обратиться к квантовой теории поля. Говоря простым языком, можно утверждать, что весь мир, вся Вселенная, состоит не из мельчайших частиц, а из множества различных полей: глюонного, кваркового, электронного, электромагнитного и.т.д. Во всех этих полях постоянно возникают незначительные колебания. Но наиболее сильные из них мы воспринимаем как элементарные частицы. Да и этот тезис весьма спорный. С точки зрения корпускулярно-волнового дуализма, один и тот же объект микромира в различных ситуациях ведёт себя то как волна, то как элементарная частица, это зависит лишь от того, как физику, наблюдающему за процессом, удобнее смоделировать ситуацию.

Поле Хиггса

Оказывается, существует так называемое поле Хиггса, среднее значение которого не хочет стремиться к нулю. В результате чего, это поле старается принять некоторое постоянное ненулевое значение во всей Вселенной. Поле составляет вездесущий и постоянный фон, в результате сильных колебаний которого и появляется Бозон Хиггса.
И именно благодаря полю Хиггса, частицы наделяются массой.
Масса элементарной частицы, зависит от того, насколько сильно она взаимодействует с полем Хиггса , постоянно пролетая внутри него.
И именно из-за Бозона Хиггса, а точнее из-за его поля, стандартная модель имеет так много похожих групп частиц. Поле Хиггса вынудило сделать множество добавочных частиц, таких, например, как нейтрино.

Итоги

То, что было рассказано мною, это самые поверхностные понятия о природе стандартной модели и о том, зачем нам нужен Бозон Хиггса. Некоторые учёные до сих пор в глубине души надеются, что частица, найденная в 2012 году и похожая на Бозон Хиггса в БАКе, была просто статистической погрешностью. Ведь поле Хиггса нарушает многие красивые симметрии природы, делая расчёты физиков более запутанными.
Некоторые даже считают, что стандартная модель доживает свои последние годы из-за своего несовершенства. Но экспериментально это не доказано, и стандартная модель элементарных частиц остаётся действующим образцом гения человеческой мысли.

Стандартная модель фундаментальных взаимодействий

в физике элементарных частиц.

Фундаментальные взаимодействия.

По современным представлениям, все известные в настоящее время процессы сводятся к 4 типам взаимодействий, которые называются фундаментальными (таблица 1).

Таблица 1. Фундаментальные взаимодействия.

взаимодействия (поле)	Константа взаимодействия	взаимодействия	Характерные	Частицы - переносчики (кванты полей)
взаимодействия (поле)	Константа взаимодействия	взаимодействия	Характерные	Название
Гравитационное				Гравитон (?)
		10 -17 ... 10 -18 м		W + , W - - бозоны Z 0 - бозон
Электромагнитное
		10 -14 ... 10 -15 м

В квантовой физике каждая элементарная частица является квантом некоторого поля, и наоборот, каждому полю соответствует своя частица-квант. Энергия и импульс каждого поля слагаются из множества отдельных порций - квантов. Самый простой и лучше всего изученный пример: электромагнитное поле и его квант - фотон. Квантами поля сильных взаимодействий являются глюоны. Кванты поля слабых взаимодействий - калибровочные бозоны W ± иZ 0 . Все эти частицы обнаружены экспериментально, и их свойства хорошо изучены. Переносчиком гравитационного взаимодействия является гравитон: гипотетическая частица, которая экспериментально пока не обнаружена. Кванты-переносчики полей имеют целый спин, т.е. являются бозе-частицами (бозонами), что и отражено в названии некоторых из них.

Современные ускорители. Все современные ускорители - коллайдеры (т.е. используют встречные пучки) .

Таблица 2. Крупнейшие ускорители.

Название ускорителя	Ускоряемые частицы	Максимальные энергии	Год начала работы	Длина ускорительной камеры
	протон-антипротон
(линейный)	электрон-позитрон
	электрон-позитрон	100 + 100 Гэв			Швейцария
	электрон-протон	30 Гэв + 920 Гэв			Германия
	электрон-позитрон
	протон - протон				Швейцария
(линейный)	электрон-позитрон	500 + 500 Гэв	строится		Германия
	протон - протон		строится

Из-за того, что кварки и глюоны взаимодействуют между собой сильнее, чем электроны и позитроны, а также из-за того, что энергии протон-протонных ускорителей больше, в столкновениях протонов с протонами происходит гораздо больше событий, чем в столкновениях электронов. В этом есть и плюсы, и минусы; минусы в том, что труднее выделить нужные реакции. Поэтому протон-протонные коллайдеры называют машинами открытий, а электрон-позитронные - машинами точных измерений .

Стандартная модель.

К настоящему времени разработано квантовое описание трех из четырех фундаментальных взаимодействий: сильного, электромагнитного и слабого, а также показано, что слабое и электромагнитное взаимодействия фактически имеют общее происхождение (электрослабое взаимодействие). Совпадение с экспериментом наблюдается до расстояний 10 -18 м, что является пределом для современной экспериментальной техники. Поэтому теория трех негравитационных взаимодействий, включающая 12 фундаментальных частиц, которые в них участвуют (таблица 2), называетсястандартной моделью физики элементарных частиц.

Таблица 3. Фундаментальные частицы.

	Масса, Мэв		Масса, Мэв		Масса, Мэв
Электрон
Электронное нейтрино		Мюонное нейтрино		Таонное нейтрино

Симметрия и инвариантность.

В том случае, когда состояние системы в результате какого-либо преобразования не меняется, говорят, что система обладает симметрией относительно данного преобразования. Понятие симметрии является очень важным в физике элементарных частиц, т.к. каждому виду симметрии соответствует свой закон сохранения и наоборот: каждому закону сохранения какой-либо физической величины соответствует своя симметрия . Общеизвестной является связь симметрии времени и пространства относительно сдвигов (однородность) и поворотов (изотропность) с законами сохранения энергии, импульса и момента импульса. Эти законы являются универсальными, т.е. выполняются во всех видах взаимодействий .

Кроме этих общеизвестных видов симметрии существуют так называемые "внутренние симметрии", которые в физике элементарных частиц называются "калибровочными симметриями (или инвариантностями)" . В квантовой физике существует калибровочная инвариантность к изменению фазы волновой функции, т.к. не существует способа определить абсолютную величину фазы этой функции. Другими словами, квантовая механика инвариантна относительно произвольного изменения фазы волновой функции на постоянную величину, т.е. замены ψ наψ· exp (i  ) при условии = const . Это так называемая "глобальная калибровочная симметрия" относительно изменения фазы волновой функции на одну и ту же величину сразу во всем пространстве и во все моменты времени . Эта инвариантность очевидна, т.к. множитель exp (i  ) при подстановке измененной волновой функции в уравнение Шредингера

можно сократить.

Если фаза  не равна константе, а является произвольной функцией координат и времени, то такое преобразование называется локальным. При заменеψ наψ· exp (i  (r , t )) уравнение Шредингера, конечно, изменится, однако его можно сохранить неизменным, если ввести в него компенсирующее поле: четырехмерный вектор (φ (r , t ), A (r , t )), который является совокупностью скалярного и векторного потенциалов электромагнитного поля, квантами которого являются фотоны. В этом и заключается основная идея квантового описания электромагнитного взаимодействия (КЭД).

Бозон Хиггса.

Подобная идея используется для построения теории всех взаимодействий, а соответствующий вид симметрии называется "локальной калибровочной инвариантностью". Однако при этом возникает проблема. Обязательным требованием к уравнениям для любого физического поля является инвариантность по отношению к преобразованиям Лоренца. А это выполняется только в том случае, если масса кванта поля равна нулю. Из таблицы 1 видно, что кванты электромагнитного, сильного и гравитационного полей являются безмассовыми (т.е. имеют нулевую массу покоя), но кванты-переносчики слабых взаимодействий имеют довольно большие массы. Такая же проблема возникает и при объяснении значений масс у других элементарных частиц. Можно сказать, что внутренние симметрии запрещают элементарным частицам иметь ненулевые массы покоя, что, конечно, противоречит экспериментальным данным. Этот вопрос - об объяснении различных значений масс у элементарных частиц - оставался до последнего времени нерешенным в стандартной модели.

Для объяснения этого противоречия в 1964 году Ф.Энглер (F.Englert) и Р.Браут (R.Brout) и независимо от них П.Хиггс (P.Higgs) почти одновременно предположили, что существует еще одно поле, взаимодействие с которым придает частицам массу. П.Хиггс, кроме этого, предсказал существование у этого поля кванта - бозона со спином, равным нулю, поэтому гипотетический квант этого поля получил название "бозон Хиггса". Масса этой частицы, согласно сделанным тогда оценкам, должна находиться в диапазоне от 60 до 1000 Гэв. Ускорителей, на которых можно было бы обнаружить частицу с такой массой, до последнего времени не существовало, поэтому бозон Хиггса оставался единственной еще не обнаруженной экспериментально частицей стандартной модели .

На семинаре в ЦЕРНЕ 4 июля 2012 года было объявлено об открытии новой частицы, свойства которой, как осторожно заявляют авторы открытия, соответствуют ожидаемым свойствам теоретически предсказанного бозона Хиггса - элементарного бозона Стандартной модели физики элементарных частиц. Эта новая частица (для нее принято обозначение H) не имеет электрического заряда. Масса бозона по данным одной группы экспериментов равна (125.3 ± 0.9) Гэв, по данным другой группы (126.0 ± 0.8) Гэв. БозонHнестабилен, его время жизни примерно 10 -24 с, и он может распадаться по-разному. НаLHCнаблюдались распады на два фотона, и на две пары: электрон-позитрон и (или) мюон-антимюон:

H →γ+γ,

H →e - + e + + e - + e + ,

H → e - + e + + μ - + μ + ,

H → μ - + μ + + μ - + μ + .

Последние три распада коротко можно записать так

H → 4l ,

где l - один из лептонов (электрон, позитрон, мюон). Все эти распады соответствуют предсказанным свойствам бозона Хиггса.

Все это позволяет с большой вероятностью утверждать, что бозон Хиггса открыт, и Стандартная модель получила принципиально важное экспериментальное подтверждение.

Литература.

Физическая энциклопедия, т.5 /Гл. ред. А.М.Прохоров. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. - с. 596-608.

Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц. - М.: УРСС, 2002.

Рубаков В.А. К открытию на Большом адронном коллайдере новой частицы со свойствами бозона Хиггса. - УФН, 2012, т.182, №10. - с.1017-1025.

Рубаков В.А. Долгожданное открытие бозона Хиггса. - Наука и жизнь, 2012, №10. - с.2-17.

Физическая энциклопедия, т.4 /Гл. ред. А.М.Прохоров. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. - с. 505-520.

Физика микромира: Маленькая энциклопедия /Гл. ред. Д.В.Ширков. - М.: "Советская энциклопедия", 1980.

Грин Б. Элегантная Вселенная. /Пер. с англ. под ред. В.О.Малышенко. - Изд. 2-е. - М.: Едиториал УРСС, 2005. - 288 с.

Аринштейн Э.А. Элементы теоретической физики: Учебное пособие. - Тюмень, Изд-во Тюменского госуниверситета, 2011. - с.103-105.

Из чего мы состоим?

Из чего состоит атом?

Интересный момент квантового мира
Чем меньше масса элементарной частицы, тем больше места она занимает. Именно по этой причине электроны, которые в 2000 раз легче протона, занимают гораздо больше места по сравнению с ядром атома.

Адроны можно разделить на группы
Барионов, которые состоят из трёх кварков

Мезонов, которые состоят из пары: частица-античастица

Фермионы и Бозоны

Фермионы

Кварки делятся на две группы.

Верхнего типа. К кваркам верхнего типа, с зарядом +2\3, относят: верхний, очарованный и истинный кварки
Нижнего типа. К кваркам нижнего типа, с зарядом -1\3, относят: нижний, странный и прелестный кварки

Лептоны также делятся на две группы.

Первая группа, с зарядом «-1», к ней относят: электрон, мюон (более тяжёлую частицу) и тау-частицу (самую массивную)
Вторая группа, с нейтральным зарядом, содержит: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино

Нейтрино - есть малая частица вещества, засечь которую практически невозможно. Её заряд всегда равен 0.

Бозоны

Взаимодействие, передаваемое бозонами, бывает:

Электромагнитным , частицы - фотоны. С помощью этих безмассовых частиц передаётся свет.
Сильным ядерным , частицы - глюоны. С их помощью кварки из ядра атома не распадаются на отдельные частицы.
Слабым ядерным , частицы - ±W и Z бозоны. С их помощью фермионы перекидываются массой, энергией, и могут превращаться друг в друга.
Гравитационным , частицы - гравитоны . Чрезвычайно слабая в масштабах микромира сила. Становится видимой только на сверхмассивных телах.

Оговорка о гравитационном взаимодействии.
Существование гравитонов экспериментально ещё не подтверждено. Они существуют лишь в виде теоретической версии. В стандартной модели в большинстве случаев их не рассматривают.

Вот и всё, стандартная модель собрана.

Проблемы только начались

Поле Хиггса

Итоги

Стандартная модель физики элементарных частиц, или просто Стандартная модель, - теоретические рамки в физике, которые наиболее точно и удачно описывают текущее положение элементарных частиц, их значения и поведение. Стандартная модель не является и не претендует на звание «теории всего», поскольку не объясняет темную материю, темную энергию и не включает гравитацию. Постоянные подтверждения Стандартной модели, на зло альтернативной модели суперсимметрии, появляются на Большом адронном коллайдере. Впрочем, не все физики любят Стандартную модель и желают ей скорейшей кончины, ведь это может потенциально привести к развитию более общей теории всего, объяснению черных дыр и темной материи, объединению гравитации, квантовой механики и общей теории относительности.

Если физики элементарных частиц добьются своего, новые ускорители смогут в один прекрасный день тщательно исследовать самую любопытную субатомную частицу в физике - бозон Хиггса. Спустя шесть лет после открытия этой частицы на Большом адронном коллайдере, физики планируют новые огромные машины, которые будут растягиваться на десятки километров в Европе, Японии или Китае.

Не так давно ученые заговорили о новой космологической модели, известной как «хиггсогенез» (Higgsogenesis). Документ с описанием новой модели был опубликован в журнале Physical Review Lettres. Термин «хиггсогенез» относится к первому появлению частиц Хиггса в ранней Вселенной, так же как бариогенез относится к появлению барионов (протонов и нейтронов) в первые моменты после Большого Взрыва. И хотя бариогенез - достаточно хорошо изученный процесс, хиггсогенез остается сугубо гипотетическим.

Стандартная модель элементарных частиц считается крупнейшим достижением физики второй половины XX века. Но что лежит за ее пределами?

Стандартная модель (СМ) элементарных частиц, базирующаяся на калибровочной симметрии , — великолепное творение Мюррея Гелл-Манна, Шелдона Глэшоу, Стивена Вайнберга, Абдуса Салама и целой плеяды блестящих ученых. СМ прекрасно описывает взаимодействия между кварками и лептонами на дистанциях порядка 10−17 м (1% диаметра протона), которые можно изучать на современных ускорителях. Однако она начинает буксовать уже на расстояниях в 10−18 м и тем более не обеспечивает продвижения к заветному планковскому масштабу в 10−35 м.

Считается, что именно там все фундаментальные взаимодействия сливаются в квантовом единстве. На смену СМ когда-нибудь придет более полная теория, которая, скорее всего, тоже не станет последней и окончательной. Ученые пытаются найти замену Стандартной модели. Многие считают, что новая теория будет построена путем расширения списка симметрий, образующих фундамент СМ. Один из наиболее перспективных подходов к решению этой задачи был заложен не только вне связи с проблемами СМ, но даже до ее создания.

Частицы, подчиняющиеся статистике Ферми-Дирака (фермионы с полуцелым спином) и Бозе-Эйнштейна (бозоны с целым спином). В энергетическом колодце все бозоны могут занимать один и тот же нижний энергетический уровень, образуя конденсат Бозе-Эйнштейна. Фермионы же подчиняются принципу запрета Паули, и поэтому две частицы с одинаковыми квантовыми числами (в частности, однонаправленными спинами) не могут занимать один и тот же энергетический уровень.

Смесь противоположностей

В конце 1960-х старший научный сотрудник теоротдела ФИАН Юрий Гольфанд предложил своему аспиранту Евгению Лихтману обобщить математический аппарат, применяемый для описания симметрий четырехмерного пространства-времени специальной теории относительности (пространства Минковского).

Лихтман обнаружил, что эти симметрии можно объединить с внутренними симметриями квантовых полей с ненулевыми спинами. При этом образуются семейства (мультиплеты), объединяющие частицы с одинаковой массой, обладающие целым и полуцелым спином (иначе говоря, бозоны и фермионы). Это было и новым, и непонятным, поскольку те и другие подчиняются разным типам квантовой статистики. Бозоны могут накапливаться в одном и том же состоянии, а фермионы следуют принципу Паули, строго запрещающему даже парные союзы этого рода. Поэтому возникновение бозонно-фермионных мультиплетов выглядело математической экзотикой, не имеющей отношения к реальной физике. Так это и было воспринято в ФИАН. Позже в своих «Воспоминаниях» Андрей Сахаров назвал объединение бозонов и фермионов великой идеей, однако в то время она не показалась ему интересной.

За пределами стандарта

Где же пролегают границы СМ? «Стандартная модель согласуется почти со всеми данными, полученными на ускорителях высоких энергий. — объясняет ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Сергей Троицкий. — Однако в ее рамки не вполне укладываются результаты экспериментов, свидетельствующие о наличии массы у двух типов нейтрино, а возможно, что и у всех трех. Этот факт означает, что СМ нуждается в расширении, а в каком именно, никто толком не знает. На неполноту СМ указывают и астрофизические данные. Темная материя, а на нее приходится более пятой части массы Вселенной, состоит из тяжелых частиц, которые никак не вписываются в СМ. Кстати, эту материю точнее было бы называть не темной, а прозрачной, поскольку она не только не излучает света, но и не поглощает его. Кроме того, СМ не объясняет почти полного отсутствия антивещества в наблюдаемой Вселенной».
Есть также возражения эстетического порядка. Как отмечает Сергей Троицкий, СМ устроена весьма некрасиво. Она содержит 19 численных параметров, которые определяются экспериментом и, с точки зрения здравого смысла, принимают весьма экзотические значения. Например, вакуумное среднее поля Хиггса, несущее ответственность за массы элементарных частиц, равно 240 ГэВ. Непонятно, почему этот параметр в 1017 раз меньше параметра, определяющего гравитационное взаимодействие. Хотелось бы иметь более полную теорию, которая даст возможность определить это отношение из каких-то общих принципов.
СМ не объясняет и огромной разницы между массами самых легких кварков, из которых сложены протоны и нейтроны, и массой top-кварка, превышающей 170 ГэВ (во всем остальном он ничем не отличается от u-кварка, который почти в 10 тысяч раз легче). Откуда берутся вроде бы одинаковые частицы со столь различными массами, пока непонятно.

Лихтман в 1971 году защитил диссертацию, а потом ушел в ВИНИТИ и почти забросил теорфизику. Гольфанда уволили из ФИАН по сокращению штатов, и он долго не мог найти работы. Однако сотрудники Украинского физико-технического института Дмитрий Волков и Владимир Акулов тоже открыли симметрию между бозонами и фермионами и даже воспользовались ею для описания нейтрино. Правда, никаких лавров ни москвичи, ни харьковчане тогда не обрели. Лишь в 1989 году Гольфанд и Лихтман получили премию АН СССР по теоретической физике имени И.Е. Тамма. В 2009 году Владимир Акулов (сейчас он преподает физику в Техническом колледже Городского университета Нью-Йорка) и Дмитрий Волков (посмертно) удостоились Национальной премии Украины за научные исследования.

Элементарные частицы Стандартной модели делятся на бозоны и фермионы по типу статистики. Составные частицы — адроны — могут подчиняться либо статистике Бозе-Эйнштейна (к таким относятся мезоны — каоны, пионы), либо статистике Ферми-Дирака (барионы — протоны, нейтроны).

Рождение суперсимметрии

На Западе смеси бозонных и фермионных состояний впервые появились в зарождающейся теории, представляющей элементарные частицы не точечными объектами, а вибрациями одномерных квантовых струн.

В 1971 году была построена модель, в которой с каждой вибрацией бозонного типа сочеталась парная ей фермионная вибрация. Правда, эта модель работала не в четырехмерном пространстве Минковского, а в двумерном пространстве-времени струнных теорий. Однако уже в 1973 году австриец Юлиус Весс и итальянец Бруно Зумино доложили в ЦЕРН (а годом позже опубликовали статью) о четырехмерной суперсимметричной модели с одним бозоном и одним фермионом. Она не претендовала на описание элементарных частиц, но демонстрировала возможности суперсимметрии на наглядном и чрезвычайно физичном примере. Вскоре эти же ученые доказали, что обнаруженная ими симметрия является расширенной версией симметрии Гольфанда и Лихтмана. Вот и получилось, что в течение трех лет суперсимметрию в пространстве Минковского независимо друг от друга открыли три пары физиков.

Результаты Весса и Зумино подтолкнули разработку теорий с бозонно-фермионными смесями. Поскольку эти теории связывают калибровочные симметрии с симметриями пространства-времени, их назвали суперкалибровочными, а потом суперсимметричными. Они предсказывают существование множества частиц, ни одна из которых еще не открыта. Так что суперсимметричность реального мира все еще остается гипотетической. Но даже если она и существует, то не может быть строгой, иначе электроны обладали бы заряженными бозонными родичами с точно такой же массой, которых легко можно было бы обнаружить. Остается предположить, что суперсимметричные партнеры известных частиц чрезвычайно массивны, а это возможно лишь при нарушении суперсимметрии.

Суперсимметричная идеология вошла в силу в середине 1970-х годов, когда уже существовала Стандартная модель. Естественно, что физики принялись строить ее суперсимметричные расширения, иными словами, вводить в нее симметрии между бозонами и фермионами. Первая реалистичная версия суперсимметричной СМ, получившая название минимальной (Minimal Supersymmetric Standard Model, MSSM), была предложена Говардом Джорджи и Савасом Димопулосом в 1981 году. Фактически это та же Стандартная модель со всеми ее симметриями, но к каждой частице добавлен партнер, чей спин отличается от ее спина на ½, — бозон к фермиону и фермион к бозону.

Поэтому все взаимодействия СМ остаются на месте, но обогащаются взаимодействиями новых частиц со старыми и друг с другом. Позднее возникли и более сложные суперсимметричные версии СМ. Все они сопоставляют уже известным частицам тех же партнеров, но различным образом объясняют нарушения суперсимметрии.

Частицы и суперчастицы

Названия суперпартнеров фермионов строятся с помощью приставки «с» — сэлектрон, смюон, скварк. Суперпартнеры бозонов обзаводятся окончанием «ино»: фотон — фотино, глюон — глюино, Z-бозон — зино, W-бозон — вино, бозон Хиггса — хиггсино.

Спин суперпартнера любой частицы (за исключением бозона Хиггса) всегда на ½ меньше ее собственного спина. Следовательно, партнеры электрона, кварков и прочих фермионов (а также, естественно, и их античастиц) имеют нулевой спин, а партнеры фотона и векторных бозонов с единичным спином — половинный. Это связано с тем, что количество состояний частицы тем больше, чем больше ее спин. Поэтому замена вычитания на сложение привела бы к появлению избыточных суперпартнеров.

Слева — Стандартная модель (СМ) элементарных частиц: фермионы (кварки, лептоны) и бозоны (переносчики взаимодействий). Справа — их суперпартнеры в Минимальной суперсимметричной стандартной модели, MSSM: бозоны (скварки, слептоны) и фермионы (суперпартнеры переносчиков взаимодействий). Пять бозонов Хиггса (на схеме обозначены одним синим символом) также имеют своих суперпартнеров — пятерку хиггсино.

Возьмем для примера электрон. Он может находиться в двух состояниях — в одном его спин направлен параллельно импульсу, в другом — антипараллельно. С точки зрения СМ это разные частицы, поскольку они не вполне одинаково участвуют в слабых взаимодействиях. Частица с единичным спином и ненулевой массой может пребывать в трех различных состояниях (как говорят физики, имеет три степени свободы) и потому не годится в партнеры электрону. Единственным выходом будет приписать каждому из состояний электрона по одному суперпартнеру с нулевым спином и считать эти сэлектроны различными частицами.

Суперпартнеры бозонов Стандартной модели возникают несколько хитрее. Поскольку масса фотона равна нулю, то и при единичном спине он имеет не три, а две степени свободы. Поэтому ему без проблем сопоставляется фотино, суперпартнер с половинным спином, который, как и электрон, обладает двумя степенями свободы. По этой же схеме возникают глюино. С хиггсами ситуация посложнее. В MSSM есть два дублета хиггсовских бозонов, которым соответствует четверка суперпартнеров — два нейтральных и два разноименно заряженных хиггсино. Нейтралы смешиваются разными способами с фотино и зино и образуют четверку физически наблюдаемых частиц с общим именем нейтралино. Подобные же смеси со странным для русского уха названием чарджино (по-английски — chargino) образуют суперпартнеры положительного и отрицательного W-бозонов и пары заряженных хиггсов.

Своей спецификой обладает и ситуация с суперпартнерами нейтрино. Если бы эта частица не имела массы, ее спин всегда был бы направлен противоположно импульсу. Поэтому у безмассового нейтрино можно было бы ожидать наличие единственного скалярного партнера. Однако реальные нейтрино все же не безмассовы. Не исключено, что существуют также нейтрино с параллельными импульсами и спинами, но они очень тяжелы и еще не обнаружены. Если это действительно так, то каждой разновидности нейтрино соответствует свой суперпартнер.

Как говорит профессор физики Мичиганского университета Гордон Кейн, самый универсальный механизм нарушения суперсимметрии связан с тяготением.

Однако величина его вклада в массы суперчастиц еще не выяснена, а оценки теоретиков противоречивы. Кроме того, он вряд ли является единственным. Так, Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model, NMSSM, вводит еще два хиггсовских бозона, вносящих свои добавки в массу суперчастиц (а также увеличивает число нейтралино с четырех до пяти). Такая ситуация, отмечает Кейн, резко умножает число параметров, заложенных в суперсимметричные теории.

Даже минимальное расширение Стандартной модели требует около сотни дополнительных параметров. Этому не стоит удивляться, поскольку все эти теории вводят множество новых частиц. По мере появления более полных и согласованных моделей число параметров должно уменьшиться. Как только детекторы Большого адронного коллайдера отловят суперчастицы, новые модели не заставят себя ждать.

Иерархия частиц

Суперсимметричные теории позволяют устранить ряд слабых мест Стандартной модели. Профессор Кейн на первое место ставит загадку, связанную с бозоном Хиггса, которую называют проблемой иерархии .

Эта частица приобретает массу в ходе взаимодействия с лептонами и кварками (подобно тому, как они сами обретают массы при взаимодействии с хиггсовским полем). В СМ вклады от этих частиц представлены расходящимися рядами с бесконечными суммами. Правда, вклады бозонов и фермионов имеют разные знаки и в принципе могут почти полностью погасить друг друга. Однако такое погашение должно быть практически идеальным, поскольку масса хиггса, как теперь известно, равна лишь 125 ГэВ. Это не невозможно, но крайне маловероятно.

Для суперсимметричных теорий в этом нет ничего страшного. При точной суперсимметрии вклады обычных частиц и их суперпартнеров должны полностью компенсировать друг друга. Поскольку суперсимметрия нарушена, компенсация оказывается неполной, и бозон Хиггса обретает конечную и, главное, вычисляемую массу. Если массы суперпартнеров не слишком велики, она должна измеряться одной-двумя сотнями ГэВ, что и соответствует действительности. Как подчеркивает Кейн, физики стали серьезно относиться к суперсимметрии именно тогда, когда было показано, что она решает проблему иерархии.

На этом возможности суперсимметрии не заканчиваются. Из СМ вытекает, что в области очень высоких энергий сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия хотя и обладают примерно одинаковой силой, но никогда не объединяются. А в суперсимметричных моделях при энергиях порядка 1016 ГэВ такое объединение имеет место, и это выглядит намного естественней. Эти модели предлагают также и решение проблемы темной материи. Суперчастицы при распадах порождают как суперчастицы, так и обычные частицы — естественно, меньшей массы. Однако суперсимметрия, в отличие от СМ, допускает быстрый распад протона, которого, на наше счастье, реально не происходит.

Протон, а вместе с ним и весь окружающий мир можно спасти, предположив, что в процессах с участием суперчастиц сохраняется квантовое число R-четности, которое для обычных частиц равно единице, а для суперпартнеров — минус единице. В таком случае самая легкая суперчастица должна быть полностью стабильной (и электрически нейтральной). Распасться на суперчастицы она не может по определению, а сохранение R-четности запрещает ей распадаться на частицы. Темная материи может состоять именно из таких частиц, возникших сразу вслед за Большим взрывом и избежавших взаимной аннигиляции.

В ожидании экспериментов

«Незадолго до открытия бозона Хиггса на основе М-теории (наиболее продвинутой версии теории струн) его массу предсказали с ошибкой всего в два процента! — говорит профессор Кейн. — Были также вычислены массы сэлектронов, смюонов и скварков, которые оказались слишком велики для современных ускорителей — порядка нескольких десятков ТэВ. Суперпартнеры фотона, глюона и прочих калибровочных бозонов намного легче, и поэтому есть шансы их обнаружить на БАК».

Конечно, правильность этих вычислений ничем не гарантирована: М-теория — дело тонкое. И все же, можно ли обнаружить на ускорителях следы суперчастиц? «Массивные суперчастицы должны распадаться сразу после рождения. Эти распады происходят на фоне распадов обычных частиц, и однозначно выделить их очень непросто, — объясняет главный научный сотрудник Лаборатории теоретической физики ОИЯИ в Дубне Дмитрий Казаков. — Было бы идеально, если бы суперчастицы проявляли себя уникальным образом, который невозможно спутать ни с чем другим, но теория этого не предсказывает.

Приходится анализировать множество различных процессов и искать среди них те, которые не вполне объясняются Стандартной моделью. Эти поиски пока не увенчались успехом, но у нас уже есть ограничения на массы суперпартнеров. Те из них, которые участвуют в сильных взаимодействиях, должны тянуть как минимум на 1 ТэВ, в то время как массы прочих суперчастиц могут варьировать между десятками и сотнями ГэВ.

В ноябре 2012 года на симпозиуме в Киото были доложены результаты экспериментов на БАК, в ходе которых впервые удалось надежно зарегистрировать очень редкий распад Bs-мезона на мюон и антимюон. Его вероятность составляет приблизительно три миллиардных, что хорошо соответствует предсказаниям СМ. Поскольку ожидаемая вероятность этого распада, вычисленная на основе MSSM, может оказаться в несколько раз большей, кое-кто решил, что с суперсимметрией покончено.

Однако эта вероятность зависит от нескольких неизвестных параметров, которые могут давать как большой, так и малый вклад в конечный результат, здесь еще много неясного. Поэтому ничего страшного не произошло, и слухи о кончине MSSM сильно преувеличены. Но из этого вовсе не следует, что она неуязвима. БАК пока не работает на полную мощность, он выйдет на нее лишь через два года, когда энергию протонов доведут до 14 ТэВ. И вот если тогда не найдется никаких проявлений суперчастиц, то MSSM, скорее всего, умрет естественной смертью и настанет время новых суперсимметричных моделей.

Числа Грассмана и супергравитация

Еще до создания MSSM суперсимметрию объединили с гравитацией. Неоднократное применение преобразований, связывающих бозоны и фермионы, перемещает частицу в пространстве-времени. Это позволяет связать суперсимметрии и деформации пространственно-временной метрики, которые, согласно общей теории относительности, и есть причина тяготения. Когда физики это поняли, они начали строить суперсимметричные обобщения ОТО, которые называются супергравитацией. Эта область теоретической физики активно развивается и сейчас.
Тогда же выяснилось, что суперсимметричным теориям необходимы экзотические числа, придуманные в XIX столетии немецким математиком Германом Гюнтером Грассманом. Их можно складывать и вычитать как обычные, но произведение таких чисел изменяет знак при перестановке сомножителей (поэтому квадрат и вообще любая целая степень грассманова числа равна нулю). Естественно, что функции от таких чисел нельзя дифференцировать и интегрировать по стандартным правилам математического анализа, нужны совершенно другие приемы. И они, к счастью для суперсимметричных теорий, уже были найдены. Их придумал в 1960-е годы выдающийся советский математик из МГУ Феликс Березин, который создал новое направление — суперматематику.

Однако есть и другая стратегия, не связанная с БАК. Пока в ЦЕРН работал электронно-позитронный коллайдер LEP, на нем искали наиболее легкие из заряженных суперчастиц, чьи распады должны порождать наилегчайших суперпартнеров. Эти частицы-предшественники легче зарегистрировать, поскольку они заряжены, а легчайший суперпартнер нейтрален. Эксперименты на LEP показали, что масса таких частиц не превышает 104 ГэВ. Это не так уж много, но их трудно обнаружить на БАК из-за высокого фона. Поэтому сейчас началось движение за постройку для их поиска сверхмощного электрон-позитронного коллайдера. Но это очень дорогая машина, в скором времени ее уж точно не построят».

Закрытия и открытия

Однако, как считает профессор теоретической физики Университета Миннесоты Михаил Шифман, измеренная масса бозона Хиггса слишком велика для MSSM, и эта модель, скорее всего, уже закрыта:

«Правда, ее пытаются спасти с помощью различных надстроек, но они столь неизящны, что имеют малые шансы на успех. Возможно, что другие расширения сработают, но когда и как, пока неизвестно. Но этот вопрос выходит за рамки чистой науки. Нынешнее финансирование физики высоких энергий держится на надежде обнаружить на БАК что-то действительно новое. Если этого не произойдет, финансирование урежут, и денег не хватит для строительства ускорителей нового поколения, без которых эта наука не сможет реально развиваться». Так что суперсимметричные теории по‑прежнему подают надежды, но ждут не дождутся вердикта экспериментаторов.