So suchen Sie am Large Hadron Collider nach Supersymmetrie

Wenn Sie auf der Straße eine zufällige Person fragen: "Wie sucht man nach Supersymmetrie?" dann wird er wahrscheinlich schnell die Seite wechseln. Wenn Sie diese Frage jedoch auf der Straße in CERN, dem Labor, das den Large Hadron Collider verwaltet, stellen, erhalten Sie höchstwahrscheinlich Folgendes: „Suchen Sie nach einer unerwarteten Anzahl von Kollisionen mit Jets und fehlender Energie.“

Und eine solche Antwort kann Sie bereits dazu bringen, schnell die andere Straßenseite zu überqueren. Aber er ist nicht so unerklärlich, er braucht nur eine Übersetzung. Es bedeutet Folgendes:

Es ist notwendig, nach einer unerwartet großen Anzahl von Kollisionen von Protonen mit Protonen zu suchen, bei denen es Zeichen wie (a) Quarks, Antiquarks oder Gluonen (Partikel in Protonen und anderen Hadronen) gibt, die von einer Kollision mit sehr hoher Energie ausgehen, als ob sie von einer Kanone stammen (und Partikel erzeugen) , genannt " Jets ") und (b) undefinierbare Teilchen, die unsichtbar wegfliegen und eine große Menge an Impuls und Energie mitnehmen.

Der Zweck dieses Artikels ist es, Ihnen zu erklären, warum Menschen eine ähnliche Antwort geben und welche Stärken und Schwächen sie haben.

Vorläufige Informationen

Sie müssen einen Artikel darüber lesen, was Supersymmetrie ist und was ihre Vorhersagen bedeuten. Kurz gesagt: Für jede Art von Partikeln, die uns in der Natur bekannt sind, sind für die Supersymmetrie ein oder zwei zusätzliche Partikel erforderlich, die Physiker normalerweise als Superpartner bezeichnen, die ähnliche Eigenschaften haben, sich jedoch in einem Aspekt unterscheiden:

Wenn das uns bereits bekannte Teilchen ein Boson ist, ist sein Superpartner eine Fermion und umgekehrt (in diesem Artikel können Sie nachlesen, was Bosonen und Fermionen sind).

Um Widersprüche zu den bereits erhaltenen Daten zu vermeiden, sollte die Supersymmetrie auf listige Weise verborgen werden, weshalb ein zweiter Unterschied zwischen dem Teilchen und seinem Superpartner auftritt:

Die Masse des Superpartners ist größer als die uns bereits bekannte Masse des Teilchens.

In der populärsten Version der Supersymmetrie erweist sich der Superpartner jedes uns bekannten Partikels als schwer genug, um kaum über die Kraft früherer Experimente hinauszugehen, aber gleichzeitig innerhalb der Möglichkeiten des LHC zu liegen.


Abb. 1: die bekannten und Higgs-Teilchen sowie ihre Superpartner ( Sleptons , Sneytrino, Squark , Gluino, Chargeino und Neutralino ), vorhergesagt durch Supersymmetrie. Schwerere Partikel oben.

Der Grund, warum viele Physiker glauben, dass Superpartner wahrscheinlich innerhalb der Möglichkeiten des LHC liegen, ist, dass sie glauben, dass Supersymmetrie die Lösung für ein Rätsel sein kann, das als Eichhierarchieproblem bekannt ist. Wenn die Superpartner viel schwieriger sind, muss anderswo nach einer Lösung für das Hierarchieproblem gesucht werden.

Angenommen, die Physiker haben Recht - warum müssen wir dann nach Kollisionen suchen, die zum Auftreten vieler Jets (Anzeichen von energiereichen Quarks / Antiquarks / Gluonen) und viel fehlender Energie (Anzeichen von unsichtbaren Partikeln) führen?

Woher kommt die Antwort "Jets und fehlende Energie"?

Lassen Sie mich zuerst sagen, was Physiker vorhaben, und dann werde ich Ihnen sagen, woher das alles kam.

Folgendes denken sie:


Abb. 2: Zwei Protonen (perspektivische Ansicht) rasen aufeinander zu, und der obere Quark im nahen Proton wird bald mit dem oberen Quark im fernen Proton am Kollisionspunkt kollidieren

Da das Proton aus Quarks, Antiquarks und Gluonen besteht, die starken nuklearen Wechselwirkungen ausgesetzt sind, ist es bei Protonenkollisionen mit dem LHC am einfachsten, Superpartner für sie von allen Superpartnern zu erhalten: Squarks, Antiquarks und Gluino. Zum Beispiel können (in Fig. 2 und 3) bei der Protonenkollision zwei obere Quarks kollidieren und zwei obere Quarks bilden.


Abb. 3: Kollidieren der oberen Quarks mit Abb. 2 erzeugen ein Paar oberer Squarks, von denen jeder fast sofort in den oberen Quark und das Neutralino zerfällt (eine Mischung aus Superpartnern eines Photons, Teilchen von Z und Higgs).

Was wird als nächstes passieren? Wie die meisten Partikel zerfällt der Squark. Wofür? In vielen Varianten der Supersymmetrie zerfallen die Squarks in einen Quark und einen weiteren Superpartner, Neutralino (eine Mischung aus Superpartnern eines Photons, Teilchen von Z und Higgs). Quarks tragen viel Energie und verwandeln sich in Jets, und Neutral fliegen nicht spurlos durch die Detektoren. Dementsprechend sollten wir zwei energiereiche Jets sehen, einen für jeden Quark, und Anzeichen dafür, dass sie von etwas Unsichtbarem und Unentdecktem abprallen.


Abb. 4: jeder energiereiche Quark mit Abb. 3 wird sich in einen Strom von Hadronen verwandeln, und Neutralino wird unverändert davonrutschen

Die Kollision selbst und das Auftreten mit anschließendem Zerfall der Squarks sind in Abb. 1 dargestellt. 3. Die aus dem Kollisionspunkt herausfliegenden Jets und Neutralinos sind in Abb. 3 dargestellt. 4. Was der Detektor wirklich sieht - die einzigen Informationen, die Wissenschaftler erhalten - ist in Abb. 4 dargestellt. 5.

Das offensichtliche Ungleichgewicht in Abb. 5, wo der größte Teil der Substanz nach rechts und oben geht, aber aus unglücklichen historischen Gründen und der Kürze halber nichts nach links und unten geht, wird als "fehlende Energie" bezeichnet. Tatsächlich ist dies „ein fehlender Impuls in Richtungen senkrecht zu den kollidierenden Strahlen“ - der Satz ist lang, was teilweise den Wunsch nach Kürze erklärt.


Abb. 5: Der Detektor am LHC (ATLAS oder CMS) erkennt zwei Jets aus Abb. 4 in Form von lokalisierten elektronischen Signalen, die auftreten, wenn Partikel durch Verfolgungsgeräte gelangen und in einem Energiedetektor anhalten. Zwei Neutralinos hinterlassen keine Spuren, und ihre Anwesenheit kann nur daran gemessen werden, dass nichts von den Jets reflektiert wird.

Wenn stattdessen Gluino-Paare auftreten, unterscheidet sich die Situation geringfügig. Normalerweise zerfällt jeder der beiden Gluinos in einen Quark, einen Antiquark und einen Neutralino, sodass die Detektoren wieder Jets (in diesem Fall vier) zusammen mit der „fehlenden Energie“ der beiden Neutralinos sehen.

Es ist ein solches Bild, das sich Physiker vorstellen, wenn sie Ihre Frage nach der Suche nach Supersymmetrie beantworten. Um zu verstehen, woher es kommt, müssen die zugrunde liegenden Annahmen untersucht werden.

Annahmen, die der Antwort "Jets und fehlende Energie" zugrunde liegen

Wir werden diese logische Reise jetzt machen - sie ist in Abb. 2 dargestellt. 6. Am Ende unserer Tour können Sie bis zu einem gewissen Grad die Stärken und Schwächen dieser Antwort auf Ihre ursprüngliche Frage beurteilen.

Die Logik enthält drei Grundannahmen.

Annahme 1 : Wir gehen davon aus, dass es in der Natur ein zusätzliches Prinzip gibt, das die Supersymmetrie selbst nicht erfordert und nach dem sich in jedem physikalischen Prozess die Anzahl der Superpartner um eine gerade Zahl ändern kann (sein technischer Name ist die Erhaltung der R-Parität ; ich informiere nicht, weil sein Name ist sehr wichtig, aber weil man ihn woanders treffen könnte).

Warum schreiben Theoretiker ein solches Kriterium vor? Ohne Annahme 1 würde die Supersymmetrie die Existenz neuer Wechselwirkungen zwischen Materieteilchen vorhersagen, und normalerweise führen sie zum schnellen Zerfall von Protonen. Und das widerspricht den Daten. Ein Proton ist extrem stabil (glücklicherweise würde uns sogar eine langsame Zerfallsrate von Protonen töten, die Erde schmelzen usw.). Sie können einen Tank mit einer Milliarde Billionen Billionen Protonen nehmen, zehn Jahre warten und kein einziges zerfallendes Proton finden (ja, und die Leute haben es versucht! Dazu benötigen Sie 180.000 Tonnen Wasser). Ohne Annahme 1 Supersymmetrie wären wir also tot.

Wenn jedoch Annahme 1 wahr ist - die R-Parität bleibt erhalten, sind diese neuen Wechselwirkungen verboten. Supersymmetrie plus Erhaltung der R-Parität sagt ein sehr, sehr langlebiges Proton voraus, das (in einem günstigen Fall) den Daten entspricht.

Beachten Sie, dass diese Anforderung zur Wahrung der R-Parität nicht auferlegt wird, da sie Supersymmetrie erfordert oder auf einigen theoretischen Prinzipien basiert. Es wird hinzugefügt, weil die Einhaltung von Daten dies erfordert. Dies ist auch aus theoretischer Sicht eine durchaus vernünftige Anforderung.

Annahme 2 : Von allen Superpartnern in der Natur ist der Partner des Higgs-Partikels der leichteste, und daher ist dies einer der Superpartner in Abb. 1: Gluino, Squark, geladener Slepton, Sneutrino, Chargeino oder Neutralino.

Diese Annahme ist umstritten. Erstens, wenn Supersymmetrie wahr ist, muss das Graviton (der Gravitationsträger) auch einen Superpartner haben, Gravitino - und sein in Abb. 1 nr. Wie schwer ist Gravitino? Wir wissen es nicht. In einigen Versionen der Supersymmetrie ist sie so schwer wie die schwersten Superpartner in Abb. 1, Squark und Gluino. In anderen Versionen ist es viel leichter und kann sogar leichter als ein Elektron sein! Und dies würde die Annahme 2 verletzen.

Oder in der Natur kann es Partikel mit sehr kleinen Massen geben, die wir noch nicht kennen, da sie sehr schwer zu erzeugen oder zu erkennen sind - Partikel, die von keiner der drei Kräfte in Abb. 1 beeinflusst werden. 1, elektromagnetische, schwache oder starke nukleare Wechselwirkungen. Solche Partikel werden üblicherweise als "versteckt" bezeichnet, da sie trotz des geringen Gewichts schwer zu erhalten sind. (Wenn wir über verschiedene Arten von versteckten Partikeln sprechen, werden sie oft als "versteckter Sektor" bezeichnet). Wenn Supersymmetrie wahr ist, haben diese Teilchen auch Superpartner - wie im Artikel über Supersymmetrie erwähnt, ist Supersymmetrie die Symmetrie von Raum und Zeit, daher muss jede Art von Teilchen, die sich in Raum und Zeit bewegt, einen Superpartner haben. Und wenn einer dieser Superpartner leichter ist als der leichteste Superpartner in Abb. 1, dann ist Annahme 2 falsch.

Annahme 2 ist für experimentelle Daten nicht erforderlich. Die besten theoretischen Argumente gegen verborgene Teilchen weisen darauf hin, dass die Natur wahrscheinlich einfach und elegant ist, und da verborgene Teilchen überflüssiger Müll sind, ist die Wahrscheinlichkeit ihrer Existenz gering (ob dieses Argument Sie überzeugt oder nicht, ist Geschmackssache). Das beste Argument gegen leichtes Gravitino ist, dass stabiles Gravitino während des Urknalls viele verschiedene Probleme verursachen kann. Für Annahme 2 gibt es ein weiteres Argument, das damit zusammenhängt, dass der leichteste Superpartner die Rolle der dunklen Materie des Universums spielen kann. Um sie jedoch zu verstehen, müssen wir zunächst einige ihrer zusätzlichen Konsequenzen verstehen, damit wir noch nicht darauf eingehen.

Annahme 3 : Superpartner, die starken nuklearen Wechselwirkungen ausgesetzt sind - Squarks, Antiquarks, Gluinos - sind wahrscheinlich schwer, viel schwerer als andere Superpartner, obwohl sie nicht so schwer sind, dass sie nicht häufig auf dem LHC erscheinen.

Diese Annahme ist prekärer als die beiden anderen - was meinst du mit „schwer“ und „oft“? Aber anstatt mich mit solchen Überlegungen zu befassen, möchte ich einfach sagen, dass sich dies in vielen, vielen Versionen der Supersymmetrie als wahr herausstellt. Theoretische Berechnungen zeigen, dass diese Superpartner, die starken nuklearen Wechselwirkungen ausgesetzt sind, in vielen verschiedenen Fällen schwieriger sind als die meisten anderen. Dies ist jedoch nicht immer der Fall.


Abb. 6: eine logische Kette, die Physiker dazu bringt, durch Kollisionssuche nach Supersymmetrie zu suchen, deren Ergebnisse ähnlich wie in Abb. 1 sind. 5. SP - Superpartner, LSP - die leichtesten Superpartner.

Was folgt aus diesen Annahmen? Einige sehr wichtige Konsequenzen; Verwenden Sie Abb. 6.

Annahme 1 hat drei wesentliche Konsequenzen:

1. Wenn Sie ohne Superpartner starten (was bei einer Kollision von zwei Protonen der Fall ist) und diese nach einer Kollision erhalten, sollten mindestens zwei von ihnen erscheinen. Sie können nicht bei Null anfangen Superpartner und bekommen einen.
2. Wenn Sie einen Superpartner haben und dieser sich auflöst, sollte mindestens ein Superpartner unter den Ergebnissen der Pause sein (vielleicht drei oder fünf, aber fast immer einer). Sie können nicht mit einem Superpartner beginnen und Null bekommen.
3. Der leichteste Superpartner kann nicht zerfallen - es ist ein stabiles Teilchen -, da Teilchen nur in Teilchen mit geringerer Masse zerfallen können. Wenn also der leichteste Superpartner zerfällt, würde dies bedeuten, dass ein Superpartner zu null Superpartnern wird.

Wie großartig! Aus der Supersymmetrie und Erhaltung der R-Parität folgt die Existenz eines noch unbekannten stabilen Teilchens - des leichtesten Superpartners (LSP). Welche Eigenschaften kann ein solches Teilchen haben?

Angenommen, eine elektromagnetische oder starke nukleare Wechselwirkung wirkt auf dieses Teilchen. Dann (i) würden im frühen Universum während des Urknalls viele solcher Teilchen erscheinen; (ii) sie würden die Häufigkeit verschiedener Elemente wie Lithium während des Urknalls beeinflussen, so dass diese Häufigkeit nicht mit den heutigen Beobachtungen übereinstimmt; (iii) sie würden immer noch um das Universum fliegen, einige von ihnen würden mit der Erde kollidieren, exotische Atome erzeugen, die lange durch eine gründliche Suche nach neuen ungewöhnlichen Atomen entdeckt worden wären. Obwohl dies eine längere Diskussion wert ist, ist die Hauptschlussfolgerung, dass jedes neue stabile Teilchen keinen elektromagnetischen und starken nuklearen Wechselwirkungen ausgesetzt werden sollte.

Nun, wenn man dies berücksichtigt, folgt aus Annahme 2? Der leichteste Superpartner kann eines der Neutrinos oder eines der Neutralos sein. Alle anderen Superpartner (Squarks, Sleptons, Chargeino und Gluino) bekannter Partikel sind elektromagnetischen oder starken nuklearen Wechselwirkungen ausgesetzt. Aus technischen Gründen bevorzugen die meisten (aber nicht alle) Experten der Teilchenphysik Modelle, bei denen Neutralino der leichteste Superpartner ist. Es kann ein ausgezeichneter Kandidat für ein Teilchen der Dunklen Materie sein - was ein Argument für Annahme 2 ist. Aber selbst wenn sich das Neutrino als das leichteste herausstellt, bleibt das Argument für das Auffinden von Jets und fehlender Energie mit einigen geringfügigen Änderungen nahezu dasselbe.

Und schließlich legt Annahme 3 nahe, dass es einfach ist, Kürbis und Gluino zu bekommen, und dass sie relativ schwer sind. Dies bedeutet, dass sie mit relativ hoher Energie explodieren; Die Energie und der Impuls der Quarks und Neutralos, in die sie zerfallen, sind groß. Die resultierenden Jets tragen hohe Energien und die fehlende Energie ist groß.

Daher hoffe ich, dass Sie die Idee in Abb. 3, 4 und 5 verstehen können. Wenn Supersymmetrie wahr ist, werden wir logischerweise schwere Squarks und Gluino bekommen; Sie zerfallen in energiereiche Quarks und Neutralos. Quarks werden sich in Form von hochenergetischen Jets manifestieren, die leicht zu erkennen sind, und das Vorhandensein eines Neutralinos, das wir nicht erkennen werden, wird sich aus dem Ungleichgewicht des Impulses der Jets ergeben.

Nun, wir werden schauen und es entweder finden oder nicht. Was weiter?

Wenn wir also eine große Anzahl von Kollisionen mit Jets mit hoher Energie und fehlender Energie sehen, ist dies cool. Vielleicht haben wir Supersymmetrie entdeckt. Eine Warnung: Andere Arten neuer Phänomene können ähnliche Ereignisse hervorrufen - es kann Jahre dauern, und es wird viel Arbeit erforderlich sein, bevor wir das Vertrauen gewinnen, dass wir Supersymmetrie gefunden haben oder dass wir etwas gefunden haben etwas Neues, das auf den ersten Blick wie Supersymmetrie aussieht. Nur dass wir so etwas wie Reis sehen werden. 5 bedeutet nicht, dass wir das erhalten haben, was in Abb. 1 gezeigt ist. 3!

Aber wenn wir kein Übermaß an solchen Ereignissen sehen, bedeutet dies, dass Supersymmetrie definitiv keine Eigenschaft der Natur ist? Bevor wir auf der Grundlage der Interpretation des Ergebnisses des Experiments so weitreichende existenzielle Schlussfolgerungen über das Universum ziehen, sollten wir uns fragen, was mit den drei aufgeführten Annahmen (oder mit einigen nicht so wichtigen, die ich hier nicht gegeben habe) schief gegangen sein könnte. Ich habe Ihnen bereits etwas darüber erzählt, was schief gehen könnte, und obwohl ich nicht darauf eingehen werde, können Sie selbst sehen, dass, wenn wir solche Ereignisse nicht finden, alles, was wir daraus schließen können:

• entweder ist Supersymmetrie keine Eigenschaft der Natur,
• oder Supersymmetrie ist eine Eigenschaft der Natur, aber mit einer der drei Annahmen stimmt etwas nicht.