Cara mencari supersimetri di Large Hadron Collider

Jika di jalan Anda bertanya kepada orang secara acak: "bagaimana cara mencari supersimetri?" maka dia cenderung cepat beralih sisi. Tetapi jika Anda mengajukan pertanyaan ini di jalan di CERN, laboratorium yang mengelola Large Hadron Collider, kemungkinan besar Anda akan mendapatkan sesuatu seperti: "Carilah jumlah tabrakan yang tak terduga dengan jet dan energi yang hilang."

Dan jawaban semacam itu mungkin sudah membuat Anda dengan cepat menyeberang ke seberang jalan. Tapi dia tidak bisa dijelaskan, dia hanya butuh terjemahan. Artinya adalah sebagai berikut:

Penting untuk mencari sejumlah besar tabrakan proton dengan proton, di mana ada tanda-tanda seperti (a) quark, antiquark atau gluon (partikel di dalam proton dan hadron lainnya) yang berasal dari tabrakan dengan energi yang sangat tinggi, seolah-olah dari meriam (dan membuat partikel) , yang disebut " jet "), dan (b) partikel yang tidak dapat didefinisikan, terbang menjauh, dan membawa sejumlah besar momentum dan energi.

Tujuan artikel ini adalah untuk menjelaskan kepada Anda mengapa orang akan memberikan jawaban yang sama, dan apa kekuatan dan kelemahannya.

Informasi awal

Anda perlu membaca artikel tentang apa supersimetri itu dan apa artinya prediksi. Singkatnya: untuk setiap jenis partikel yang kita kenal di alam, untuk supersimetri, diperlukan satu atau dua partikel tambahan, yang biasanya disebut fisikawan sebagai mitra super, yang memiliki sifat serupa, tetapi berbeda dalam satu aspek:

Jika partikel yang telah diketahui oleh kita adalah boson, maka superpartnernya akan menjadi fermion, dan sebaliknya (dalam artikel ini Anda dapat membaca tentang apa boson dan fermion itu).

Untuk menghindari kontradiksi dengan data yang telah diperoleh, supersimetri harus disembunyikan dengan cara yang licik, karena itu perbedaan kedua muncul antara partikel dan superpartnernya:

Massa superpartner lebih besar dari massa partikel yang telah kita ketahui.

Dalam versi supersimetri yang paling populer, superpartner dari setiap partikel yang kita kenal ternyata cukup berat untuk nyaris melampaui kekuatan percobaan sebelumnya, tetapi pada saat yang sama berada dalam kemampuan LHC.


Fig. 1: partikel yang diketahui dan Higgs, serta mitra supernya ( slepton , sneutrino, squarks , gluino , chargeino , dan neutralino ), diprediksi oleh supersimetri. Partikel lebih berat di bagian atas.

Alasan mengapa banyak fisikawan percaya bahwa mitra super mungkin berada dalam kemampuan LHC adalah bahwa mereka percaya bahwa supersimetri dapat menjadi solusi untuk teka-teki yang dikenal sebagai masalah hirarki ukuran . Jika mitra super jauh lebih sulit, maka solusi untuk masalah hierarki harus dicari di tempat lain.

Misalkan fisikawan benar - lalu mengapa kita perlu mencari tabrakan yang mengarah pada munculnya banyak jet (tanda-tanda quark / antiquark / gluon berenergi tinggi) dan sejumlah besar energi yang hilang (tanda-tanda partikel tidak terlihat)?

Dari mana datangnya "jet dan energi yang hilang"?

Pertama izinkan saya memberi tahu Anda apa yang ada dalam pikiran fisikawan, dan kemudian saya akan memberi tahu Anda dari mana semua itu berasal.

Inilah yang mereka pikirkan:


Fig. 2: dua proton (tampilan perspektif) saling berhadapan, dan quark atas di dalam proton dekat akan segera bertabrakan dengan quark atas di dalam proton jauh di titik tumbukan

Karena proton terdiri dari quark, antiquarks, dan gluon, yang tunduk pada interaksi nuklir yang kuat, dalam tabrakan proton dengan LHC dari semua mitra super, paling mudah untuk mendapatkan mitra super untuk mereka: squarks, antiquarks, dan gluino. Misalnya, (dalam Gambar 2 dan 3), dalam tabrakan proton, dua quark atas dapat bertabrakan dan membentuk dua quark atas.


Fig. 3: Bertabrakan dengan quark atas dengan ara. 2 menghasilkan sepasang kuadrat atas, yang masing-masing hampir segera meluruh ke kuark atas dan neutralino (campuran superpartner dari foton, partikel Z dan Higgs).

Apa yang akan terjadi selanjutnya? Seperti kebanyakan partikel, kotak akan membusuk. Untuk apa Dalam banyak varian supersimetri, kuadrat akan terurai menjadi quark dan superpartner lain, neutralino (campuran superpartner foton, partikel Z dan Higgs). Quark membawa banyak energi dan berubah menjadi jet, dan netral tidak terbang melalui detektor tanpa jejak. Dengan demikian, kita harus melihat dua jet berenergi tinggi, satu untuk setiap quark, dan menandakan bahwa mereka memantul dari sesuatu yang tidak terlihat dan tidak terdeteksi.


Fig. 4: setiap quark berenergi tinggi dengan ara. 3 akan berubah menjadi aliran hadron, dan neutralino akan menyelinap tidak berubah

Tabrakan itu sendiri dan penampilan dengan peluruhan kuadrat selanjutnya ditunjukkan pada Gambar. 3. Jet dan neutralino yang terbang keluar dari titik tabrakan ditunjukkan pada Gambar. 4. Apa yang benar-benar dilihat oleh detektor - satu-satunya informasi yang diterima oleh para ilmuwan - ditunjukkan pada Gambar. 5.

Ketidakseimbangan yang terlihat pada gambar. 5, di mana sebagian besar substansi bergerak ke kanan dan ke atas, tetapi tidak ada yang bergerak ke kiri dan ke bawah, karena alasan historis yang disayangkan dan untuk singkatnya disebut "energi yang hilang". Sebenarnya, ini adalah "dorongan yang hilang ke arah tegak lurus terhadap sinar yang bertabrakan" - frasa itu panjang, yang sebagian menjelaskan keinginan untuk singkat.


Fig. 5: detektor pada LHC (ATLAS atau CMS) akan mendeteksi dua jet dari Gambar. 4 dalam bentuk sinyal elektronik lokal yang muncul ketika partikel melewati alat pelacak dan berhenti dalam detektor energi. Dua neutralino tidak meninggalkan jejak, dan keberadaan mereka dapat dinilai hanya dengan tidak adanya apa pun yang tercermin dari jet.

Jika pasangan gluino muncul sebagai gantinya, situasinya akan sedikit berbeda. Biasanya, masing-masing dari dua gluino akan membusuk menjadi quark, antiquark, dan neutralino, sehingga detektor akan kembali melihat jet (dalam kasus ini empat), bersama dengan "energi yang hilang" dari dua neutralino.

Ini adalah gambaran yang dibayangkan oleh fisikawan ketika mereka menjawab pertanyaan Anda tentang pencarian supersimetri. Untuk memahami dari mana asalnya, perlu untuk mempelajari asumsi yang mendasarinya.

Asumsi yang mendasari respons "jet dan energi yang hilang"

Kita akan melakukan perjalanan logis ini sekarang - diilustrasikan pada Gambar. 6. Di akhir tur kami, Anda akan, sampai batas tertentu, dapat menilai kekuatan dan kelemahan jawaban ini untuk pertanyaan awal Anda.

Tiga asumsi dasar termasuk dalam logika.

Asumsi 1 : kami berasumsi bahwa ada prinsip tambahan di alam bahwa supersimetri itu sendiri tidak memerlukan, dan yang menurutnya dalam proses fisik apa pun jumlah mitra super dapat berubah dengan angka genap (nama teknisnya adalah konservasi R-parity ; saya informasikan bukan karena namanya sangat penting, tetapi karena Anda bisa bertemu dengannya di tempat lain).

Mengapa ahli teori memaksakan kriteria seperti itu? Tanpa asumsi 1, supersimetri akan memprediksi keberadaan interaksi baru antara partikel-partikel materi, dan biasanya mereka mengarah pada peluruhan proton yang cepat. Dan ini bertentangan dengan data. Proton sangat stabil (untungnya, bahkan tingkat peluruhan proton yang lambat akan membunuh kita, melelehkan Bumi, dll.). Anda dapat mengambil tangki dengan triliunan triliunan proton, menunggu sepuluh tahun, dan tidak menemukan satu pun proton yang membusuk (ya, dan orang-orang mencoba melakukan ini! Untuk ini, Anda memerlukan 180.000 ton air). Jadi tanpa asumsi 1 supersimetri dan kita akan mati.

Tetapi jika asumsi 1 benar - R-paritas dipertahankan, maka interaksi baru ini dilarang. Supersimetri ditambah konservasi R-paritas memprediksi proton yang sangat, sangat berumur panjang, yang sesuai (dalam kasus yang menguntungkan) dengan data.

Perhatikan bahwa persyaratan untuk mempertahankan R-parity ini tidak dikenakan karena memerlukan supersimetri, atau berdasarkan pada beberapa prinsip teoretis. Ini ditambahkan karena kepatuhan dengan data memerlukannya. Ini juga merupakan persyaratan yang sangat masuk akal dari sudut pandang teoritis.

Asumsi 2 : Dari semua mitra super di alam, mitra partikel Higgs akan menjadi yang paling ringan, dan karenanya ini adalah salah satu mitra super di Gambar. 1: gluino, squark, slepton yang dibebankan, sneutrino, chargeino atau neutralino.

Asumsi ini masih bisa diperdebatkan. Pertama, jika supersimetri benar, maka graviton (pembawa gravitasi) juga harus memiliki pasangan super, gravitino - dan pada Gambar. 1 no. Seberapa berat gravitino? Kami tidak tahu. Dalam beberapa versi supersimetri, itu seberat mitra super terberat di Gambar. 1, kotak dan gluino. Dalam versi lain, ini jauh lebih ringan, dan bahkan mungkin lebih ringan daripada elektron! Dan ini akan melanggar asumsi 2.

Atau di alam mungkin ada partikel dengan massa yang sangat kecil, yang belum kita ketahui, karena mereka sangat sulit untuk dibuat atau dideteksi - partikel yang tidak terpengaruh oleh salah satu dari tiga kekuatan pada Gambar. 1, interaksi nuklir elektromagnetik, lemah atau kuat. Partikel seperti itu biasanya disebut "tersembunyi", karena fakta bahwa mereka sulit diperoleh, meskipun beratnya rendah. (Jika kita berbicara tentang beberapa jenis partikel tersembunyi, mereka sering disebut "sektor tersembunyi"). Jika supersimetri benar, partikel-partikel ini juga memiliki superpartner - sebagaimana disebutkan dalam artikel tentang supersimetri, supersimetri adalah simetri ruang dan waktu, sehingga semua jenis partikel yang bergerak di ruang dan waktu harus memiliki superpartner. Dan jika salah satu dari mitra super ini lebih ringan daripada mitra super paling ringan di ara. 1, maka anggapan 2 salah.

Asumsi 2 tidak diperlukan oleh data eksperimen. Argumen teoretis terbaik terhadap partikel-partikel tersembunyi menunjukkan bahwa alam cenderung sederhana dan anggun, dan karena partikel-partikel tersembunyi adalah sampah berlebihan, probabilitas keberadaannya rendah (apakah argumen ini meyakinkan Anda atau tidak adalah soal selera). Argumen terbaik terhadap gravitino cahaya adalah bahwa gravitino stabil dapat menyebabkan banyak masalah selama Big Bang. Dalam mendukung asumsi 2, ada argumen lain yang terkait dengan fakta bahwa super partner teringan dapat memainkan peran materi gelap Alam Semesta, tetapi untuk memahaminya, pertama-tama kita harus memahami beberapa konsekuensi tambahannya, jadi kita belum akan membahasnya.

Asumsi 3 : mitra super yang tunduk pada interaksi nuklir yang kuat - kuadrat, antiquark, gluino - kemungkinan besar berat, jauh lebih berat daripada mitra super lainnya, meskipun tidak terlalu berat untuk tidak sering muncul di LHC.

Asumsi ini lebih berbahaya daripada dua lainnya - apa maksud Anda "berat" dan "sering"? Tetapi alih-alih menggali pertimbangan seperti itu, saya hanya akan mengatakan bahwa dalam banyak, banyak versi supersimetri, ini ternyata benar. Perhitungan teoritis menunjukkan bahwa dalam banyak kasus yang berbeda, mitra super ini yang terpapar dengan interaksi nuklir yang kuat lebih sulit daripada kebanyakan yang lain. Tapi ini tidak selalu terjadi.


Fig. 6: rantai logis yang mengarahkan fisikawan untuk mencari supersimetri melalui pencarian tabrakan, yang hasilnya mirip dengan Gambar. 5. SP - mitra super, LSP - mitra super paling ringan.

Apa yang mengikuti dari asumsi ini? Beberapa konsekuensi yang sangat penting; untuk melacak rantai, gunakan ara. 6.

Asumsi 1 memiliki tiga konsekuensi utama:

1. Jika Anda memulai tanpa pasangan super (yang terjadi dalam kasus tabrakan dua proton), dan mendapatkan mereka setelah tabrakan, maka setidaknya dua dari mereka akan muncul. Anda tidak dapat memulai dari mitra super awal dan mendapatkan satu.
2. Jika Anda memiliki pasangan super dan putus, harus ada setidaknya satu mitra super di antara hasil istirahat (mungkin tiga atau lima, tetapi hampir selalu satu). Anda tidak dapat memulai dengan satu mitra super dan mendapatkan nol.
3. Superpartner teringan tidak dapat membusuk - ini adalah partikel yang stabil - karena partikel hanya dapat meluruh menjadi partikel dengan massa lebih kecil, jadi jika superpartner teringan membusuk, itu berarti bahwa satu superpartner berubah menjadi nol superpartner.

Luar biasa! Dari supersimetri dan konservasi paritas-R, ia mengikuti keberadaan partikel stabil yang belum diketahui - superpartner teringan (LSP). Sifat apa yang bisa dimiliki partikel semacam itu?

Misalkan interaksi elektromagnetik atau nuklir yang kuat bekerja pada partikel ini. Kemudian (i) di Alam Semesta awal, selama Big Bang, banyak partikel seperti itu akan muncul; (ii) mereka akan mempengaruhi kelimpahan berbagai elemen, seperti lithium, selama Big Bang, sehingga kelimpahan ini tidak akan konsisten dengan pengamatan hari ini; (iii) mereka masih akan terbang mengelilingi Semesta, beberapa dari mereka akan bertabrakan dengan Bumi, menciptakan atom-atom eksotis, yang telah lama ditemukan dengan pencarian atom-atom baru yang tidak biasa. Meskipun ini layak untuk dibahas lebih lama, kesimpulan utamanya adalah bahwa setiap partikel stabil baru tidak boleh terkena interaksi nuklir yang kuat secara elektromagnetik dan kuat.

Nah, dengan mempertimbangkan ini, mengikuti dari Asumsi 2? Mitra super paling ringan bisa menjadi salah satu dari neutrino atau salah satu dari netral. Semua mitra super lainnya (kuadrat, slepton, chargeino, dan gluino) dari partikel yang diketahui terpapar dengan interaksi nuklir yang kuat secara elektromagnetik atau kuat. Untuk alasan teknis, sebagian besar (tetapi tidak semua) pakar fisika partikel lebih memilih model yang netralino berfungsi sebagai mitra super teringan. Ini bisa menjadi kandidat yang sangat baik untuk partikel materi gelap - yang merupakan argumen yang mendukung Asumsi 2. Tetapi bahkan jika neutrino ternyata paling ringan, argumen yang mendukung pencarian jet dan energi yang hilang tetap hampir sama, dengan beberapa perubahan kecil.

Dan akhirnya, Asumsi 3 menunjukkan bahwa mendapatkan squash dan gluino itu mudah, dan itu relatif berat. Ini berarti mereka meledak dengan energi yang relatif tinggi; energi dan momentum yang dibawa oleh quark dan neutralos ke mana mereka membusuk sangat bagus. Jet yang dihasilkan akan membawa energi tinggi, dan energi yang hilang akan besar.

Oleh karena itu, saya harap Anda dapat memahami ide dalam Gambar 3, 4 dan 5. Jika supersimetri benar, maka, secara logis, kita akan mendapatkan kuadrat dan gluino yang berat; mereka akan membusuk menjadi quark berenergi tinggi dan neutralos; quark akan memanifestasikan dirinya dalam bentuk jet berenergi tinggi yang mudah dideteksi, dan kehadiran neutralino, yang tidak akan kita deteksi, akan mengikuti dari ketidakseimbangan momentum jet.

Baiklah, kita akan melihat, dan menemukannya atau tidak. Apa selanjutnya

Karena itu, jika kita melihat sejumlah besar tabrakan dengan jet berenergi tinggi dan kehilangan energi, maka ini keren; mungkin kami menemukan supersimetri. Namun, PERINGATAN: jenis lain dari fenomena baru dapat membuat peristiwa serupa - mungkin perlu waktu bertahun-tahun, dan banyak pekerjaan akan diperlukan sebelum kita mulai mendapatkan kepercayaan bahwa kita telah menemukan supersimetri, atau bahwa kita telah menemukan sesuatu sesuatu yang baru yang terlihat seperti supersimetri pada pandangan pertama. Hanya saja kita akan melihat sesuatu seperti nasi. 5 tidak akan berarti bahwa kami telah menerima apa yang diperlihatkan dalam gambar. 3!

Tetapi jika kita tidak melihat kelebihan peristiwa seperti itu, apakah ini berarti supersimetri jelas bukan milik alam? Sebelum membuat kesimpulan eksistensial yang begitu luas tentang Semesta berdasarkan interpretasi hasil percobaan, kita harus bertanya pada diri sendiri apa yang bisa salah dengan tiga asumsi yang terdaftar (atau dengan beberapa yang tidak begitu penting yang tidak saya berikan di sini). Saya sudah memberi tahu Anda sesuatu tentang apa yang bisa salah, dan meskipun saya tidak akan membahas ini, Anda dapat melihat sendiri bahwa jika kita tidak menemukan peristiwa seperti itu, maka semua yang dapat kita simpulkan dari ini:

• baik supersimetri bukan milik alam,
• atau supersimetri adalah sifat alami, tetapi ada yang salah dengan salah satu dari tiga asumsi.