10. Суперсимметрия

Объединение всех четырех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию, как полагают, должно происходить при энергиях на 3-4 порядка выше точки Великого Объединения, т.е. при энергиях 10¹⁹ ГэВ. Эту энергию называют планковской и она получается следующей комбинацией трех мировых констант (гравитационой постоянной G, постоянной Планка и скорости света c)

1.210¹⁹ ÃýÂ. (13.36)

` Планковской энергии отвечает планковская масса m_Pl= ==1.210¹⁹ и планковская длина ñì.

При планковской энергии к трем уже объединенным при более низких энергиях сильному, электромагнитному и слабому взаимодействиям присоединяется гравитационное, образуя единое универсальное взаимодействие. Теоретические модели, посвященные такого рода объединению, имеют дело с суперсимметрией (SUSY) - симметрией между фермионами и бозонами (модели Великого Объединения рассматривали симметрию между кварками и лептонами). Этой новой более высокого ранга симметрии отвечает инвариантность к преобразованию, изменяющему спин частицы. Любая модель Великого Объединения может быть расширена за счет включения в не¸ суперсимметрии.

В SUSY-моделях фермионы и бозоны собраны в супермультиплеты. Симметрия между фермионами и бозонами в супермультиплете такова, что каждый фермион имеет партнером бозон и наоборот. При этом число фундаментальных частиц практически удваивается - у каждого фундаментального фермиона (кварка или лептона) появляется бозонный партнер с нулевым спином (называемый скварком или слептоном). В свою очередь каждый известный бозон (фотон, глюон, W, Z) и хиггс имеет фермионного партнера (соответственно, фотино, глюино, вино, зино, хиггсино). Основные SUSY-партнеры перечислены в табл.13.3. Суперчастицы 3, 7, 8 часто называют нейтралино. Самая легкая из суперчастиц должна быть стабильна. Такие частицы могут составлять основную часть невидимой (темной) материи Вселенной (Лекция 14).

При точной суперсимметрии SUSY-партнеры имеют одинаковые массы. Пока не найдено ни одной суперсимметричной частицы (их поиск - важная задача физики высоких энергий), что свидетельствует о нарушении суперсимметрии. Масштаб этого нарушения определяет массы суперчастиц.

На пути создания единой теории всех взаимодействий должна быть решена и задача построения последовательной теории гравитации, соединяющей принципы квантовой теории поля и суперсимметрии. Возможно, решение проблемы будет достигнуто в теории суперструн - гипотетических одномерных объектов, имеющих линейные размеры порядка планковской длины (10^-33 см) и натяжение (энергию на единицу длины) планковского масштаба.

Таблица 13.3

Основные susy-партнеры

¹	частица	ñïèí	SUSY-партнер	ñïèí
1.	кварк	1/2	скварк	0
2.	лептон	1/2	слептон	0
3.	нейтрино	1/2	снейтрино	0
4.	фотон	1	фотино	1/2
5.	глюон	1	глюино	1/2
6.	W-бозон	1	âèíî	1/2
7.	Z-бозон	1	çèíî	1/2
8.	хиггс	0	хиггсино	1/2
9.	гравитон	2	гравитино	3/2

Ниже планковской энергии теория суперструн не отличается от суперсимметричной квантовой теории поля с точечными фермионами. Струнная природа частиц должна проявляться при энергиях выше планковской. Минимальная размерность пространства-времени, в котором может быть построена теория суперструн, равна 10 - временная координата и 9 пространствен-ных. Это пространство при энергиях ниже планковской должно “свертываться” (компактифицироваться) в наблюдаемое четырех-мерное пространство-время.

Таким образом, в рассмотренных теоретических концепциях предсказывается объединение всех фундаментальных взаимо-действий в единое универсальное взаимодействие при энергиях выше планковской (10¹⁹ ГэВ). Такие энергии соответствуют характерным расстояния <10^-33 см. Единому взаимодействию отвечает наивысшая симметрия. С уменьшением энергии симметрия в системе частиц снижается путем е¸ последовательного спо-нтанного нарушения. При этом от единой силы “отщепляются” е¸ отдельные хорошо нам известные составляющие - гравитационная, сильная, слабая и электромагнитная (рис.13.9).

Ðèñ. 13.9

Фантастические энергии Великого Объединения (10¹⁵-10¹⁶ ГэВ) и планковской энергии (10¹⁹ ГэВ) исключают полноценную проверку вышеупомянутых концепций в ускорительных экспери-ментах. Даже если построить сверхпроводящее ускорительное кольцо с диаметром, равным диаметру Земли, то протон можно будет ускорить лишь до 10⁸ ГэВ (синхротронное излучение не позволит превысить этот предел). В то же время достигнутые на сегодняшний день энергии ускорителей позволяют, например, искать бозоны Хиггса и суперсимметричные частицы. Среди “неускорительных” экспериментов можно выделить опыты по поиску монополей Дирака и распада протона. Определенные надежды связаны с тем, что Вселенная должна была пройти все стадии, показанные на рис.13.9, в процессе своего охлаждения после Большого Взрыва (моменты достижения этих стадий после Большого Взрыва указаны в секундах на рис.13.9).

Таким образом, должна возникать прямая связь между физикой частиц сверхвысоких энергий и космологией. Установление этой связи позволяет выявить те объекты нынешней Вселенной, которые несут “следы” е¸ самого раннего горячего состояния, и возможно дадут недостающие подтверждения справедливости единых теорий.