Czy wiat jest supersymetryczny? Jeli tak, w eksperymentach przeprowadzanych przy akceleratorze LHC powinnimy odkry nowe rodziny czstek elementarnych, odmienne od tych, ktre znalimy do tej pory

ZYGMUNT AJDUK STEFAN POKORSKI

ODKRYCIE elektronu i promieniotwrczoci naturalnej na przeomie XIX i XX wieku odsonio przed nami nowy wiat subatomowych czstek i ich oddziaywa. Na pocztku XXI wieku, wraz z uruchomieniem Wielkiego Zderzacza Hadronw LHC w laboratorium Europejskiej Organizacji Bada Jdrowych (CERN), rwnie spodziewamy si odkry wiat nieznanej dotd materii i nowych oddziaywa. Przemawiaj za tym zarwno argumenty teoretyczne, wynikajce z obecnej teorii oddziaywa elementarnych, jak i empiryczne z astrofizycznych danych dowiadczalnych i kosmologii. Najbardziej atrakcyjn form nowej materii, ktra moe si pojawi w LHC, wydaj si czstki su- persymetryczne.

Fizyka oddziaywa elementarnych jest naturaln kontynuacj bada prowadzonych od wiekw. Grawitacja, najwczeniej poznane oddziaywanie elementarne, zostaa skodyfiko- wana (w postaci prawa powszechnego

teorii

fizycznych

z ! i

"#$

Ajduk fizyk

i

cienia) przez Isaaca Newtona w XVII wieku. Nastpnie zbadano oddziaywania elektryczne i magnetyczne. W osigniciu tym miao udzia wielu badaczy, ale kropk nad i postawili w XIX wieku Michael Faraday i James Maxwell. Ten pierwszy wprowadzi pojcie pola si, drugi w formie synnych rwna Maxwella poda teori zunifikowanych oddziaywa elektrycznych i magnetycznych (elektromagnetycznych). Kolejnym kamieniem milowym bya hipoteza Einsteina z 1905 roku o istnieniu fotonu - kwantu pola elektromagnetycznego. Dzisiaj wiemy, e pola i czstki to rny opis tej samej rzeczywistoci fizycznej: oddziaywania zachodz przez wymian czstek!

Pod koniec XIX wieku - wraz z odkryciem promieniotwrczoci naturalnej przez Henriego Becquerela, Mari Skodowsk-Curie i Piotra Curie - zacz si nowy rozdzia w fizyce. Odkryto dwa nowe typy oddziaywa elementarnych: sabe i silne. Obecnie rozdzia ten zosta (prawie) zamknity, gdy oddziaywania silne, sabe i elektromagnetyczne

zostay szczegowo zbadane i zrozumiane w ramach teorii zwanej Modelem Standardowym.

Na Model Standardowy skada si chromodynamika kwantowa, bdca teori oddziaywa silnych, oraz zunifikowana teoria oddziaywa elektromagnetycznych i sabych, nazywana te teori oddziaywa elektro- sabych. W oddziaywaniach sabych nonikami si s nie fotony, lecz masywne czstki - bozony W+ i Z0. Model Standardowy opisuje oddziaywania wszystkich znanych nam czstek elementarnych dla dotychczas zbadanego zakresu energii poniej 0,1 TeV wiat skada si tu z czstek o spinie 1/2 - nazywanych polami materii i tworzcych trzy rodziny leptonw i antyleptonw oraz trzy rodziny kwarkw i antykwarkw - oraz z czstek o spinie 1, okrelanych jako pola si lub bozony poredniczce. Bozonami tymi s: foton, bozony W i Z0 oraz gluony (noniki oddziaywa silnych).

Mogoby si wydawa, e niezerowe masy bozonw W oraz Z s w sprzecznoci z zerow mas fotonu. Jest to jednak konsekwencja

pewnej podstawowej waciwoci oddziaywa elektrosabych, zwanej spontanicznym naruszeniem symetrii: w stanie o mniejszej energii ukad ma nisz symetri ni w stanie o energii wikszej. Spontaniczne naruszenie symetrii w najprostszej wersji wymaga istnienia czstki o spinie 0, zwanej bozonem Higgsa, ostatniego niepotwierdzonego dowiadczalnie elementu Modelu Standardowego. Bozon Higgsa byby jedyn czstk elementarn o spinie 0, co ma gbokie konsekwencje teoretyczne. Spontaniczne naruszenie symetrii jest waciwoci stanu podstawowego, a wic prni. Prnia jest najprawdopodobniej nieskoczonym rezerwuarem czstek o zerowym spinie, ktre oddziaujc z bozonami W i Z oraz z fermionami, nadaj im niezerowe masy. Teoria oddziaywa elektrosabych wprowadza wic hipotez istnienia pitego oddziaywania elementarnego, zwizanego z polem Higgsa i odpowiedzialnego za masy czstek.

Mimo sukcesw Modelu Standardowego bez odpowiedzi pozostaj wane pytania. Jak za pomoc

bardziej podstawowych zaoe i parametrw wyrazi wartoci mas bozonw W i Z (czyli skali masowej rnicujcej oddziaywania sabe i elektromagnetyczne)? W Modelu Standardowym pochodzenie masy wyjaniono przez spontaniczne naruszenie symetrii lecej u podstaw teorii elektrosabej, ale sama skala masy jest wolnym parametrem, wyznaczanym dowiadczalnie. Rwnie istotne pytania dotycz Wielkiej Unifikacji oddziaywa silnych i elektrosabych, a take unifikacji wszystkich oddziaywa elementarnych, cznie z grawitacj.

%!&Zasadnicz trudnoci teoretyczn przy prbach odpowiedzi na te pytania w ramach Modelu Standardowego jest ogromna rozpito midzy masami bozonw W i Z a nastpn znan skal masy, czyli wyznaczon przez oddziaywania grawitacyjne mas Plancka Mp Stosunek (hierarchia) tych mas Mp/Mw,z jest rzdu ~1017, co jest bardzo zaskakujce. Dlaczego? Przy przejciu od fizyki

atomowej przez jdrow do oddziaywa elektrosabych pojawiaj si nowe, coraz wysze skale fizyczne, ale nastpuje to stopniowo, tzn. skale te nie rni si a o tyle rzdw wielkoci. Dziki temu mona wyjania zjawiska fizyczne zachodzce w pewnej skali energii, wychodzc z teorii obowizujcej przy tylko nieco wyszych skalach. Istnienie czstek o skali masy troch wyszej od mas bozonw W i Z pozwolioby zapewne przewidzie te masy w ramach teorii nieco gbszej od Modelu Standardowego. Gdy dysponujemy wycznie skal Plancka, wiksz a 10 razy, zadanie to jest niewykonalne. Nowe czstki,o charakterystycznej skali masowej1 TeV/c2, mog by odkryte w LHC. Taka skala mas, jak za chwil zobaczymy, byaby najbardziej naturalna dla wyjanienia wartoci mas bozonw W i Z.

Postp w rozumieniu praw fundamentalnych, ktrego zwieczeniem jest Model Standardowy, pozwala nam na coraz lepsze zrozumienie historii Wszechwiata. Zwizek midzy tymi

SPIN A BOZONY I FERMIONY

pozornie tak odlegymi dziedzinami opiera si na istotnym fakcie empirycznym: Wszechwiat si rozszerza! Kiedy by bardzo may i bardzo gorcy, a obecne w nim czstki zderzay si z ogromnymi energiami, co oznacza, e zachodzce procesy byy konsekwencj praw fizyki oddziaywa elementarnych. Dlatego oddziaywania silne, sabe i elektromagnetyczne, opisane przez Model Standardowy, s odpowiedzialne za powstawanie jder atomowych (nukleosyntez) i obojtnych atomw. Standardowy Model Kosmologiczny razem z Modelem Standardowym oddziaywa elementarnych daje zgodny z obserwacjami opis historii Wszechwiata, poczwszy od jednej miliardowej sekundy po Wielkim Wybuchu.

Nawet niewielka zmiana w opisanej przez Model Standardowy fizyce oddziaywa elementarnych miaaby dramatyczne skutki dla nukleosyntezy. Jeli liczba rodzajw neutrin byaby inna (rna od trzech) lub jeli oddziaywania sabe byyby jeszcze sabsze (np. gdyby bozony W i Z miay wiksze masy), zmieniby si take stosunek liczby neutronw do liczby protonw powstaych po Wielkim Wybuchu i obserwowalibymy inne iloci poszczeglnych pierwiastkw. Fakt, e obserwacje rozpowszechnienia lekkich pierwiastkw zgadzaj si z przewidywaniami, jest wanym potwierdzeniem, e Model Standardowy to doskonaa teoria dla czstek o energiach poniej 0,1 TeV.

Istniej jednak zagadkowe fakty kosmologiczne zwizane z procesami, ktre musiay zaj przed nukleosyntez: brak antymaterii we Wszechwiecie, istnienie ciemnej materii i ciemnej energii prni oraz obecno tylko niewielkich niejednorodnoci energii w niezwykle jednorodnym

(

$() *+$!!$,-*. +! / !0-

1 /-$0,23455647+8$

Wszechwiecie. Zwaszcza ciemna materia jest silnym argumentem empirycznym za uoglnieniem Modelu Standardowego, tak aby znalazo si w nim na ni miejsce. Co ciekawe, oszacowania masy czstek ciemnej materii wskazuj na skal energii rzdu 1 TeV, co rozwizywaoby problem hierarchii mas.

*Znamy zaledwie (a?) kilka spjnych koncepcji teoretycznych rozszerzenia Modelu Standardowego. Najciekawsz i najbardziej eleganck jest koncepcja istnienia dodatkowej, wci hipotetycznej symetrii w przyrodzie, zwanej supersymetri. Jej obecno oznaczaaby, e prawa fizyki mikrowiata, w tym wszystkie waciwoci czstek elementarnych, pozostan niezmienione, gdy w rwnaniach zamienimy fermiony na bozony i odwrotnie. Taka symetria oznaczaaby istnienie nowego wiata czstek - supersymetrycznych partnerw znanych fermionw i bozonw poredniczcych. Dla kadego kwarka i leptonu istniaby odpowiedni skwark i slepton o spinie 0; dla fotonu, bozonw W i Z, gluonu oraz bozonu Higgsa mielibymy odpowiednio fotino, wuino, zetino, gluino i higgsino o spinie 1/2. Czstki te nie mog mie identycznych waciwoci jak znane czstki, np. ich masy musz by wiksze od mas dotychczasowych czstek - i to na tyle, aby uzasadni fakt, e nie powstaj one w dowiadczeniach przeprowadzanych przy obecnie dostpnych

energiach. Supersymetria nie moe wic by symetri cis, lecz jedynie przyblion.

Supersymetria jest symetri szczegln, gdy jest symetri midzy bozonami i fermionami, czyli czstkami o rnych spinach. Symetrie Modelu Standardowego nie maj tej waciwoci: s to symetrie czce czstkio takich samych spinach, lecz o rnych adunkach elektrycznych, sabych i silnych. Poniewa spin czstki jest skadow jej cakowitego momentu pdu, supersymetria jest zarazem szczegln symetri czasu i przestrzeni. W jej zawansowanej wersji lokalnej, zwanej teori supergrawitacyjn, pojawiaj si oddziaywania grawitacyjne jako niezbdne to dla oddziaywa Modelu Standardowego.

!Teorie pola ze cis supersymetri s pikne z matematycznego punktu widzenia. Nic dziwnego, e byy badane, zanim odkryto ich potencjalne znaczenie dla fizyki oddziaywa elementarnych. Dla nas interesujcy jest realistyczny przypadek supersymetrii jako symetrii przyblioneji jej znaczenie dla zrozumienia waciwoci wiata czstek elementarnych oraz moliwoci jej dowiadczalnego odkrycia w LHC. Przykadem takiej teorii jest supersymetryczny model standardowy - najprostsza wersja teorii supersymetrycznej, zgodna z dostpnymi wynikami dowiadcze i jednoczenie rozwizujca problemy Modelu Standardowego. Masy czstek

91:;9?%*@

%""#

%""#