Supersymmetria

Supersymmetria (SUSY) on hiukkasfysiikassa ehdotettu teoria. Sen mukaan jokaisella bosoneihin ja fermioneihin kuuluvalla hiukkasella on superkumppani, "superpartneri": jokaista fermionia kohden on olemassa bosoni sfermioni ja jokaista bosonia kohden on olemassa fermioni bosino. Jos teoria olisi rikkoutumaton, superkumppaneilla pitäisi olla sama massa.
Yhtään supersymmetriateorian ennustamaa hiukkasta ei ole havaittu, mutta se on yksi varteenotettavimpia hiukkasfysiikan standardimallia täydentäviä teorioita supersäieteorian ohella.

Minimaalinen supersymmetrinen standardimalli (MSSM)

Hiukkasfysiikan standardimallin minimaalinen supersymmetrinen laajennus sisältää standardimallin hiukkasten lisäksi jokaiselle hiukkaselle supersymmetrisen partnerin, kuitenkin niin, että sekä fermioneilla että bosoneilla on yhtä monta vapausastetta. Siten esim. kunkin kvarkin kahta spintilaa vastaa kaksi spin-nolla superpartneria (vasen skvarkki sekä oikea skvarkki).
Lisäksi standardimallin yhden Higgsin bosoni -dubletin lisäksi on otettava toinen dubletti, jotta saadaan massat kaikille kvarkeille ja teoria ei sisällä ns. anomalioita. Tällöin sähköheikon vuorovaikutuksen symmetriarikon jälkeen malli sisältää viisi fysikaalista Higgsin hiukkasta. Bosoniset superpartnerit on nimetty lisäämällä hiukkasen nimen alkuun s-kirjain (tulee sanasta skalaari). Esimerkiksi kvarkin superpartneri on skvarkki, joka on bosoni. Vastaavasti neutriinon partneri on sneutriino, myonin smyoni, taun stau ja niin edelleen. Fermioniset superpartnerinimet johdetaan vastaavasta standardimallin nimestä lisäämällä pääte -ino. Esimerkiksi Higgsin bosonin superpartneri on nimeltään higgsino, joka siis on fermioni.
Vaikka hiukkasten superpartnereita ei toistaiseksi ole onnistuttu löytämään, ei tämä välttämättä ole osoitus teorian paikkansapitämättömyydestä. Epäillään, että superhiukkasten tuottamiseen tarvittaisiin niin korkeaenergisiä törmäyksiä, ettei niitä pysty havaitsemaan nykyisillä hiukkaskiihdyttimillä. CERNiin rakennetun Large Hadron Collider -hiukkaskiihdyttimen eräs tehtävä on supersymmetrian tutkiminen.

Kevein supersymmetrinen hiukkanen

Tavallisimmin oletetaan, että supersymmetriset hiukkaset esiintyvät hiukkasreaktiossa pareittain. Esimerkiksi, jos reaktion alussa reaktioon osallistuu yksi supersymmetrinen hiukkanen, reaktion lopussa on myös oltava jäljellä pariton määrä supersymmetrisiä hiukkasia (tavallisimmin yksi), jolloin reaktion supersymmetristen hiukkasten kokonaislukumäärä on parillinen.
Koska hiukkaset voivat hajota vain kevyemmiksi hiukkasiksi, kevyin supersymmetrinen hiukkanen (LSP, Lightest Supersymmetric Particle) ei voi enää hajota; sen täytyy olla stabiili. Tämän takia kevein supersymmetrinen hiukkanen on erityisasemassa. LSP saattaa muodostaa pimeän aineen, joka on havaittu galakseissa ja jota ei voida selittää standardimallin hiukkasilla. LSP voi reagoida toisen LSP:n tai supersymmetrisen hiukkasen kanssa, jolloin reaktion lopussa ei tarvitse enää olla supersymmetrisiä hiukkasia. Tällaisen reaktion todennäköisyys on kuitenkin suhteellisen pieni, joten kaikki LSP:t eivät ole annihiloituneet tähän päivään mennessä.
Koska supersymmetriaa ei ole kokeellisesti havaittu, ei voida varmuudella sanoa, onko tällainen supersymmetrinen pariteetti (R-pariteetti) todella olemassa. R-pariteetin rikkovissa malleissa superpartnerit voivat esiintyä myös parittomina, jolloin LSP:kään ei enää ole absoluuttisesti stabiili. Jotta LSP voisi edelleen olla pimeän aineen kandidaatti, sen elinajan tulee olla maailmankaikkeuden tämänhetkisen eliniän suuruusluokkaa.
Koska supersymmetria ennustaa identtiset massat standardimallin hiukkasen sekä sen supersymmetrisen partnerin välille, täytyy supersymmetrian olla rikkoutunut symmetria (sillä esimerkiksi elektronin massaista selektronia ei ole havaittu). Teoreettisesti on hankala löytää sopivaa mekanismia supersymmetrian rikkomiseksi. Osittain tästä syystä on olemassa useita malleja, joissa supersymmetrian rikkomekanismi vaihtelee. Kussakin mallissa hiukkasten massaspektri on erilainen. Lisäksi tuntemattomat mallin parametrit muuttavat massaspektriä kunkin mallin sisällä. Tästä syystä ei osata ennustaa, mikä supersymmetrisistä hiukkasista on LSP.