XXXV. Суперсимметрия

Есть одна история, которая распространена повсеместно. По крайней мере, до недавнего времени этот рассказ моряков можно было услышать повсюду, от самых шумных набережных до элегантных гостиных, в которых проводят свое время владельцы кораблей. Это суперсимметрия. О, это соблазнительная история! Она сразу же предлагает множество вещей для доверчивого, восторженного и охочего до новизны путешественника.

Например, суперсимметрия предлагает вниманию слушателей темную материю. Суперсимметрия основывается на необычайном успехе принципов симметрии в физике, которые мы наблюдали довольно часто в наших последних путешествиях.

Суперсимметрия задает новую симметрию, на этот раз между бозонами (переносчиками взаимодействий) и фермионами (которые составляют материю). Для каждого бозона с единичным спином существует «суперпартнер» с полуцелым спином: фотино для фотона, глюино для глюона, зино для Z-бозона и довольно неудачное вино для W-бозона. Партнеры фермионов имеют нулевой спин: селектроны, смюоны, скварки и др.

Суперсимметрия не может быть точной симметрией, потому что мы знаем, что (например) если селектрон существует, то его масса не совпадает с массой электрона. На самом деле почти все эти новые частицы должны жить очень далеко на востоке, то есть обладать достаточно большой массой. И поэтому мы еще не смогли их найти. Все, что обладает меньшими массами, должно таиться в горах или в джунглях, но все еще на нашей карте. Это означает, что для нас суперсимметрия должна быть, по крайней мере, слегка нарушена или скрыта. Однако опыт говорит нам, что даже скрытые симметрии могут быть очень важны.

Одним из преимуществ суперсимметрии является то, что она решает проблему «тонкой настройки» массы бозона Хиггса. Помните банковский счет с большими кредитами и дебетами, который всегда таинственно сокращался ровно до 125 фунтов стерлингов? В квантовых поправках к массе бозона Хиггса каждый фермион является таким дебетом, а каждый бозон – кредитом. Поэтому если у вас есть равное количество бозонов и в остальном идентичных фермионов, то «взаимоотмена» гарантирована, и счет действительно обнуляется.

Суперсимметрия – этакий «скрытый бухгалтер». Несмотря на то, что она должна быть скрыта, если массы новой суперсимметричной частицы находятся не слишком далеко на востоке, то все равно описанная выше взаимокомпенсация достаточно хороша, чтобы решить проблему с квантовыми поправками для бозона Хиггса.

Суперсимметрия на самом деле не является единой теорией. Это такая симметрия, которая может быть использована для построения многих различных теорий. Это одна из причин, по которой до нас доходило столько слухов о суперсимметрии, когда мы прогуливались по причалу. Во многих из этих теорий суперсимметричные частицы несут особую сохраняемую величину, называемую R-четностью. Сохранение R-четности приводит к тому, что суперсимметричные частицы могут распадаться только на другие суперсимметричные частицы, а это, в свою очередь, означает, что суперсимметричная частица (или с-частица, как вы уже, наверное, догадались), обладающая самой низкой массой, должна быть стабильной.

Последнее означает, что многие из с-частиц должны были остаться после Большого взрыва, что делает их хорошими кандидатами в WIMP-частицы, или в темную материю.

К сожалению, на момент написания этой книги с-частицы не были найдены. В течение нескольких лет поклонники суперсимметрии говорили, что нам просто нужно отплыть немного дальше на восток, и они обязательно появятся. БАК приоткрыл еще одну большую область карты, и были большие надежды, что с-частицы будут обнаружены. Однако до сих пор ни одну из них не заметили. Быть может, нам просто нужно пойти еще дальше на восток? Или, быть может, нам нужно искать другие решения и слушать другие истории?

XXXVI. В другие измерения?

Как будто по команде, в баре появляется новый персонаж. Встряхнув длинными, соломенного цвета мокрыми волосами, она заказывает двойную порцию джина. Она расскажет еще одну небылицу о теории, не столь респектабельной, как суперсимметрия, но поддержанной некоторыми зычными и видавшими виды путешественниками – историю о дополнительных измерениях.

Основная идея заключается в том, что пространство имеет не только три измерения, которые мы можем видеть, но и еще несколько, которые доступны только при высоких энергиях. Дополнительные измерения очень странные, поскольку их довольно легко описать в математике, но практически невозможно себе представить. В уравнениях физики мы часто учитываем три измерения пространства, в основном длину, ширину и глубину. Например, импульс имеет три компоненты, которые физик обычно обозначает как x, y и z, или просто 1, 2 и 3. Каждая составляющая говорит нам о том, как быстро объект движется в одном из этих трех измерений. Для некоторых целей мы можем даже привлечь четыре измерения, рассматривая время как четвертое. Математически количество измерений достаточно легко расширить, чтобы довести его до пяти, шести или более – просто продолжайте считать. С математической точки зрения логично ожидать, что на нескольких измерениях дело не остановится. Математика имеет дело с абстрактными понятиями и, конечно, не заботится о физической реальности.

Но физика заботится. С точки зрения физики, что означают дополнительные измерения для мира природы? Единственный способ прийти к какой-либо разумной идее – уменьшить количество измерений и работать по аналогии. Например, представьте, что вся трехмерная Вселенная встроена в какое-то большее, многомерное пространство. Чтобы наглядно представить себе это, давайте будем считать нашу трехмерную Вселенную двумерной, в виде некоей поверхности, мембраны – или браны, для краткости. Тогда объемлющее пространство будет на единицу большей размерности, в данном случае оно будет объемным трехмерным пространством. По аналогии с этой картиной устроена и наша обычная трехмерная Вселенная, погруженная в четырехмерное пространство (для простоты время мы здесь пока не учитываем).

Одна из идей, витающих на побережье, заключается в том, что гравитация распространяется по всем измерениям, в то время как стандартная модель ограничена более низкой размерностью – браной. При таком подходе гравитация становится очень «разбавленной», и именно это и объясняет ее слабость по сравнению с другими фундаментальными силами.

В некоторых рассказах дополнительные измерения предстают очень крошечными и свернутыми. Путешественники призывают нас представить волны и вибрации на какой-то струне. Что касается этих волн, то струна одномерна, потому что толщина струны ничтожно мала по сравнению с длиной волны. Однако с ростом энергии этих волн их длина уменьшается, и в какой-то момент длина волны оказывается сравнимой с толщиной струны. В этот момент волны могут идти вокруг струны, а не только вдоль нее – так открывается новое измерение.

В большинстве рассказов все эти чудеса случаются так невероятно далеко на востоке, что даже самые быстрые наши корабли не могут надеяться туда дойти. Хотя некоторые из самых смелых моряков, которые присоединяются к рассказчику, уверяют нас, что что-то подобное может произойти на ускорителях с высокой энергией и куда ближе к дому.

Модели с дополнительными пространственно-временными измерениями были даже предложены как способ избежать необходимости в бозоне Хиггса, прежде чем он был обнаружен. Все проблемы с массами W– и Z-бозонов, которые возникали в стандартной модели и которые требовали существования бозона Хиггса при энергиях LHC, были бы включены в другие изменения в физике (если бы мы начали разрешать существование дополнительных измерений). В такой модели будет необходимость для нарушения симметрии электрослабого взаимодействия, и, следовательно, не будет бозона Хиггса.

Одним из проявлений изменений в физике, которые были бы следствием существования дополнительных измерений, было бы возникновение черных дыр. Когда мы путешествуем на восток, мы идем к более высоким энергиям и более коротким расстояниям, концентрируя все больше и больше энергии во все меньшем пространстве. Суть ускорителя частиц – машин, которые доставляют нас туда, – в том, что они концентрируют энергию следующим образом.

Протон в БАК имеет крошечную энергию по сравнению с шариком для пинг-понга. Если бы вся кинетическая энергия протона в БАК была передана такому шарику, он перемещался бы примерно на 1 мм каждые десять секунд. Тем не менее, шарик содержит около 10²³ протонов – впечатляющая цифра, если задуматься об этом.

Если в одном месте сконцентрировано достаточно энергии, то гравитационное поле поблизости от этого места становится очень сильным, и гравитационное взаимодействие может стать даже сильнее других взаимодействий стандартной модели. Оно может стать настолько сильным, что в какой-то момент даже свет не сможет вырваться из области его действия. Тогда и формируется черная дыра; сверхвысокая плотность массы и энергии искажает пространство и время настолько сильно, что ничто не сможет из нее убежать. Концентрация энергии, необходимой для этого в трехмерной Вселенной, выходит далеко за пределы возможностей БАК. Но во Вселенной с дополнительными измерениями это возможно. Сейчас, когда мы знаем наверняка, что действительно есть бозон Хиггса, мотивация для такого рода многомерных моделей несколько снижается. Но есть еще старые морские волки, рассказывающие про них удивительные истории, которые мы не можем полностью опровергнуть.

А теперь мы пойдем дальше и послушаем другую возбужденную группу, собравшуюся вокруг стола у камина.