В пятой главе я упомянул длинный список известных элементарных частиц: фотоны, гравитоны, электроны, кварки (шесть разновидностей!), глюоны, нейтрино и ещё несколько других. Говоря о полном списке, стоит отметить, что он включает множество различных частиц с совершенно разными свойствами, участвующих в различных взаимодействиях. Факт существования такого списка с мольбой взывает к новой универсальной теории, которая содержала бы лишь несколько элементарных объектов и объясняла бы физические взаимодействия на более глубоком уровне. Для объяснения закономерностей периодической таблицы химических элементов потребовалось создание теории строения атома. Гелий, аргон, калий и медь столь же различны, сколь и типы химических реакций, в которые они вступают. Но теория строения атома показала, что все химические элементы состоят из электронов, находящихся в определённых квантовых состояниях и колеблющихся около атомных ядер, состоящих из протонов и нейтронов. Длинный список элементарных частиц может быть объяснён теорией струн, но сама теория струн в свою очередь тоже успела обзавестись целым выводком разнообразных объектов: D-бранами, солитонными 5-бранами, M-бранами и т. п., — и никто не знает, как можно и можно ли вообще придумать для описания этих объектов более общую теорию, вскрывающую новый уровень, следующий за уровнем дуальностей теории струн.

Столкновение двух протонов в БАК может родить бозон Хиггса. В изображённом на рисунке процессе бозон Хиггса быстро распадается на b-кварк и анти-b-кварк, которые могут быть зафиксированы детектором. Но образующийся одновременно с этим мусор из прочих частиц мешает понять, что же происходит в действительности

Самая массивная из открытых на сегодняшний день частиц — это t-кварк. Его масса в 182 раза превосходит массу протона, t-кварк был открыт в 1995 году большой коллаборацией экспериментаторов на Теватроне, являвшемся крупнейшим ускорителем в США. Протоны и антипротоны, летящие навстречу друг другу по большому кольцу (диаметром примерно 2 км), сталкиваются лоб в лоб, имея энергию, в 1000 раз превосходящую их энергию покоя. Неудивительно, что они рождают t-кварки, обладая таким запасом энергии. Более того, теоретически они могли бы родить частицу вдесятеро более массивную, чем t-кварк, поскольку суммарная энергия, выделяющаяся при столкновении протона и антипротона в 1000 + 1000 = 2000 раз превосходит массу протона. К сожалению, почти невозможно добиться того, чтобы вся энергия столкновения переходила в массу одной частицы, и всё потому, что протон и антипротон не являются точечными частицами, а обладают внутренней структурой. Каждый из участников столкновения состоит из трёх кварков и нескольких глюонов. При столкновении протона и антипротона большинство кварков пролетают друг мимо друга или испытывают лишь скользящее столкновение. Интерес представляют столкновения, при которых один из кварков или один из глюонов, находящийся внутри протона, сталкивается лоб в лоб с одним из кварков или глюонов, находящихся внутри антипротона. Такое жёсткое столкновение, называемое жёстким процессом, и приводит к рождению t-кварка. Жёсткие процессы должны также приводить и к рождению бозонов Хиггса. Поскольку в жёстком процессе участвуют только по одному кварку или глюону от каждого протона или антипротона, то на рождение t-кварка тратится только часть общей энергии столкновения протона с антипротоном.

БАК способен сталкивать протоны с энергией, в 15 000 раз превышающей их массу. Энергия, расходуемая на жёсткие процессы, составляет порядка одной десятой от полной энергии протона. С точностью до порядка можно сказать, что БАК способен в большом количестве рождать частицы, масса которых более чем в 1000 раз превосходит массу протона, в то время как масса отдельных рождаемых частиц может превосходить массу протона более чем в 2000 раз. Но чем тяжелее частица, тем реже она встречается среди продуктов реакции.

Какие же новые типы частиц можно ожидать среди продуктов реакций в экспериментах на БАК? На момент написания этой книги самым честным ответом будет: «А чёрт его знает...». Я не хочу утверждать, что строительство БАК окажется пустой тратой денег, если он ничего не обнаружит, хотя это и будет горькой правдой. Я надеюсь, что независимо от того, справедливы ли гипотеза существования суперсимметрии и теория струн, должно обнаружиться что-то интересное в диапазоне энергий, покрываемом БАК, помимо вроде как открытого бозона Хиггса. Мне бы хотелось, чтобы это была суперсимметрия. Убеждённость, что в этом диапазоне энергий что-то есть, основывается на идее перенормировки. Я вкратце качественно изложил эту идею в четвёртой главе и напомню, что перенормировка — это математическая машинерия, позволяющая получить полное описание облака виртуальных частиц, окружающее электрон или какую-нибудь другую частицу. Перенормировка работает, только если в исследуемом диапазоне энергий существует что-нибудь типа бозона Хиггса. А для того, чтобы перенормировка работала гладко, помимо бозона Хиггса должна обнаружиться и суперсимметрия. Но не следует забывать, что указанная математическая машинерия — это не реальный мир. Всё может оказаться совсем не таким, как мы придумали. В экспериментах БАК может обнаружиться нечто, чего мы даже не могли вообразить, и это будет самым возбуждающим результатом. Впрочем, стоит сказать, что если БАК не обнаружит ничего, то такой результат окажется не менее потрясающим.

Вернёмся к суперсимметрии — наиболее предпочитаемому кандидату на исследование в БАК. Как я уже говорил, самое поразительное предсказание суперсимметрии состоит в том, что у каждой элементарной частицы должен существовать суперсимметричный партнёр, обладающий таким же зарядом, такой же массой и участвующий в тех же взаимодействиях, но отличающийся значением спина. У нас есть электрон, а суперсимметрия предсказывает существование суперэлектрона, называемого сэлектроном. У нас есть фотоны — суперсимметрия предсказывает существование суперфотонов — фотино. Аналогично суперсимметрия предсказывает существование скварков, глюино, снейтрино и гравитино. Даже бозон Хиггса должен иметь суперпартнёра, обычно называемого хиггсино. Как я объяснял ранее, суперсимметрия не может быть точной, в частности потому, что не существует сэлектрона, имеющего точно такую же массу, как и электрон. Приблизительная, или нарушенная, суперсимметрия всё ещё предсказывает существование сэлектрона, фотино, снейтрино и остальных счастиц, но их массы оказываются во много раз больше масс их обычных партнёров. Есть основания предполагать, что массы искомых суперчастиц лежат в пределах досягаемости Большого адронного коллайдера. Если это так, то БАК окажется самой плодовитой исследовательской установкой в истории и даст нам в руки не одну-две, а целую дюжину новых фундаментальных частиц.

Симметрия, требующая существования целого набора новых частиц, эквивалентного уже существующему, может показаться скорее шагом назад, чем вперёд. В конце концов, разве задача создания универсальной теории не требует уменьшения количества эксплуатируемых ею сущностей? Примерно такое чувство родила во мне суперсимметрия, когда я впервые с ней познакомился. Но вот вам пример, над которым стоит задуматься. Уравнение Дирака, описывающее электрон, было придумано в 1920-х годах, и оно давало одно неожиданное предсказание: существование антиэлектрона, обычно называемого позитроном. Вскоре физики предсказали существование античастиц для каждой известной частицы, и они открыли их! С моей точки зрения, суперсимметрия не обладает такой же аурой неизбежности: она не нужна для описания уже известных частиц, в то время как уравнение Дирака было необходимо для описания электрона. Хотя, возможно, не стоит ставить в один ряд подтверждённые и неподтверждённые предсказания.

Распад скварка на несколько детектируемых частиц и на ЛСЧ (легчайшая суперсимметричная частица), которая ускользает незарегистрированной

Существует большая разница между наличием у частицы массы, находящейся в диапазоне, покрываемом БАК, и возможностью зарегистрировать эту частицу, поскольку чрезвычайно сложно разобраться в том обилии разнообразных мусорных частиц, которые рождаются в ходе каждого столкновения, и реконструировать весь ход событий. На самом деле Теватрон исправно выдавал на-гора все эти годы бозоны Хиггса, но трудности реконструкции всех событий рождения и уничтожения частиц позволили ему все эти годы успешно скрываться от исследователей, в то время как масса бозона Хиггса составляет около 130 масс протона — это меньше, чем масса t-кварка! Гораздо проще искать счастицы при помощи БАК. Например, глюино, если их массы лежат в доступном диапазоне, должны генерироваться на БАК целыми гроздьями, тем более что они предсказываются многими вариантами суперсимметричных теорий, и их должно быть сравнительно легко отфильтровывать из потока экспериментальных данных. В цепочках распада, предсказываемых этими теориями, глюино передают часть своей энергии покоя другим счастицам, которые в свою очередь передают часть своей энергии покоя дальше по цепочке. В конце цепочки распадов остаётся только одна легчайшая суперчастица. Для обозначения легчайших суперсимметричных частиц используется аббревиатура ЛСЧ. Принято считать, что ЛСЧ не распадается на другие частицы, а покидает детектор необнаруженной. Если всё это правда, то понятно, почему детекторы БАК не регистрируют суперчастицы, а обнаруживают только продукты их распада.

Прежде чем продолжить рассказ о ЛСЧ, я хотел бы отметить одну очень неприятную особенность БАК. Даже если в эксперименте обнаружится что-то похожее на счастицу, это не позволит нам с уверенностью утверждать, что мы открыли суперсимметрию. Виной всему обилие частиц, рождаемых при протон-протонных столкновениях. Взаимодействия между кварками и глюонами столь сильны, что они маскируют новые явления. В результате определить спин вновь открытой частицы очень трудно. По этой причине физики выступают за постройку нового ускорителя, называемого Международным линейным коллайдером, или МЛК. В его задачу будет входить ускорение электронов и позитронов, потому что их столкновения проходят более «чисто», чем столкновения протонов. Предполагается, что МЛК позволит более надёжно отфильтровать предсказания суперсимметрии от предсказаний других альтернативных теорий. Но МЛК пока что находится в стадии проектирования и вступит в строй не ранее 2020 года. Печальная судьба Сверхпроводящего суперколлайдера показывает, как трудно воплощать подобные проекты в жизнь.

Вернёмся к суперсимметрии. Обнаружение ЛСЧ будет важнейшим открытием последних лет, поскольку, возможно, именно они составляют так называемую тёмную материю, играющую ключевую роль в формировании галактик. На протяжении десятилетий астрономы и космологи ломали голову над аномально высокой массой галактик. Современная наблюдательная техника позволяет без особого труда пересчитать все звёзды в той или иной галактике и вычислить их суммарную массу. Оказывается, даже если к этой массе добавить массу газа и пыли, которые всегда присутствуют в галактиках, её окажется недостаточно для того, чтобы удержать звёзды в галактике. Для объяснения этого феномена была придумана тёмная материя, дополняющая недостаток массы. Расчёты показывают, что общая масса тёмной материи в наблюдаемой части Вселенной должна в пять или шесть раз превосходить массу обычной материи, доступной нашим наблюдательным инструментам. Но что эта материя собой представляет? На этот счёт имеется масса гипотез, начиная от потухших звёзд и заканчивая субатомными частицами. У ЛСЧ есть два важных преимущества перед другими кандидатами на роль тёмной материи. Во-первых, в большинстве наиболее реалистичных суперсимметричных теорий ЛСЧ очень массивны (их масса более чем в 100 раз превосходит массу протона), электрически нейтральны и стабильны. Во-вторых, легко понять, как они возникли на ранней стадии эволюции Вселенной и почему их суммарная масса в пять-шесть раз превышает массу обычного вещества, то есть вещества, состоящего преимущественно из протонов, нейтронов и электронов.

В общем, суперсимметрия представляет собой замечательную теоретическую основу. Она базируется на необычной математике, прекрасно согласуется с общепринятыми теориями элементарных частиц, включая перенормируемые, и она предсказывает множество новых частиц, которые мы надеемся открыть при помощи БАК. Наконец, теория суперсимметрии и теория струн так глубоко взаимосвязаны, что мне трудно поверить, что в мире могла бы существовать суперсимметрия, если бы теория струн в той или иной форме не была верна. Суперсимметрия немного напоминает дуальности теории струн. Она устанавливает отношение между частицами и их суперсимметричными партнёрами, подобно тому как S-дуальность устанавливает отношение между струнами и D-бранами. Как и дуальности теории струн, суперсимметрия заставляет нас хотеть большего. Не существует ли некоторой универсальной картины, лежащей в основе всех частиц и их суперпартнёров? Не является ли суперсимметрия намёком на то, что такая картина должна существовать? Теория струн даёт ясный ответ, в который суперсимметрия встроена с самого начала и в котором все уже известные частицы и частицы, которые ещё предстоит открыть, имеют более или менее единое происхождение, описываемое динамикой струн и дополнительными измерениями.