Читаем без скачивания Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства. - Лиза Рэндалл

• Хотя мы знаем, что механизм Хиггса отвечает за массы частиц, простейший известный пример, в котором применяется хиггсовский механизм, содержит обманчивый трюк. В простейшей теории ожидается, что массы слабых калибровочных бозонов и кварков примерно в десять миллионов миллиардов раз больше того значения, которое мы знаем. Проблема иерархии — вопрос о том, почему это не так.

• Проблема иерархии возникает из расхождения между масштабом массы слабых взаимодействий и чудовищным планковский масштабом масс (рис. 63). Последняя масса важна для гравитации — большое значение планковского масштаба масс показывает нам, почему тяготение очень слабо. Таким образом, другой способ сформулировать проблему иерархии — это спросить, почему гравитация столь слаба, намного слабее других негравитационных взаимодействий.

• Любая теория, решающая проблему иерархии, будет экспериментально проверяема, так как она обязательно будет иметь экспериментальные следствия, проверяемые на коллайдерах, работающих при энергиях выше масштаба энергий слабых взаимодействий. Очень скоро такие энергии будут исследоваться на Большом адронном коллайдере.

Глава 13

Суперсимметрия: скачок за пределы Стандартной модели

You were meant for me.

And I was meant for you.

Gene Kelly, («Singing in the Rain»)[125]

Как только Икар попал на небеса, его отправили на семинар, чтобы ознакомить с местными порядками. К своему удивлению, он увидел, что правые религиозные партии действительно следовали своим лозунгам и семейные ценности были той основой, на которой покоился его новый мир. Здесь давным-давно была установлена традиционная структура семьи, основанная на разделении поколений и стабильности браков: аристократы из верхов сочетались браком с дамочками из низов, очаровашек всегда сватали за странных типов, а правдолюбцев женили на красавицах. Всех, также как и самого Икара, вполне устраивал такой порядок.

Но позднее Икар узнал, что социальная структура Небес не всегда была такой устойчивой. первоначально иерархические основы общества нарушали опасные энергетические агенты. Однако на Небесах почти все проблемы решаемы. Бог приставил к каждому персонального ангела-хранителя и ангелы, вместе со своими подопечными, героически работали, отводя угрозу от иерархии и сохраняя общественный порядок.

Однако даже и при таком порядке Небеса не были в полной безопасности. Ангелы превращались в свободных агентов, не имеющих контрактов, которые связывали бы их с одним поколением. Переменчивые ангелы, столь храбро защищавшие иерархию, угрожали сейчас разрушить небесные семейные ценности. Это потрясло Икара, он обнаружил, что вопреки обыденным представлениям, Небеса оказались на удивление неспокойным местом.

В физической терминологии изобилуют слова с приставкой супер[126]. Например, сверхпроводимость (superconductivity), сверхтекучесть (superfluid), переохлаждение (supercooling), перенасыщение (supersaturation). Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК) должен был стать самым мощным в мире, если бы Конгресс США не зарубил проект в 1993 году, и т. д., список можно продолжить. Поэтому вы можете представить воодушевление физиков, когда они обнаружили, что пространственно-временная симметрия обладает большей, «супер-», симметрией.

Открытие суперсимметрии было поистине удивительным событием. К моменту возникновения суперсимметричных теорий физики считали, что им известны все симметрии пространства и времени. Как мы видели в гл. 9, уже привычными симметриями были пространственно-временные, утверждавшие, что исходя только из законов физики невозможно определить, где вы находитесь, в какую сторону смотрите или какое сейчас время. Действительно, траектория баскетбольного мяча не зависит от того, на какой стороне площадки вы находитесь, и где происходит игра — в Калифорнии или Нью-Йорке.

В 1905 году, с появлением теории относительности, список преобразований пространственно-временных симметрий расширился, включив те преобразования, которые изменяют вектор-скорость (величину скорости и направление движения), и ученые полагали, что этим список исчерпывается. Никто не верил, что могут быть еще какие-то неоткрытые симметрии, включающие пространство и время. Два физика, Джеффри Мандула и Сидни Коулмен, в 1967 году закрепили это интуитивное утверждение, доказав, что не существует других подобных симметрий. Однако они (и все остальные) проглядели одну возможность, основанную на нетрадиционных предположениях.

В этой главе вводится понятие суперсимметрии — странного нового преобразования симметрии, переставляющего бозоны и фермионы. С его помощью можно строить теории, включающие преобразования суперсимметрии. Однако суперсимметрия как симметрия природы все еще остается гипотетической, так как никто еще не обнаружил суперсимметрию в окружающем нас мире. Тем не менее есть две весомых причины, позволяющие физикам думать, что эта симметрия существует в природе.

Одна причина — это понятие суперструны, которое будет подробнее рассмотрено в следующей главе. Теория суперструн, включающая суперсимметрию, является единственной известной моделью теории струн, способной воспроизвести частицы Стандартной модели. Теория струн без суперсимметрии не может претендовать на описание нашей Вселенной.

Вторая причина состоит в том, что суперсимметричные теории обладают потенциальными возможностями решить проблему иерархии. Суперсимметрия не объясняет причину большого отношения масштаба массы слабых взаимодействий к планковскому масштабу масс, но она исключает проблематичные огромные квантовые вклады в массу хиггсовского бозона. Вопрос иерархии является серьезной проблемой и очень мало предложенных решений выжили после тщательной экспериментальной и теоретической проверки. До того момента, как в качестве потенциальной альтернативы были предложены теории с дополнительными измерениями, суперсимметрия была единственным решением проблемы.

Так как мы до сих пор не знаем, существует ли суперсимметрия во внешнем мире, все, что мы можем сделать, — это рассмотреть предлагаемые теоретические варианты и оценить их следствия. При таком подходе, к моменту, когда эксперименты достигнут области более высоких энергий, мы будем готовы описать, что собой представляет та теория, которая лежит в основе Стандартной модели. Поэтому посмотрим, чем мы располагаем.

В суперсимметричном мире каждой известной частице соответствует другая частица — суперсимметричный партнер или, как говорят, суперпартнер, в которого она превращается в результате преобразования суперсимметрии. Преобразование суперсимметрии превращает фермион в его партнера — бозон, а бозон — в партнера-фермион. В гл. 6 мы видели, что фермионы и бозоны — это разные типы частиц квантово-механических теорий, отличающиеся значением спина. Спин фермионнных частиц полуцелый, а бозонных — целый. Целые значения спина — это те числа, которыми можно характеризовать обычные тела, вращающиеся в пространстве, в то время как полуцелые значения являются специфическим понятием квантовой механики.

В суперсимметричной теории все фермионы могут превращаться в соответствующие бозоны, а все бозоны — в соответствующие фермионы. Суперсимметрия — это прием теоретического описания таких частиц. И если вы анализируете уравнения, описывающие поведение частиц в результате преобразования суперсимметрии, переставляющего бозоны и фермионы, то эти уравнения после преобразования должны выглядеть аналогично. Все предсказания должны быть тождественны тем, которые можно было сделать до преобразования симметрии.

На первый взгляд, рассматриваемая нами симметрия игнорирует логику. Предполагается, что преобразования симметрии оставляют систему неизменной, однако преобразования суперсимметрии меняют местами частицы, которые существенно различны — фермионы и бозоны.

И хотя было странно предположить, что за преобразованием, смешивающим столь разные объекты, может скрываться симметрия, тем не менее ряд физиков рассмотрели такую возможность. В 1970-е годы европейские и советские физики[127] показали, что симметрия может переставлять местами столь различные частицы и законы физики могут при этом оставаться неизменными.

Эта симметрия несколько отличается от предыдущих, так как подвергающиеся перестановкам объекты явно обладают разными свойствами. Тем не менее симметрия может существовать, если бозоны и фермионы присутствуют в равных количествах. В качестве аналогии рассмотрим два набора красных и зеленых шариков разных размеров, причем наборы отличаются только цветом. Допустим, вы сели играть в шарики с приятелем. Вы играете красными шариками, а ваш приятель — зелеными. Если у каждого красного шарика имеется единственная пара среди зеленых шариков, то не важно, каким цветом вы играете — вы не получите никаких преимуществ в игре. Однако, если количества красных и зеленых шариков каждого размера не равны друг другу, игроки будут поставлены в неравные условия. Начальный выбор красного или зеленого цвета будет иметь значение и игра будет происходить по-другому, если вы со своим приятелем поменяетесь цветами. Чтобы была симметрия, шарики каждого размера должны быть двух цветов — красного и зеленого, и должно быть одинаковое число шариков каждого цвета и каждого размера.