Знание-сила, 2007 № 10 (964)

Затем, что касается структуры фундаментальных составляющих материи — кварков и лептонов. Мы открыли для себя три (а почему именно три?) семейства кварков и лептонов с весьма странными массами и смешиваниями. У нас нет никакого объяснения такой структуре масс и смешиваний или, если уж на то пошло, не знаем мы и самой причины существования материи.

Также, поскольку в конечном итоге нам придется включать во всю эту историю и квантовую теорию гравитации, мы полагаем неизбежными и новые вопросы. Некоторые из них носят скорее практический характер: например, как квантовать гравитационное поле? Некоторые же вопросы принято относить к категории философских, например, почему пространство трехмерно (и действительно ли оно трехмерно)?

Получить ответы на все эти вопросы важно не просто ради удовлетворения нашего любопытства, но и потому, что без этих ответов мы не поймем истока и первоначала Вселенной. Мы не видим способов получения ответов на эти вопросы ни в рамках Стандартной модели, ни в рамках простых расширений Стандартной модели. Это наводит на мысль, что на сверхмалых расстояниях или при сверхвысоких энергиях начинают действовать принципиально новые физические законы. Возвращаясь ко временам все более горячей и плотной Вселенной и все более высокой энергии частиц, мы неизбежно упираемся в точку, начиная с которой физика, как мы полагаем, станет иной.

На протяжении последних тридцати лет, сразу по завершении Стандартной модели, мы пытались получить ответы на указанные вопросы, однако без особого успеха. Похоже, в рамках Стандартной модели (а в действительности и квантовой теории поля как таковой) ответа на эти вопросы нам не получить. Чтобы попытаться пойти дальше Стандартной модели и ответить на эти вопросы, нужны новые эксперименты на сверхмалых расстояниях и при сверхвысоких энергиях. Однако это и трудно, и дорого. В настоящее время нам недоступны эксперименты при энергиях выше 1 ТэВ. Но ничто не мешает теоретикам экстраполировать Стандартную модель на все более высокие энергии и посмотреть, что из этого получится. Вскоре по завершении Стандартной модели теоретики экстраполировали силовые взаимодействия до очень высоких энергий.

При низких энергиях все силы проявляются совершенно по-разному. Сильные взаимодействия крайне интенсивны, в то время как слабые и электромагнитные взаимодействия проявляются в значительно меньшей степени. Однако в квантовой теории поля все силы зависят от расстояния. Электромагнитное взаимодействие ослабевает по мере увеличения расстояния и, напротив, усиливается на коротком расстоянии и при высокой энергии. Сильное взаимодействие ведет себя противоположным образом — оно ослабевает при высоких энергиях и на коротких расстояниях. Так что при достаточно высоких энергиях оно может сравняться с интенсивностью сил слабого и электромагнитного взаимодействий. Почти 30 лет назад было обнаружено, что при экстраполяции всех трех сил они нивелируются («сходятся») в области предельных сверхвысоких энергий. Это стало первым ключом к существованию еще одного физического порога — при сверхвысоких энергиях далеко за пределами современных возможностей наблюдения, — за которым все силы по шкале энергий сливаются в рамках теории объединения.

Уже в этом году в ЦЕРН (Женева) будет запущен новый ускоритель — Большой адронный коллайдер (Large Hardon Collider, LHC). Мы рассчитываем открыть на LHC принципиально новые физические явления. Совершенно определенно ожидается открытие так называемого бозона Хиггса, частицы, появляющейся в рамках Стандартной модели. Но самой захватывающей перспективой LHC является открытие суперсимметрии.

Суперсимметрия — удивительная теоретическая концепция. Согласно ней, у каждой частицы имеется «суперпартнер» — соответствующая ей «суперчастица». Кварку соответствует суперпартнер, названный «скварком», электрону — партнер с нулевым спином под названием «селектрон», фотону (кванту света) — фермионный партнер со спином 1/2 под названием «фотино», гравитону (переносчику гравитационного взаимодействия со спином 2) — партнер со спином 3/2 под названием «гравитино». Вообще у каждой наблюдаемой нами частицы должен иметься суперпартнер. До сих пор частиц-суперпартнеров нами не наблюдалось.

У суперсимметрии много красивых свойств. Она объединяет по принципу симметрии фермионы (то есть составляющие первоэлементы материи) и бозоны (то есть кванты силовых взаимодействий). Однако суперсимметрия представляется также и крайне полезным инструментом с точки зрения исследования феноменологии элементарных частиц. Она способна дать ответ на вопрос, почему шкала объединения столь велика. В последние двадцать лет мы проводили все более точные измерения сил, действующих в рамках Стандартной модели, и все более точные расчеты их изменения в зависимости от энергии взаимодействий. Выходило, что без суперсимметрии расчеты не стыкуются друг с другом. Однако, если просто взять Стандартную модель и привнести в нее минимальную суперсимметрию, а затем предположить, что она нарушается при энергиях порядка 1 ТэВ, то все идеально сходится. А это — очень сильный ключевой аргумент в пользу существования суперсимметрии в природе и возможности открыть ее на LHC.

Более точные экстраполяции такого рода помогают нам составить представление о том, где и при какой энергии смыкаются силы. Она оказывается еще выше — порядка 10 18ГэВ, то есть в 10 14раз выше энергии, которую будет развивать LHC. Это ставит физику элементарных частиц перед серьезной проблемой. Как исследовать энергии такого масштаба и открывать новые физические явления? Способны ли теоретики в принципе экстраполировать модель на так много порядков?

Можно ли представить себе открытие новой физики, отвечающей за объединение всех сил, если ее естественная шкала энергий столь далека от возможностей прямого экспериментального исследования? Одна из причин, позволяющих рассчитывать на такую возможность, — наличие у нас очень прочного фундамента — Стандартной модели. Изменить эту теорию непросто. Непросто построить и новую, альтернативную теорию, которая позволила бы объединить все силы при высоких энергиях и одновременно не противоречила бы всем экспериментальным данным, накопленным при низких энергиях. Так что мы имеем хорошую стартовую позицию, жестко ограничивающую нас в попытках модифицировать Стандартную модель.