Лиза Рэндалл - Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Самым очевидным следствием многомерности мира при отсутствии детальных исследований — таких, какие будут проводиться на БАКе, —является объяснение иерархии масштабов масс, в котором нуждается любая теория физики элементарных частиц, чтобы успешно описывать наблюдаемые явления.

Мы надеемся, что высокие энергии, которые планируется получить на БАКе, помогут нам понять, что представляет собой дополнительное пространственное измерение — всего лишь причудливую идею или реальный факт бытия Вселенной. Если наша теория верна, то следует ожидать, что на БАКе будут получены моды Калуцы — Клейна. Из‑за связи с проблемой иерархии масштаб энергий, на котором при таком сценарии следует искать КК–моды, примерно соответствует тому масштабу, который будет исследоваться на БАКе в рабочем режиме. Считается, что КК–моды в этом случае должны обладать массой порядка 1 ТэВ, то есть масштаба слабого взаимодействия. Эти тяжелые частицы, возможно, возникнут, как только на БАКе будут достигнуты достаточно высокие энергии. Обнаружение КК–частиц послужило бы ключевым доказательством нашей идеи и позволило бы заглянуть в огромный непознанный мир.

Заметим, что КК–моды свернутой геометрии обладают важной отличительной чертой. Если сам гравитон взаимодействует с окружающим необычайно слабо — в конце концов, он передает чрезвычайно слабое гравитационное взаимодействие, — то КК- моды гравитона взаимодействуют гораздо активнее и сильнее, почти на уровне так называемого слабого взаимодействия, которое в триллионы раз сильнее гравитации.

Причина того, что КК–гравитоны взаимодействуют с такой удивительной силой, заключается в особенностях свернутой геометрии, по которой они путешествуют. Из‑за сильной искривленности пространства–времени взаимодействия КК–гравитонов намного сильнее, чем взаимодействия самого гравитона, переносящего то самое гравитационное взаимодействие, которое мы испытываем. В свернутой геометрии масштабируются не только массы, но и гравитационные взаимодействия. Расчеты показывают, что в свернутой геометрии взаимодействия КК–гравитонов сравнимы по силе с взаимодействием частиц масштаба слабого взаимодействия.

Это означает, что, в отличие от суперсимметричных моделей, а также маловероятных моделей с большими дополнительными измерениями, для экспериментального доказательства этого сценария не придется искать и измерять недостающую энергию на месте интересных частиц, сумевших ускользнуть незамеченными. Вместо этого у нас будут гораздо более четкие и простые для распознавания сигнатуры в виде частиц, которые внутри детектора будут распадаться на частицы Стандартной модели, оставляющие видимые следы (см. пример на рис. 69, где КК–частица рождается и распадается на электрон и позитрон).

РИС. 69. В моделях Рэндалл — Сандрама КК–гравитон может родиться и распасться внутри детектора на видимые и легко обнаружимые частицы, такие как электрон и позитрон

Именно так, кстати говоря, открывались все новые тяжелые частицы. Непосредственно они не видны, но можно наблюдать те частицы, на которые они распадаются. Такие наблюдения принципиально дают намного больше информации, чем можно получить путем измерения недостающей энергии. Путем изучения свойств продуктов распада экспериментаторы могут многое узнать и о свойствах первоначальной частицы.

Если сценарий со свернутой геометрией соответствует действительности, мы скоро увидим пары частиц, рождающихся при распаде КК–мод гравитона. Измерив энергии, заряды и другие свойства частиц конечного состояния, экспериментаторы смогут определить по ним массу и другие свойства КК–частиц. Эти идентифицирующие признаки наряду с относительными частотами распада в разные конечные состояния должны помочь экспериментаторам определить, открыли ли они в самом деле КК–гравитон или какую‑нибудь иную новую экзотическую сущность. Модель говорит нам о природе частицы, которую предстоит обнаружить, если эта модель верна, и предсказания, сформулированные на основе этих данных, должны помочь физикам различить возможные варианты.

Один мой друг–сценарист никак не может взять в толк, почему я, зная о потенциальных последствиях возможных в ближайшее время открытий, не сгораю от нетерпения в ожидании новых экспериментальных данных. При каждой нашей встрече он настойчиво спрашивает: «Ну, разве результаты этих исследований не изменят нашу жизнь? Они ведь могут подтвердить ваши теории? Почему вы не в Женеве и не общаетесь постоянно с тамошними иссл ед ов ателями? »

Конечно, в чем‑то он прав. Но экспериментаторы уже знают, что нужно искать и на что обращать внимание, так что большая часть теоретической работы уже проделана. Когда у нас появляются новые идеи о том, что можно поискать, мы, естественно, с ними связываемся. Для этого нам не обязательно лететь в Европейский центр ядерных исследований и общаться лично. Да и ученых можно найти где угодно — как на территории США, так и почти в любом уголке мира. Телекоммуникации сегодня очень развиты и прекрасно работают, отчасти благодаря тому открытию, которое много лет назад в том же CERN привело Тима Бернерса–Ли к созданию Интернета.

Кроме того, я знаю слишком много о том, какие серьезные препятствия могут возникнуть перед учеными в таком поиске, даже после того как БАК будет выведен на рабочий режим. Поэтому я понимаю, что результатов, возможно, придется какое‑то время подождать. К счастью для нас, только что описанные КК–моды оставляют за собой одну из самых понятных и очевидных сигнатур, так что искать их одно удовольствие. КК–гравитоны распадаются на любые частицы — в конце концов, каждая частица испытывает на себе силу тяготения, — поэтому экспериментаторы могут сосредоточиться на тех конечных состояниях, которые легче всего распознать.

Однако следует отметить две причины, по которым поиск может оказаться более сложным, чем предполагалось первоначально, и по которым нам, возможно, придется подождать результатов, даже если идея сама по себе верна.

Один из этих моментов заключается в том, что другие перспективные модели свернутой геометрии, возможно, дают менее четкие экспериментальные сигнатуры, обнаружить которые намного труднее. Эти модели описывают структуры, лежащие в основе наблюдаемых событий: в данном случае структура включает в себя дополнительные измерения и браны. Они также предлагают конкретное приложение общих принципов, воплощенных в этой структуре. Наш первоначальный сценарий предполагал, что по многомерному пространству распространяется только гравитация. Однако позже некоторые из нас разработали на основе первой модели новые сценарии. В этих альтернативных сценариях не все частицы находятся на бранах, а это означает существование дополнительных КК–частиц — ведь каждая частица многомерного пространства должна иметь свои КК–моды. Оказывается также, что обнаружить другие КК–частицы намного сложнее. Возникшая проблема стала стимулом для новых активных исследований; ученые искали способы увидеть и распознать эти не столь явные сценарии. Наши теоретические исследования будут полезны для поиска не только КК–частиц, но и любых других энергичных массивных частиц, которые, возможно, будут фигурировать в каких‑то новых моделях.