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

Другая причина, по которой поиск КК–частиц может оказаться затруднен, состоит в том, что сами КК–частицы могут оказаться тяжелее, чем мы надеемся. Нам известен примерный диапазон масс для этих частиц, но точных значений мы пока не знаем. Если КК- частицы легкие, то на БАКе мы без труда получим их в изобилии и обнаружить их будет несложно. Но если эти частицы тяжелее, чем нам кажется, то БАК произведет их совсем немного. А если они окажутся еще тяжелее, то не исключено, что на БАКе их вообще нельзя будет получить. Иными словами, для получения новых частиц и новых взаимодействий понадобятся более высокие энергии, чем те, которые мы сможем получить. В случае БАКа с его фиксированной длиной туннеля и ограниченным энергетическим диапазоном это всегда было поводом для беспокойства.

Я как теоретик мало что могу по этому поводу сделать. Энергия БАКа такова, какова она есть. Но мы можем попытаться «поймать» легкие признаки существования дополнительных измерений, даже если КК–моды окажутся слишком тяжелыми. Когда мы с Патриком Мидом проводили расчеты вероятности рождения многомерных черных дыр, мы обращали внимание не только на отрицательный общий результат — гораздо более низкую частоту рождения черных дыр, чем утверждалось первоначально. Мы думали и о том, что произойдет, если гравитация в многомерном пространстве сильна, но никаких черных дыр не возникнет. Мы задались вопросом, можно ли на БАКе получить хоть какие‑то интересные признаки многомерной гравитации, и обнаружили, что даже без новых частиц и экзотических объектов, таких как черные дыры, экспериментаторы, по идее, должны получить заметные отклонения от предсказаний Стандартной модели. Открытие, конечно, не гарантируется, но экспериментаторы постараются выжать все, что можно, из существующей установки и детекторов. Другие теоретики в более продвинутых исследованиях придумали и предложили усовершенствованные методики поиска КК–мод, рассчитанные в том числе и на тот случай, если частицы Стандартной модели обитают в многомерном пространстве.

Существует также вероятность, что нам повезет и масштаб масс новых частиц и взаимодействий окажется меньше, чем мы предполагаем. Если это так, то мы не только обнаружим КК–моды раньше, чем ожидалось, но и сможем наблюдать другие новые явления. Если теория струн представляет собой фундаментальную теорию природы, а масштаб новой физики не слишком велик, то БАК сможет даже произвести — в дополнение к КК–частицам и новым взаимодействиям — дополнительные частицы, связанные с колебаниями базовых струн. При более традиционных предположениях эти частицы были бы слишком тяжелыми. Но свернутая геометрия дает надежду на то, что некоторые моды струн окажутся легче, чем предполагалось, и смогут появиться при слабых взаимодействиях.

Ясно, что у свернутой геометрии немало интересных возможностей, и мы с нетерпением ожидаем появления экспериментальных результатов. Следствия такой геометрии, если они будут обнаружены, изменят наши представления о природе Вселенной. Но мы сможем узнать о том, которая из этих возможностей верна (если таковая имеется), лишь после того как БАК сделает свое дело.

Проводимые в настоящее время на БАКе эксперименты проверяют все идеи, изложенные в этой главе. Мы надеемся, что если хотя бы какая‑то из этих моделей верна, то признаки этого вскоре появятся. Может быть, появятся прямые доказательства, такие как КК–моды, а может быть, будут отмечены лишь небольшие отклонения от процессов Стандартной модели. Так или иначе, и теоретики, и экспериментаторы сейчас настороже и ждут. Всякий раз, когда на БАКе фиксируется (или не фиксируется) какое‑либо явление, диапазон возможностей сужается. И если нам повезет, одна из предложенных гипотез может оказаться верной. Узнавая больше о том, что происходит на БАКе и как работают детекторы, мы, можно надеяться, узнаем больше и о том, как расширить возможности коллайдера. По мере появления экспериментальных данных теоретики попытаются интерпретировать их в свете имеющихся гипотез.

Мы не знаем, сколько придется ждать, прежде чем мы начнем получать ответы; это естественно, потому что мы не знаем в точности, какими могут оказаться массы и взаимодействия. Кое–какие открытия могут быть сделаны уже в ближайшие год–два. Других, возможно, придется ждать лет десять. Для некоторых, вполне возможно, потребуются более высокие энергии, чем когда‑либо будут получены на БАКе. Ждать, конечно, тяжело и тревожно, но результаты, скорее всего, будут потрясающими и оправдают все усилия. Не исключено, что они трансформируют наши представления о фундаментальной природе реальности — или хотя бы о природе вещества, из которого все мы состоим. Когда результаты будут получены, перед нами, возможно, откроются новые миры. Не исключено, что уже при нашей жизни взгляд человечества на Вселенную сильно изменится.

Ничто не заменит ученым реальных экспериментальных результатов. Мы, физики, не сидели сложа руки последние 25 лет в ожидании пуска БАКа и появления надежных данных. Мы тщательнейшим образом обдумывали, что именно следует искать в экспериментах и что должны означать те или иные результаты. Мы также изучали данные экспериментов, проводившихся в этот период, и сумели узнать немало интересных подробностей об известных частицах и взаимодействиях, что помогало определиться с направлением основных исследований.

Этот период дал нам прекрасную возможность углубленно поразмышлять о вещах, не связанных напрямую с экспериментом. Самые интересные и смелые модели и теоретические прогнозы этого периода стали следствием углубленных математических исследований. Сомневаюсь, что мне, к примеру, пришло бы в голову заняться дополнительными измерениями или чисто математическими аспектами суперсимметрии, если бы экспериментальных данных было достаточно. Даже если бы измерения показали, что эти идеи верны, то без предварительной очень серьезной математической работы в их следствиях пришлось бы разбираться довольно долго.

И эксперименты, и математика способствуют развитию науки. Но дорога прогресса редко бывает простой и понятной, и физики по–разному смотрят на то, какая стратегия исследований является наилучшей. Авторы моделей используют подход «снизу вверх», представленный в главе 15; они начинают с известных фактов (выясненных в ходе экспериментов), а затем обращаются к оставшимся загадкам и особенностям, не нашедшим объяснения. При этом они часто и активно используют теоретические математические построения. В предыдущей главе мы познакомились с некоторыми примерами моделей и поговорили о том, как характер модели влияет на поиск, который будут проводить на БАКе экспериментаторы.