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

Проблема иерархии очень остро стоит для Стандартной модели с одним бозоном Хиггса. Технически лазейка в этой структуре имеется. Масса хиггса без учета виртуальных составляющих может оказаться громадной и принимать именно то значение, чтобы скомпенсировать виртуальные составляющие как раз до необходимого нам уровня точности. Проблема в том, что это, хотя и возможно, означало бы, что надо аккуратно компенсировать шестнадцать десятичных знаков.

Все мы, физики, считаем, что проблема иерархии (именно под таким названием известна несогласованность масс) указывает на нечто большее — и лучшее — в фундаментальной теории. Пока ни одна простая модель не смогла полностью справиться с этой проблемой. Все перспективные варианты связаны с тем, чтобы расширить Стандартную модель и приписать ей новые свойства. Решение проблемы иерархии наряду с выяснением принципа действия механизм Хиггса является основной задачей БАКа — и темой следующей главы.

В январе 2010 г. мои коллеги собрались в Южной Калифорнии на конференцию, чтобы обсудить проблемы физики элементарных частиц и поиск скрытой массы в эпоху БАКа. Организатор конференции Мария Спиропулу — ученый–экспериментатор на CMS и сотрудник физического факультета Калифорнийского технологического института — попросила меня прочитать первую лекцию, рассказать о БАКе и дать обзор основных физических целей на ближайшее будущее.

Мария хотела, чтобы конференция получилась динамичной, и предложила нам начать с «дуэли» между тремя выступающими. Мало того, что термин «дуэль» в применении к трем участникам звучит странно, еще и аудитория с множеством приглашенных гостей оказалась очень сложной — в ней присутствовали как специалисты, так и просто интересующиеся представители научного мира Калтеха. Мария попросила уделить побольше внимания темным моментам современных теорий и экспериментов, причем излагать простым и доступным языком.

Я поступила так, как поступил бы на моем месте любой разумный человек перед лицом таких противоречивых требований: начала тянуть время. Результатом моих изысканий в Сети стал первый слайд презентации (рис. 56); позже Деннис Овербай опубликовал его в The New York Timesв своей статье о конференции — вместе с опечаткой в слове «суперсимметрия».

Возле каждого участника «дуэли» (это были я и еще двое выступающих) стояла табличка, из которой было ясно, какую из моделей он намеревается защищать. Все участники конференции, как бы сильно они ни были убеждены в верности своей модели, прекрасно понимали, что в самом ближайшем будущем появятся новые объективные данные, которые и решат вопрос о том, кто будет смеяться последним (или получит Нобелевскую премию).

РИС. 56. Такими я представила модели–кандидаты на слайде для своей презентации

БАК предоставляет нам уникальную возможность получить новые знания и сформировать новые представления о мире. Специалисты в области физики элементарных частиц надеются очень скоро узнать ответы на сложные вопросы, над которыми мы размышляем уже не один десяток лет. Почему частицы обладают массами? Из чего состоит темное вещество? Решают ли дополнительные измерения проблему иерархии? Участвуют ли в этом дополнительные симметрии пространства–времени? Или здесь работает какой‑то совершенно неизвестный механизм?

Среди предлагаемых ответов — модели с такими названиями, как суперсимметрия, техницвети дополнительные измерения.Вообще говоря, ответы могут оказаться далекими от всего, что предлагалось, но эти модели дают нам конкретные цели поиска и говорят о том, на что надо обратить внимание. В этой главе представлено несколько моделей–кандидатов, которые каждая по–своему пытаются решить проблему иерархии; рассказ о них позволит ощутить «аромат» тех исследований, которые будут проводиться на БАКе. Поиск доказательств в пользу всех моделей ведется одновременно; какой бы ни оказалась подлинная теория природы, наши исследования не пропадут даром: в любом случае нас ждут важные открытия.

Начнем, пожалуй, с необычного вида симметрии, известного как суперсимметрия, и моделей с ее участием. Если бы вы провели опрос среди физиков–теоретиков, то значительная их часть сказала бы, что суперсимметрия решает проблему иерархии. А если бы вы опросили экспериментаторов на тему о том, что им больше всего хочется найти, то значительная их часть также назвала бы суперсимметрию.

Еще в 1970–е гг. многие физики уверовали в то, что такие красивые и удивительные теории, так теория суперсимметрии, просто обязаны быть верными, а сама суперсимметрия должна существовать. Более того, они вычислили, что фундаментальные взаимодействия на высоких энергиях в модели суперсимметрии должны действовать с одинаковой силой — и это даже лучше, чем приблизительное соответствие, которое наблюдается в Стандартной модели; в перспективе это допускает объединение взаимодействий.

Многие теоретики также считают, что суперсимметрия — самое убедительное решение проблемы иерархии из всех имеющихся, несмотря на то что согласовать все детали этой теории с уже известными фактами очень трудно.

Суперсимметричные модели предполагают, что у каждой элементарной частицы Стандартной модели — у электронов, кварков и т. п. — имеется партнер в виде частицы с теми же параметрами взаимодействий, но иными квантово–механическими свойствами. Если мир суперсимметричен, то в нем существует множество неизвестных частиц, которые в скором времени могут быть обнаружены: речь идет о суперсимметричных партнерах всех известных частиц (рис. 57).

РИС. 57. В теории суперсимметрии у каждой частицы Стандартной модели имеется суперсимметричный партнер, символ которого дополняется значком тильды, а название — у кварков и лептонов — буквой s впереди. Сектор Хиггса в ней также усилен по сравнению со Стандартной моделью

Суперсимметричные модели действительно могли бы помочь в решении проблемы иерархии; если так, они делали бы это весьма примечательным способом. В полностью суперсимметричной модели виртуальный вклад от частиц и их суперсимметричных партнеров в точности компенсируется. Иными словами, если сложить квантово–механический вклад от всех частиц суперсимметричной модели и прибавить получившуюся величину к массе бозона Хиггса, обнаружится, что прибавка в точности равняется нулю. В суперсимметричной модели Хиггс будет легким или вообще безмассовым даже с учетом виртуальных квантово–механических «добавок». В настоящей суперсимметричной теории вклады от обоих типов частиц полностью компенсируются (рис. 58).