Сабина Хоссенфельдер - Уродливая Вселенная [Как поиски красоты заводят физиков в тупик]

Оценка Горди основывается на одной из главных привлекательных особенностей суперсимметрии: она избавляет от необходимости выполнять тонкую настройку для массы бозона Хиггса, одной из двадцати пяти частиц Стандартной модели. Этот довод типичен, мы с такими еще не раз столкнемся, так что разберем его детально.

Бозон Хиггса – единственная известная частица своего типа, и он страдает от специфической математической проблемы, от которой другие элементарные частицы защищены: квантовые флуктуации вносят огромный вклад в его массу. Вклад квантовых флуктуаций обычно мал, но в случае бозона Хиггса он дает массу гораздо большую, чем наблюдаемая, – в 10 14раз больше. Не слегка неправильную, а недопустимо, катастрофически неверную [32] Напомню: 10 с верхним индексом x – это единица со шлейфом из x нулей. Например, 10 2 = 100. .

То, что математика дает ошибочный результат для массы хиггсовского бозона, легко исправить. Можно внести поправку в теорию посредством вычитания нужного члена – так, чтобы оставшаяся разность давала наблюдаемую массу. Подобная поправка возможна, поскольку ни один из членов по отдельности не измерить, измерима лишь разница между ними. Однако, производя такое действие, нужно аккуратно подобрать вычитаемый член, чтобы почти, но не полностью аннулировать вклад квантовых флуктуаций.

Для такого деликатного устранения требуется число, идентичное тому, что обуславливают квантовые флуктуации, в четырнадцати разрядах, а затем отличающееся в пятнадцатом. Но то, что пара таких близких чисел могла возникнуть случайно, кажется крайне маловероятным. Представьте, что вы дважды запускаете руку в огромную коробку, где лежат лотерейные билеты со всеми возможными пятнадцатизначными номерами. Если вы вытянете два билета с абсолютно одинаковыми, за исключением последней цифры, номерами, то подумаете, что этому должно быть объяснение – либо билеты плохо перемешаны, либо кто-то вас разыграл.

Физики чувствуют то же по поводу подозрительно маленькой разности двух больших чисел, необходимой, чтобы придать правильную массу бозону Хиггса, – это словно бы требует объяснения. Но поскольку, когда речь идет о законах природы, мы не вытягиваем номера из коробки, мы лишены возможности сказать, насколько это вероятно или невероятно. Следовательно, то, что масса хиггсовского бозона требует объяснения, на самом деле ощущение, а не факт.

Число, будто бы нуждающееся в объяснении, физики называют «тонко настроенным» ( fine-tuned ), а теорию без тонко настроенных чисел – «естественной» [33] Термин «тонкая настройка» имеет несколько иное значение в космологии. Мы обсудим это дальше. . Часто естественную теорию еще описывают как ту, которая использует только числа, близкие к единице. Эти два определения естественности одинаковы, ведь если два числа близки друг к другу, то разность между ними много меньше единицы.

Итак, числа очень большие, очень маленькие и очень близкие неестественны. В рамках Стандартной модели масса бозона Хиггса неестественна, что делает эту модель некрасивой.

Суперсимметрия значительно улучшает ситуацию, поскольку предохраняет от непомерно больших вкладов квантовых флуктуаций в массу хиггсовского бозона. Так происходит потому, что суперсимметрия обеспечивает необходимое аккуратное устранение заметных вкладов сама по себе, без необходимости осуществлять тонкую настройку. Остаются только более умеренные вклады от масс суперпартнеров. Условие, что все массы естественны, означает, что первые суперпартнеры должны появиться при энергиях, не слишком далеких от тех, при которых появляется сам бозон Хиггса. Ведь если суперпартнеры существенно тяжелее хиггсовского бозона, их вклады должны быть устранены тонкой настройкой, чтобы дать меньшую массу бозона Хиггса. И хотя подобное возможно, кажется абсурдным выполнять тонкую настройку SUSY, раз одно из главных привлекательных ее свойств в том, что она обходится без тонкой настройки.

Если вдруг я потеряла вас на квантовой математике, суть такова: нам не нравятся маленькие числа, поэтому мы изобрели способ обходиться без них, и если это правильно, то мы должны увидеть новые частицы. Это не предсказание, а желание. Однако же эти доводы стали настолько обыденными, что в физике элементарных частиц используются без колебаний.

То, что тяжелые суперпартнеры снова вызовут проблемы с естественностью, было основной причиной, по которой многие физики верили: новые частицы должны объявиться в Большом адронном коллайдере. «Если SUSY существует, многие из важнейших причин ее использования требуют некоторых SUSY-частиц в области ТэВ» – фраза из цикла лекций, прочитанного в 2005 году Карлосом Вагнером в Институте Энрико Ферми в Чикаго 50. Цитирую эти слова единственно для того, чтобы показать, что я слышала на десятках семинаров. «Теоретики любят SUSY за ее элегантность, – написал Леон Ледерман незадолго до того, как заработал Большой адронный коллайдер. – Большой адронный коллайдер позволит нам установить, существует SUSY или нет: даже если «скварки» и «глюино» [два типа суперпартнеров] имеют такую большую массу, как 2,5 ТэВ, Большой адронный коллайдер найдет их» 51.

Бозон Хиггса был обнаружен с массой примерно 125 ГэВ. Но никаких суперпартнеров не выявилось, да и вообще ничего такого, что не могла бы объяснить Стандартная модель. Как мы теперь знаем, это означает, что, если суперпартнеры существуют, их массы должны быть тонко настроены. Похоже, естественность попросту неверна.

Поскольку аргументы о естественности оказались ошибочными, специалисты по физике элементарных частиц в растерянности: как быть дальше? Проводник, которому верили больше всего, кажется, подвел их.

Первый цикл Большого адронного коллайдера был запущен в 2008 году. Сейчас декабрь 2015-го, никаких признаков суперсимметрии найдено не было, что вопиюще противоречит предсказанию Горди 2001 года. Однако после двухгодичной модернизации коллайдер вновь заработал в начале текущего года, на этот раз на энергии 13 ТэВ, и мы пока не видели результатов второго запуска, так что надежда все еще теплится [34] По состоянию на сентябрь 2020 года принципиально, увы, ничего не изменилось. У физиков по-прежнему нет доказательств существования суперсимметрии. – Прим. перев. .

На конференции во время перерыва мне удается спросить мнение Горди о нынешней ситуации: «Что вы подумали, когда суперпартнеры в Большом адронном коллайдере не обнаружились?»

«Не было никаких причин ожидать их появления в первом цикле, – говорит Горди. – Ни единой, кроме этого наивного аргумента о естественности. Но если вы на самом деле ищете теорию, которая дает предсказания, то это теория струн. Суперпартнеры и не должны возникнуть в первом цикле. Они могут проявиться во втором».