Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Пока происходили все эти события, теоретики не могли не воспользоваться новыми математическими инструментами и не исследовать новый тип симметрии в природе, которую стали называть суперсимметрией. Эта фундаментальная симметрия отличается от любой известной нам ранее тем, что связывает два разных типа частиц – фермионы (частицы с полуцелым спином) и бозоны (частицы с целым спином). Суть этого явления (множество книг, в том числе и моих, подробно разбирают эту идею) сводится к тому, что если эта симметрия имеет место в природе, то для каждой известной частицы Стандартной модели должна существовать по крайней мере одна соответствующая ей новая элементарная частица. Для каждого известного бозона должен существовать новый фермион, а для каждого известного фермиона – новый бозон.

Поскольку мы пока не видели этих частиц, ясно, что эта симметрия не может проявляться в окружающем нас мире на том уровне, на котором мы его воспринимаем, и, кроме того, она должна быть нарушена, а значит, все новые частицы будут обладать массами, причем массами достаточно большими, чтобы частицы эти нельзя было увидеть ни на одном из построенных до сих пор ускорителей.

Что может быть такого привлекательного в симметрии, чтобы вдруг удвоить все частицы в природе без всяких доказательств существования каких бы то ни было новых частиц? В значительной мере ее соблазнительность кроется в самом факте Великого объединения. Поскольку если теория Великого объединения проявляется на масштабе масс, на пятнадцать-шестнадцать порядков выше массы покоя протона, то этот масштаб также примерно на тринадцать порядков превышает тот, на котором нарушается электрослабая симметрия. И встает большой вопрос: как и почему может существовать такая громадная разница в масштабах для фундаментальных законов природы? Или иначе: если частица Хиггса из Стандартной модели действительно представляет собой последний уголок этой модели, то почему энергетический масштаб нарушения хиггсовской симметрии на тринадцать порядков уступает тому масштабу, на котором нарушается симметрия, связанная с каким-то новым полем, которое необходимо ввести, чтобы нарушить симметрию Великого объединения и разделить составляющие его силы?

Проблема эта куда серьезнее, чем кажется. Скалярные частицы, такие как бозон Хиггса, имеют несколько новых квантово-механических свойств, не похожих на свойства фермионов со спином 1, таких как калибровочные частицы. При рассмотрении влияния виртуальных частиц, включая частицы сколь угодно большой массы, такие как калибровочные частицы гипотетической теории Великого объединения, оказывается, что они ведут к повышению массы бозона Хиггса и, соответственно, масштаба, на котором нарушается хиггсовская симметрия, таким образом, что он, по существу, сближается или даже сходится с тяжелым ТВО-масштабом. Это порождает проблему, получившую известность как проблема естественности. С формальной точки зрения неестественно иметь громадный разрыв между масштабом, на котором электрослабая симметрия нарушается механизмом Хиггса, и масштабом, на котором симметрия ТВО нарушается неким неизвестным тяжелым скалярным полем.

Блестящий математический физик Эдвард Виттен утверждал в известной статье 1981 г., что суперсимметрия обладает одним особым свойством. Она способна смягчать действие, которое виртуальные частицы сколь угодно большой массы и энергии оказывают на свойства мира в масштабах, которые мы в состоянии в данный момент исследовать. Поскольку виртуальные фермионы и виртуальные бозоны равной массы вносят совершенно одинаковые, различающиеся только знаком квантовые поправки, то, если каждый бозон сопровождается фермионом такой же массы, квантовые эффекты этих виртуальных частиц взаимно компенсируются. Это означает, что влияние виртуальных частиц сколь угодно большой массы и энергии на физические свойства Вселенной в масштабах, доступных нашему измерению, может быть полностью устранено.

Однако если сама суперсимметрия тоже нарушается, то квантовые поправки полностью компенсироваться не будут. Вместо этого они будут давать свой вклад в массы, причем того же масштаба, как и масштаб, на котором нарушается суперсимметрия. Если бы он был сравним с масштабом нарушения электрослабой симметрии, это объясняло бы масштаб массы частицы Хиггса. Это означает также, что нам следует ожидать появления множества новых частиц – суперсимметричных партнеров обычного вещества – на масштабе, исследованием которого в настоящее время занимается БАК.

Это разрешило бы проблему естественности, поскольку защитило бы массу бозона Хиггса от возможных квантовых поправок, способных загнать ее вверх до масштабов энергии, связанных с Великим объединением. Суперсимметрия допускала бы «естественную» большую разницу в энергиях (и массах) между электрослабым масштабом и масштабом Великого объединения.

Тот факт, что суперсимметрия могла бы в принципе решить проблему иерархии, как ее стали называть, сильно повысил ее репутацию в глазах физиков. Это побудило теоретиков начать исследование реалистичных моделей, включающих в себя нарушение суперсимметрии, и других физических следствий из этой идеи. Когда они занялись этим, рейтинг суперсимметрии подскочил до небес. Поскольку если включить возможность спонтанного нарушения суперсимметрии в расчеты изменения трех негравитационных взаимодействий с расстоянием, то внезапно выяснится, что сила всех трех взаимодействий естественным образом сойдется на единственном масштабе очень малых расстояний. Великое объединение снова на коне!

Модели, в которых суперсимметрия нарушается, обладают еще одной привлекательной чертой. Задолго до открытия истинного кварка было указано, что если истинный кварк окажется тяжелым, то через взаимодействия с другими суперсимметричными партнерами он может давать квантовые поправки к свойствам частицы Хиггса, которые вызовут конденсацию поля Хиггса на измеренном для него масштабе энергий, притом что Великое объединение имеет место на куда более высоком, сверхтяжелом масштабе. Короче говоря, энергетический масштаб нарушения электрослабой симметрии может генерироваться естественным образом в рамках теории, в которой Великое объединение происходит при намного более высоком масштабе энергий. Когда истинный кварк был открыт и действительно оказался тяжелым, это добавило привлекательности гипотезе о том, что за наблюдаемый масштаб энергии слабого взаимодействия отвечает, возможно, нарушение суперсимметрии.

Однако за все это приходится платить. Чтобы эта теория работала, должен существовать не один бозон Хиггса, а два. Более того, можно было бы ожидать появления новых суперсимметричных частиц, если удалось бы построить ускоритель вроде БАКа, способный искать новые физические закономерности вблизи электрослабого масштаба. Наконец, хотя какое-то время это казалось чертовски неприятным ограничением, более легкая частица Хиггса в этой теории не могла быть слишком тяжелой; в противном случае механизм не работал бы.