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

Пока поиски частицы Хиггса шли безо всяких результатов, ускорители всё ближе подбирались к теоретическому верхнему пределу массы легкого бозона Хиггса. Предел этот располагался где-то около 135 масс протона, а подробности в некоторой степени зависели от модели. Если бы до этого предела частицы Хиггса не обнаружилось, следовало бы сделать вывод, что весь шум по поводу суперсимметрии не более чем шум.

Но дело обернулось иначе. Частица Хиггса, которую удалось пронаблюдать на БАКе, имеет массу около 125 масс протона. Возможно, Великое объединение уже рядом.

Ответ в настоящее время… не слишком ясен. Сигнатуры новых суперсимметричных партнеров обычных частиц должны были быть настолько заметными на БАКе, что многие из нас считали, что у БАКа гораздо больше шансов открыть суперсимметрию, чем обнаружить бозон Хиггса. Но получилось не так. Сегодня, после трех лет работы БАКа, у нас по-прежнему нет никаких признаков частиц-суперпартнеров. Ситуация уже начинает выглядеть некомфортной. Нижнее ограничение на массы суперсимметричных партнеров обычного вещества поднимается все выше. Но если оно поднимется слишком высоко, то масштаб нарушения суперсимметрии уже не будет близок к электрослабому масштабу и многие привлекательные черты нарушения суперсимметрии как средства решения проблемы иерархии исчезнут.

Пока, однако, ситуация не безнадежна, а БАК вновь включен, на этот раз на более высоких энергиях. Может так случиться, что в какой-то год между написанием этих слов и десятым переизданием этой книги суперсимметричные частицы будут обнаружены.

Если действительно так и произойдет, это повлечет за собой еще одно важное следствие. Одна из крупнейших загадок космологии – природа скрытой массы, составляющей, судя по всему, большую часть массы всех наблюдаемых нами галактик. Как я уже упоминал, ее так много, что она просто не может состоять из тех же частиц, из которых состоит нормальное вещество. В противном случае расчеты, к примеру, обилия легких элементов, возникших в процессе Большого взрыва, таких как гелий, уже не сходились бы с данными наблюдений. Поэтому физики практически уверены, что «темная материя» состоит из элементарных частиц неизвестного типа. Но из каких именно?

Самый легкий суперсимметричный партнер обычного вещества в большинстве моделей абсолютно стабилен и обладает многими свойствами нейтрино. Он должен, по идее, слабо вступать во взаимодействие и быть электрически нейтральным, так что он не будет излучать или поглощать свет. Более того, расчеты, проведенные мной и другими физиками более тридцати лет назад, показали, что остаточное обилие легчайшей суперсимметричной частицы, оставшейся после Большого взрыва, естественным образом попадает в диапазон, позволяющий этой частице быть той самой темной материей, которая преобладает в массе галактик.

В этом случае наша Галактика должна иметь гало из частиц темной материи, пронизывающих ее во всех направлениях, в том числе пролетающих и через комнату, в которой вы сейчас это читаете. Как многие из нас поняли некоторое время назад, это означает, что если сконструировать чувствительные детекторы и поместить их под землю – аналогично, по крайней мере по духу, уже существующим под землей нейтринным детекторам, – то можно было бы непосредственно регистрировать эти частицы темной материи. В данный момент полдюжины красивых экспериментов по всему миру готовятся делать именно это. Пока, однако, ничего увидеть не удалось.

Так что, возможно, мы сегодня живем в лучшие – или в худшие – времена. Идет гонка между детекторами на БАКе и специальными подземными детекторами темной материи – кто сумеет первым раскрыть ее природу. Если любая из этих групп объявит об обнаружении частиц, это объявление станет сигналом о начале новой эпохи открытий, потенциально способных привести нас к пониманию самого Великого объединения. А если в ближайшие годы не будет сделано никакого открытия, то мы сможем исключить гипотезу о простом суперсимметричном происхождении темной материи, а затем исключить и саму гипотезу о суперсимметрии как решении проблемы иерархии. В этом случае нам придется вновь возвращаться к началу и создавать новые гипотезы – правда, если мы не получим с БАКа никаких новых сигналов, то не будем знать, в каком направлении двигаться, чтобы построить модель природы, которая в конечном итоге может оказаться верной.

Ситуация стала еще интереснее, когда БАК сообщил о заманчивом сигнале, говорящем, возможно, о новой частице примерно вшестеро тяжелее бозона Хиггса. Эта частица не обладала характеристиками, которые можно было бы ожидать от какого-нибудь суперсимметричного партнера обычного вещества. Обычно самые волнующие, выбивающиеся из ряда вон сигналы уходят, когда набирается больше данных, и где-то через полгода после первого появления этого сигнала, когда набралось больше данных, он исчез. Если бы этого не произошло, он мог бы полностью изменить наши представления о теориях Великого объединения и электрослабой симметрии, с появлением взамен нового фундаментального взаимодействия и нового набора частиц, чувствующих это взаимодействие. Но, хотя загадочный сигнал породил множество оптимистичных теоретических статей, природа, судя по всему, решила иначе.

Надо сказать, что одну группу физиков-теоретиков отсутствие ясного экспериментального направления или подтверждения суперсимметрии пока не беспокоит. Математическая красота суперсимметрии подтолкнула ученых в 1984 г. к возрождению идеи, дремавшей с 1960-х гг., когда Намбу и другие пытались разобраться в сильном взаимодействии, представив его как теорию кварков, соединенных между собой струноподобными возбуждениями. Когда суперсимметрия была включена в квантовую теорию струн, чтобы получить новую теорию суперструн, начали появляться поразительно красивые математические результаты, включая возможность объединения не только трех негравитационных взаимодействий, но всех четырех известных сил природы в единую непротиворечивую квантовую теорию поля.

Однако эта теория требует существования целого набора новых пространственно-временных измерений, ни одного из которых никому до сих пор не удалось увидеть. Кроме того, эта теория не дает предсказаний, проверяемых при помощи хотя бы задуманных на данный момент экспериментов. Наконец, в последнее время эта теория сильно усложнилась, так что теперь сами струны, кажется, уже не являются в ней главными динамическими переменными.

Все это нисколько не пригасило энтузиазм плотного ядра высокоталантливых физиков, преданных этой идее; более тридцати лет – с середины 1980-х гг., времени ее максимальной популярности, они продолжают работать над теорией суперструн, которая теперь носит название M-теории. Периодически появляются заявления о крупных успехах, но до сих пор M-теории недостает ключевого элемента, делающего Стандартную модель триумфом научной мысли: способности установить контакт с миром, который мы в состоянии измерить, разрешить неразрешимые прежде загадки и дать фундаментальные объяснения тому, как возник наш мир и почему он получился именно таким. Это не означает, что M-теория неверна, но в данный момент это по большей части ничем не подтвержденные рассуждения, хотя рассуждения разумные и хорошо мотивированные.