Стивен Габсер - Маленькая книга о большой теории струн

Решённая или нет, но проблема высокотемпературной сверхпроводимости даёт несколько хороших уроков теории струн. Главный из них состоит в том, что одних только теоретических выкладок зачастую недостаточно. Высокотемпературная сверхпроводимость была открыта экспериментально, в то время как теоретики до сих пор не в состоянии дать удовлетворительное объяснение этому явлению. Правильная теория реального мира может быть весьма далека от того, что мы способны вообразить. Хрупкость электронных пар, удерживаемых звуковыми волнами, напоминает мне вялость дополнительных измерений, едва удерживаемых в свёрнутом состоянии. Не исключено, что «настоящая» теория струн, описывающая реальный мир, так же сильно отличается от конструкции, в которой дополнительные измерения связаны бранами и скреплены магнитными полями, как современное объяснение сверхпроводимости отличается от теоретических построений 1950-х годов. И процесс её построения может затянуться.

В пятой главе я упомянул длинный список известных элементарных частиц: фотоны, гравитоны, электроны, кварки (шесть разновидностей!), глюоны, нейтрино и ещё несколько других. Говоря о полном списке, стоит отметить, что он включает множество различных частиц с совершенно разными свойствами, участвующих в различных взаимодействиях. Факт существования такого списка с мольбой взывает к новой универсальной теории, которая содержала бы лишь несколько элементарных объектов и объясняла бы физические взаимодействия на более глубоком уровне. Для объяснения закономерностей периодической таблицы химических элементов потребовалось создание теории строения атома. Гелий, аргон, калий и медь столь же различны, сколь и типы химических реакций, в которые они вступают. Но теория строения атома показала, что все химические элементы состоят из электронов, находящихся в определённых квантовых состояниях и колеблющихся около атомных ядер, состоящих из протонов и нейтронов. Длинный список элементарных частиц может быть объяснён теорией струн, но сама теория струн в свою очередь тоже успела обзавестись целым выводком разнообразных объектов: D-бранами, солитонными 5-бранами, M-бранами и т. п., — и никто не знает, как можно и можно ли вообще придумать для описания этих объектов более общую теорию, вскрывающую новый уровень, следующий за уровнем дуальностей теории струн.

Столкновение двух протонов в БАК может родить бозон Хиггса. В изображённом на рисунке процессе бозон Хиггса быстро распадается на b-кварк и анти-b-кварк, которые могут быть зафиксированы детектором. Но образующийся одновременно с этим мусор из прочих частиц мешает понять, что же происходит в действительности

Самая массивная из открытых на сегодняшний день частиц — это t-кварк. Его масса в 182 раза превосходит массу протона, t-кварк был открыт в 1995 году большой коллаборацией экспериментаторов на Теватроне, являвшемся крупнейшим ускорителем в США. Протоны и антипротоны, летящие навстречу друг другу по большому кольцу (диаметром примерно 2 км), сталкиваются лоб в лоб, имея энергию, в 1000 раз превосходящую их энергию покоя. Неудивительно, что они рождают t-кварки, обладая таким запасом энергии. Более того, теоретически они могли бы родить частицу вдесятеро более массивную, чем t-кварк, поскольку суммарная энергия, выделяющаяся при столкновении протона и антипротона в 1000 + 1000 = 2000 раз превосходит массу протона. К сожалению, почти невозможно добиться того, чтобы вся энергия столкновения переходила в массу одной частицы, и всё потому, что протон и антипротон не являются точечными частицами, а обладают внутренней структурой. Каждый из участников столкновения состоит из трёх кварков и нескольких глюонов. При столкновении протона и антипротона большинство кварков пролетают друг мимо друга или испытывают лишь скользящее столкновение. Интерес представляют столкновения, при которых один из кварков или один из глюонов, находящийся внутри протона, сталкивается лоб в лоб с одним из кварков или глюонов, находящихся внутри антипротона. Такое жёсткое столкновение, называемое жёстким процессом , и приводит к рождению t-кварка. Жёсткие процессы должны также приводить и к рождению бозонов Хиггса. Поскольку в жёстком процессе участвуют только по одному кварку или глюону от каждого протона или антипротона, то на рождение t-кварка тратится только часть общей энергии столкновения протона с антипротоном.

БАК способен сталкивать протоны с энергией, в 15 000 раз превышающей их массу. Энергия, расходуемая на жёсткие процессы, составляет порядка одной десятой от полной энергии протона. С точностью до порядка можно сказать, что БАК способен в большом количестве рождать частицы, масса которых более чем в 1000 раз превосходит массу протона, в то время как масса отдельных рождаемых частиц может превосходить массу протона более чем в 2000 раз. Но чем тяжелее частица, тем реже она встречается среди продуктов реакции.

Какие же новые типы частиц можно ожидать среди продуктов реакций в экспериментах на БАК? На момент написания этой книги самым честным ответом будет: «А чёрт его знает...». Я не хочу утверждать, что строительство БАК окажется пустой тратой денег, если он ничего не обнаружит, хотя это и будет горькой правдой. Я надеюсь, что независимо от того, справедливы ли гипотеза существования суперсимметрии и теория струн, должно обнаружиться что-то интересное в диапазоне энергий, покрываемом БАК, помимо вроде как открытого бозона Хиггса. Мне бы хотелось, чтобы это была суперсимметрия. Убеждённость, что в этом диапазоне энергий что-то есть, основывается на идее перенормировки. Я вкратце качественно изложил эту идею в четвёртой главе и напомню, что перенормировка — это математическая машинерия, позволяющая получить полное описание облака виртуальных частиц, окружающее электрон или какую-нибудь другую частицу. Перенормировка работает, только если в исследуемом диапазоне энергий существует что-нибудь типа бозона Хиггса. А для того, чтобы перенормировка работала гладко, помимо бозона Хиггса должна обнаружиться и суперсимметрия. Но не следует забывать, что указанная математическая машинерия — это не реальный мир. Всё может оказаться совсем не таким, как мы придумали. В экспериментах БАК может обнаружиться нечто, чего мы даже не могли вообразить, и это будет самым возбуждающим результатом. Впрочем, стоит сказать, что если БАК не обнаружит ничего, то такой результат окажется не менее потрясающим.

Вернёмся к суперсимметрии — наиболее предпочитаемому кандидату на исследование в БАК. Как я уже говорил, самое поразительное предсказание суперсимметрии состоит в том, что у каждой элементарной частицы должен существовать суперсимметричный партнёр, обладающий таким же зарядом, такой же массой и участвующий в тех же взаимодействиях, но отличающийся значением спина. У нас есть электрон, а суперсимметрия предсказывает существование суперэлектрона, называемого сэлектроном . У нас есть фотоны — суперсимметрия предсказывает существование суперфотонов — фотино . Аналогично суперсимметрия предсказывает существование скварков , глюино , снейтрино и гравитино . Даже бозон Хиггса должен иметь суперпартнёра, обычно называемого хиггсино . Как я объяснял ранее, суперсимметрия не может быть точной, в частности потому, что не существует сэлектрона, имеющего точно такую же массу, как и электрон. Приблизительная, или нарушенная , суперсимметрия всё ещё предсказывает существование сэлектрона, фотино, снейтрино и остальных счастиц , но их массы оказываются во много раз больше масс их обычных партнёров. Есть основания предполагать, что массы искомых суперчастиц лежат в пределах досягаемости Большого адронного коллайдера. Если это так, то БАК окажется самой плодовитой исследовательской установкой в истории и даст нам в руки не одну-две, а целую дюжину новых фундаментальных частиц.