Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Суперсимметричная Вселенная — мечта любого любителя кроссвордов 181 181 Для введения в теорию суперсимметрии см., например, “Nature’s Blueprint: Supersymmetry and the Search for a Unified Theory of Matter and Force”, написанную ученым из Фермилаба Дэном Хупером (Dan Hooper, Smithsonian, 2008). Для более глубокого изучения см. кн.: Steven Weinberg. The Quantum Theory of Fields: Supersymmetry. Cambridge University Press, 2000. . Каждая частица — переносчик взаимодействия — имеет свою пару, гипотетическую частицу материи. Фотон, переносчик электромагнитных сил, имеет партнера — фотино. Партнерами глюонов, которые переносят сильное взаимодействие внутри атомных ядер, являются частицы, называемые глюино. А парами носителей слабого взаимодействия, W - и Z -бозонов, — виносы и зиносы. Обратное утверждение тоже справедливо. У каждой известной нам частицы материи есть пара — гипотетическая частица, носитель взаимодействия. Для электрона — селектрон, для кварков — скварк. Бозон Хиггса тоже получает своего собственного суперпартнера хиггсино.

На первый взгляд суперсимметрия кажется трюком, придуманным для того, чтобы представить мир более сложным, чем он есть на самом деле. Но есть серьезные основания считать, что эта теория адекватно отражает глубинную структуру природы. Не касаясь эстетических и лингвистических аспектов, скажем только, что суперсимметрия ликвидирует некоторые изъяны Стандартной модели, из чего следует, что та должна быть заменена на нечто лучшее.

Возьмем частицы Хиггса. В квантовом мире частица Хиггса легко обрастает виртуальными частицами, которые рождаются в вакууме и исчезают в нем. Эти мимолетные частицы дают вклад в массу самого хиггсовского бозона и могут вполне сделать его вес очень большим. Если сложить массы этих виртуальных частиц, налипших на бозон Хиггса, его вес возрастает более чем в 10 15раз по сравнению с тем, что, как предполагается, должен дать эксперимент. Физики называют это проблемой иерархии. Тяжелая частица Хиггса не может выполнять функцию, для которой она предназначена, то есть нарушать электрослабую симметрию. Если Хиггс окажется тяжелым лентяем, ученые будут вынуждены вернуться к своим письменным столам и придумать другой источник происхождения массы.

Вполне возможно, что законы природы столь тонко настроены, что эффекты увеличения веса за счет “налипания” одних виртуальных частиц компенсируются эффектами от налипания других виртуальных частиц, и таким образом бозон Хиггса остается легким. Но это, по мнению ученых, маловероятно. Для того чтобы такое случилось, свойства частиц и сил в Стандартной модели должны быть настроены с точностью, превосходящей пятнадцать знаков после запятой. С какой стати законы природы должны быть так чувствительны к самым незначительным изменениям? Суперсимметрия предлагает выход из тупика. В суперсимметричном квантовом мире именно суперпартнеры отбирают у бозона Хиггса излишек массы, который возникает из-за виртуальных частиц. W -бозон, появляясь на свет, цепляет проносящуюся мимо частицу Хиггса и делает ее тяжелее, и тогда скрытый двойник W -бозона — вино — тут как тут, чтобы отнять этот излишек веса.

Теория суперсимметрии развязывает и другой узел, завязанный в Стандартной модели. Физики считают, что сразу после Большого взрыва все силы природы, с которыми мы сталкиваемся сегодня, были объединены в одну Суперсилу. Когда температура Вселенной уменьшилась примерно до 10 15градусов, включилось поле Хиггса и разделило электромагнитные и слабые взаимодействия. Но сильное взаимодействие, которое удерживает кварки вместе внутри протонов и нейтронов, отделилось еще раньше, когда космический термометр показал 10 28градусов. В этом и заключается проблема. Ученые считают, что, если повернуть время вспять, к моменту возникновения Вселенной, различные взаимодействия должны в конечном итоге встретиться и объединиться в одно, но в рамках Стандартной модели этого не произойдет. Они подойдут близко, но никогда не сольются. В теории суперсимметрии этой неувязки нет — все силы сходятся в одной точке. Что еще больше вдохновляет физиков, так это то, что теория суперсимметрии указывает путь к объединению этих сил с гравитацией, которая полностью игнорируется в Стандартной модели.

Существует также вероятность того, что суперсимметрия даст ученым возможность разгадать одну из самых трудных головоломок, с которыми они когда-либо сталкивались. Действительно, как-то обескураживает, что сегодня, в XXI веке, мы не можем объяснить, из чего состоит 96 процентов видимой Вселенной. Наблюдения наших космических окрестностей привели ученых к выводу, что до 70 процентов всего, что там есть, связано с темной энергией — таинственной движущей силой, расширяющей Вселенную. Никто не знает, что такое темная энергия, и раскрытие этой тайны— основная цель физики. Стандартная модель описывает только 4 процента всей материи, которые мы можем увидеть в пространстве. Остальное — темная материя. Название это ничего не разъясняет. Темная материя не светит и не испускает тепло, поэтому мы не можем изучить ее строение, анализируя исходящие от нее излучения. Многие теоретики считают, что темная материя состоит из суперсимметричных частиц, называемых нейтралино, — самого легкого вида частиц, предсказываемых теорией.

Однако не все являются адептами теории суперсимметрии. Критики задают сторонникам теории простой вопрос. Если Вселенная является суперсимметричной, где все суперсимметричные частицы? Почему до сих пор не обнаружены селектрон, фотино или вино? Обычно отвечают, что в реальном мире суперсимметрия нарушается, и это делает частицы-суперпартнеры очень тяжелыми. Подобные доводы не так нелепы, как кажутся на первый взгляд. Хиггсовские поля нарушают симметрию, в основе электрослабого взаимодействия, в результате чего массы W - и Z -бозонов растут, а фотон остается без массы. Суперсимметрия могла бы быть нарушена аналогичным образом, сделав суперчастицы тяжелее, чем частицы обычной материи.

В лаборатории Ферми Конвей искал частицы Хиггса того типа, который описывается в так называемой минимальной суперсимметричной Стандартной модели (МССМ, суперсимметричном расширении Стандартной модели). Согласно этой теории, существует в общей сложности пять частиц Хиггса, и все они имеют различные веса и суперсимметричных партнеров. Три из них являются нейтральными, а две — заряженными.

Закончив свой доклад в Аспене, Конвей решил покататься на лыжах в сверкающих белоснежных горах, благодаря которым этот город считается одним из самых красивых горнолыжных курортов в мире. На склонах он встретился с Грэгом Ландсбергом, физиком из Университета Браун в Род-Айленде. Ландсберг работал в Фермилабе на детекторе DZero , расположенном на “Теватроне” напротив детектора CDF . Он сказал Конвею, что команда DZero собирается объявить о некоторых новых результатах, которые ему могут быть интересны.