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

Несмотря на все предосторожности, предпринятые Конвеем, слухи, что группа, возможно, вышла на след частицы Хиггса, распространялись как лесной пожар. “В течение двадцати четырех часов я получал непрерывно мейлы, и кто мне только не звонил! И все хотели знать, увидели мы Хиггса или нет”, — рассказал Конвей.

У физического сообщества были веские причины прийти в возбуждение. Если всплеск в данных Конвея вызван родившейся частицей Хиггса, распадающейся на тау-лептоны, это серьезно изменило бы понимание основных законов природы. Частица Хиггса не обычная частица. Она одна из квинтиплета, существование которого предсказывает теория суперсимметрии. В суперсимметричных вселенных, как мы знаем, каждая частица имеет более тяжелого партнера-невидимку, скрывающегося в тени. Теория эта очень красива с точки зрения математики, но абсолютно противоречит интуиции. Если бы она подтвердилась, это помогло бы физике выйти из депрессии, приоткрыв наконец-то дверь в мир, лежащий за пределами Стандартной модели. И обнаружение суперсимметричной частицы Хиггса могло положить этому начало.

Теоретикам, для которых красота и истина равнозначны, очевидно: природе должно быть стыдно, если она не включила в себя суперсимметрию. Как это часто бывает в физике, важность теории зависит от ее способности к объединению. Максвелл объединил электричество и магнетизм и при этом объяснил природу света. Эйнштейн объединил пространство и время и показал, что энергия и масса эквивалентны. Суперсимметрия, пожалуй, еще более амбициозна — она объединяет материю с силами природы.

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.