Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Хоча відсутність протонних розпадів розчаровувала, її не можна було назвати абсолютно несподіваною. Відтоді як теорія Великого об’єднання була запропонована вперше, фізичний ландшафт дещо змінився. Більш точні вимірювання реальних сил трьох негравітаційних взаємодій, поєднані з більш хитромудрими обрахунками залежності сили цих взаємодій від відстані, показали, що, якщо в природі існують лише частинки Стандартної моделі, сили цих трьох сил на жодному єдиному масштабі не об’єднуються. Для того, щоб відбулося Велике об’єднання, має існувати якась нова фізика на енергетичних масштабах поза межами вже спостережених. Наявність нових частинок вплине не лише на швидкість зміни трьох відомих взаємодій із відстанню таким чином, що вони все-таки зможуть об’єднатися на якомусь одному масштабі енергії; це спричинюватиме підвищення масштабу Великого об’єднання, а отже, зменшуватиме швидкість протонного розпаду, що приведе до передбачених часів життя, які перевищують мільйони мільярдів мільярдів мільярдів років.

Паралельно з усіма цими подіями нові математичні інструменти спонукали теоретиків узятися за дослідження можливого нового типу симетрії природи, яка стала відомою як суперсиметрія. Ця фундаментальна симетрія відрізняється від усіх досі відомих симетрій тим, що поєднує два різні типи частинок природи: ферміони (частинки з дробовими спінами) та бозони (частинки з цілочисельними спінами). Наслідком цього (багато інших книжок, зокрема декілька моїх, детально досліджують це питання) є те, що, якщо ця симетрія існує в природі, тоді для кожної відомої частинки Стандартної моделі має існувати принаймні одна відповідна нова елементарна частинка. Для кожного відомого бозона має існувати новий ферміон. Для кожного відомого ферміона має існувати новий бозон.

Оскільки ми досі не бачили цих частинок, ця симетрія не може проявлятися у світі на рівні наших відчуттів і має бути порушеною, що означає, що всі нові частинки отримують достатньо великі маси, щоб не засікатися жодним зі збудованих нині прискорювачів.

Що може бути привабливим у симетрії, яка раптом подвоює кількість частинок у природі за відсутності будь-яких свідчень існування хоч якихось із цих нових частинок? Великою мірою її звабливість полягає в самому факті Великого об’єднання. Оскільки, якщо теорія Великого об’єднання існує на масштабі маси енергії, вищому на 15–16 порядків за масу спокою протона, це відповідає енергії, приблизно на 13 порядків вищій за розмірність порушення електрослабкої симетрії. Головне питання тут у тому, чому і яким чином може існувати настільки величезна різниця масштабів фундаментальних законів природи. Зокрема, якщо Стандартна модель Хіггса є останнім істинним залишком Стандартної моделі, постає питання, чому енергетична розмірність порушення симетрії Хіггса на 13 порядків менша за розмірність порушення симетрії, пов’язаної з новим полем (яким би воно не було), яке необхідно ввести задля розбиття ТВО-симетрії на окремі складові сили?

Ця проблема дещо серйозніша, аніж здається. Скалярні частинки на кшталт бозона Хіггса мають кілька нових квантовомеханічних властивостей, відмінних від властивостей ферміонів чи частинок зі спіном 1 на кшталт калібрувальних частинок. Якщо розглянути впливи віртуальних частинок, зокрема частинок із довільно великими масами, таких як калібрувальні частинки гаданої теорії Великого об’єднання, виявиться, що вони схильні підвищувати масштаб маси та порушення симетрії бозона Хіггса так, що він, по суті, стає близьким або навіть ідентичним масштабу важкої ТВО-частинки. Це спричиняє проблему, відому як проблема природності. З формальної точки зору неприродно мати величезний розрив між розмірністю, на якій електрослабка симетрія порушується частинкою Хіггса, і розмірністю, на якій ТВО-симетрія порушується яким би не було новим важким скалярним полем.

Блискучий математичний фізик Едвард Віттен у впливовій статті від 1981 року показав, що суперсиметрія має особливу властивість. Вона здатна вгамувати вплив віртуальних частинок довільно великої маси та енергії на властивості світу на нині досліджуваних нами масштабах. Оскільки віртуальні ферміони й віртуальні бозони однакової маси породжують квантові корегування, ідентичні з точністю до знака, тоді якщо кожен бозон супроводжується ферміоном рівної маси, то квантові впливи віртуальних частинок взаємоскоротяться. Це означає, що впливи віртуальних частинок довільно великої маси та енергії на фізичні властивості всесвіту на масштабах, які ми здатні виміряти, будуть повністю нейтралізовані.