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

Вскоре наблюдения нейтрино высоких энергий, постоянно бомбардирующих Землю после того, как высокоэнергетические протоны космических лучей сталкиваются с атмосферой и порождают настоящий ливень частиц, включая и нейтрино, продемонстрировали, что и второй тип нейтрино обладает массой. Его масса несколько больше, но все же намного уступает массе электрона. За эти результаты руководители SNO и «Камиоканде» получили Нобелевскую премию 2015 г. – ровно за неделю до того, как я написал первый черновой вариант этих слов. Эти дразнящие намеки на новую физику до сих пор не находят объяснения в современных теориях.

Отсутствие протонного распада хотя и принесло физикам разочарование, не оказалось совсем уж неожиданным. С той поры, когда Великое объединение было впервые предложено, физический ландшафт слегка изменился. Более точные измерения реальной силы трех негравитационных взаимодействий вкупе с более изощренными расчетами изменения силы этих взаимодействий с расстоянием показали, что если в природе не существует ничего, кроме частиц Стандартной модели, то силы трех взаимодействий не объединяются друг с другом в одном масштабе. Чтобы Великое объединение произошло, необходимы дополнительно какие-то новые физические законы на масштабах энергии, выходящих за рамки тех, что удавалось наблюдать до сих пор. Присутствие новых частиц должно не только изменить скорость, с которой три известных взаимодействия меняются с масштабом, таким образом, чтобы все они могли объединиться в одном энергетическом масштабе; оно также, скорее всего, повысит масштаб Великого объединения и таким образом снизит частоту протонного распада – и даст протонам предсказанное время жизни, превышающее миллион миллиардов миллиардов миллиардов лет.

Пока происходили все эти события, теоретики не могли не воспользоваться новыми математическими инструментами и не исследовать новый тип симметрии в природе, которую стали называть суперсимметрией. Эта фундаментальная симметрия отличается от любой известной нам ранее тем, что связывает два разных типа частиц – фермионы (частицы с полуцелым спином) и бозоны (частицы с целым спином). Суть этого явления (множество книг, в том числе и моих, подробно разбирают эту идею) сводится к тому, что если эта симметрия имеет место в природе, то для каждой известной частицы Стандартной модели должна существовать по крайней мере одна соответствующая ей новая элементарная частица. Для каждого известного бозона должен существовать новый фермион, а для каждого известного фермиона – новый бозон.

Поскольку мы пока не видели этих частиц, ясно, что эта симметрия не может проявляться в окружающем нас мире на том уровне, на котором мы его воспринимаем, и, кроме того, она должна быть нарушена, а значит, все новые частицы будут обладать массами, причем массами достаточно большими, чтобы частицы эти нельзя было увидеть ни на одном из построенных до сих пор ускорителей.

Что может быть такого привлекательного в симметрии, чтобы вдруг удвоить все частицы в природе без всяких доказательств существования каких бы то ни было новых частиц? В значительной мере ее соблазнительность кроется в самом факте Великого объединения. Поскольку если теория Великого объединения проявляется на масштабе масс, на пятнадцать-шестнадцать порядков выше массы покоя протона, то этот масштаб также примерно на тринадцать порядков превышает тот, на котором нарушается электрослабая симметрия. И встает большой вопрос: как и почему может существовать такая громадная разница в масштабах для фундаментальных законов природы? Или иначе: если частица Хиггса из Стандартной модели действительно представляет собой последний уголок этой модели, то почему энергетический масштаб нарушения хиггсовской симметрии на тринадцать порядков уступает тому масштабу, на котором нарушается симметрия, связанная с каким-то новым полем, которое необходимо ввести, чтобы нарушить симметрию Великого объединения и разделить составляющие его силы?

Проблема эта куда серьезнее, чем кажется. Скалярные частицы, такие как бозон Хиггса, имеют несколько новых квантово-механических свойств, не похожих на свойства фермионов со спином 1, таких как калибровочные частицы. При рассмотрении влияния виртуальных частиц, включая частицы сколь угодно большой массы, такие как калибровочные частицы гипотетической теории Великого объединения, оказывается, что они ведут к повышению массы бозона Хиггса и, соответственно, масштаба, на котором нарушается хиггсовская симметрия, таким образом, что он, по существу, сближается или даже сходится с тяжелым ТВО-масштабом. Это порождает проблему, получившую известность как проблема естественности. С формальной точки зрения неестественно иметь громадный разрыв между масштабом, на котором электрослабая симметрия нарушается механизмом Хиггса, и масштабом, на котором симметрия ТВО нарушается неким неизвестным тяжелым скалярным полем.