Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Безусловно, пять бозонов Хиггса для экспериментаторов – возможность порезвиться. Еще и поэтому физики БАКа были так осторожны, объявляя об открытии новой частицы с массой 125 ГэВ – ведь это мог быть не единственный бозон Хиггса, а один из пятерки. В суперсимметричных моделях теоретикам легко сделать так, чтобы один бозон Хиггса был легче других, и возможно, что мы обнаружили как раз этот – легкий. Однако обычно в этих моделях значение массы такого легкого бозона составляет не больше 115 ГэВ. Можно, конечно, дотянуть его массу до 125 ГэВ, но это потребует некоторых неестественных допущений. Нам просто необходимо собрать больше данных – как для того, чтобы лучше разобраться с уже обнаруженной частицей, так и для того, чтобы попытаться найти новые.

Физики радуются, когда им нужно искать новые частицы, но это не значит, что из-за этого у суперсимметрии есть реальные преимущества перед другими теориями. Однако у нее есть один действительно важный плюс: она помогает решить проблему иерархии.

Эта проблема возникает из-за виртуальных частиц, которые, как мы считаем, должны поднять значение поля Хиггса до масштаба Планка. Однако при более внимательном рассмотрении становится очевидным, что виртуальные бозоны обычно подталкивают значение поля Хиггса в одну сторону, а виртуальные фермионы – в противоположную. В общем случае нет никаких оснований ожидать, что эти эффекты уравновесят друг друга – как правило, вычитание большого случайного числа из другого большого случайного числа приводит к третьему – совсем не маленькому, а большому числу (положительному или отрицательному). Но если есть суперсимметрия, все меняется, поскольку есть точно соответствующие друг другу фермионные и бозонные поля, и их виртуальные флуктуации могут в точности скомпенсироваться, что убирает проблему иерархии. Это свойство суперсимметрии – одна из основных причин, по которой физики принимают эту теорию всерьез.

Другая причина связана с идеей вимпов – частиц темной материи. В лучших суперсимметричных моделях самый легкий суперпартнер – это совершенно стабильная частица, имеющая массу и взаимодействие, сравнимые по масштабу с частицами слабых взаимодействий. Если у частицы нет электрического заряда, то есть если это нейтралино, она – идеальный кандидат в частицы темной материи. Много усилий теоретиков ушло на то, чтобы рассчитать избыток реликтовых нейтралино в различных суперсимметричных моделях. Но из-за того, что в них появляется очень много новых частиц и взаимодействий, избыток их может варьироваться в широких пределах, хотя получить правильную плотность темной материи не очень трудно. Если суперпартнеры существуют при энергиях, доступных для БАКа, нам, возможно удастся достичь долгожданного объединения физики элементарных частиц и космологии. Приятно ставить перед собой высокие цели.

Теория струн – одна из самых простых теорий в сегодняшней физике. Просто представьте, что элементарные блоки вещества – не точечные частицы, а маленькие колеблющиеся струны. Концепция восходит к первым работам Йоитиро Намбу, Хольгера Нильсена и Леонарда Сасскинда 1968–1969 годов. Намбу, Нильсен и Сасскинд, независимо друг от друга, предположили, что некоторые математические отношения, описывающие рассеяние частиц, можно просто объяснить, заменив частицы струнами. Пока петли или сегменты струн достаточно малы, они будут выглядеть как частицы. Не стоит спрашивать, «из чего сделаны эти струны», так же как и «из чего сделан электрон». Материал струны является фундаментальной субстанцией, из которой сделано все остальное.

Первые теории струн описывали только бозоны и страдали, видимо, неустранимым недостатком: в теории пустое пространство оказывалось нестабильным и должно быстро испариться в облаке энергии. Чтобы исправить этот недостаток, ученые, первыми сформулировавшие теорию струн – Пьер Рамон, Андре Невё и Джон Шварц, – придумали, как добавить в теорию фермионы. В процессе работы у них в конце концов возник один из первых примеров суперсимметрии. Так родилась «теория суперструн». Уточняем для ясности: жизнеспособные модели теории струн, видимо, обязательно должны быть суперсимметричными, но суперсимметричные модели не обязательно как-либо связаны с теорией струн. Если бы мы нашли суперсимметричные частицы на БАКе, это увеличило бы шансы теории струн стать серьезной теорией, но и это не станет прямым доказательств существования струн.