Маленькая книга о большой теории струн

В 2008 году строительство Большого адронного коллайдера, или БАК, было завершено. В это же время я посетил ЦЕРН, где мне предложили экскурсию по главным экспериментальным установкам БАК. До этого я обычно участвовал только в конференциях ЦЕРН, но экскурсия по рабочим установкам произвела на меня неизгладимое впечатление. Экспериментальная установка называлась «компактный мюонный соленоид». Это был совсем небольшой (по меркам ЦЕРН) прибор величиной всего лишь с трёхэтажный дом, и я стал свидетелем окончательной сборки всех его компонентов. Массивные конусообразные штуковины помещались внутри бочкообразного корпуса детектора — всё это напоминало множество гигантских цифровых фотокамер, объективы которых были обращены к центру детектора, где сталкивались высокоэнергетичные протонные пучки.

По окончании экскурсии мы немного полазали по Французским Альпам: ничего сложного для хорошего альпиниста. Я сумел забраться на вершину Эгюий-дю-Миди и обнаружил, что оттуда вниз ведёт канатная дорога, по которой мы с коллегой спустились в лежащий у подножья горы городок. Хребет, по которому мы поднимались, отличается плотным трафиком, при том что тропа очень узкая и покрыта снегом. По каким-то соображениям все альпинисты предпочитают подниматься по нему в связке, хотя мне всегда казалось, что партнёр по восхождению является не очень надёжным якорем. В случае когда один из партнёров срывается, другому приходится прикладывать массу усилий, чтобы удержаться на ногах и не улететь вслед за товарищем. Я не люблю ходить в связке и предпочитаю при восхождении надеяться только на крепость рук и на вбитый крюк. Тем не менее должен признаться, что это восхождение мы с коллегой совершили в связке, подобно всем остальным: мой партнёр был очень опытным альпинистом, а хребет не выглядел трудным для прохождения.

Сейчас, в ретроспективе, я думаю, что восхождение в связке по узкому хребту может служить удачной метафорой для рассказа о бозоне Хиггса, в надежде на открытие которого (в числе прочего) строился БАК. Представьте себе, что вы стоите на узком гребне хребта, с трудом сохраняя равновесие. Шаг влево, шаг вправо — и вы летите в пропасть. В таком же положении находятся тахионы в теории струн: они балансируют в крайне неустойчивом равновесии, и малейшее возмущение отправляет их в фатальное падение по склону вниз. Но это ещё не всё. Представьте, что по хребту идут в связке восемь альпинистов и один из них теряет равновесие и падает влево. Второй испытывает на себе рывок верёвки, сбивающий его с ног, и падает вслед за первым — тоже влево. Третий, вознося молитву с просьбой помочь ему удержать вес двух свалившихся товарищей, готовится последовать за ними. Единственно правильное, что можно предпринять в подобных обстоятельствах, — это прыгнуть с гребня вправо и молиться, чтобы верёвка не подвела. Но по ряду причин сделать это трудно.

Вернёмся к тахионам и к бозону Хиггса. Тахионы проявляют нестабильность в любой точке пространства, и это явление коллективное. Тахионы подобны группе альпинистов, идущих в связке. Если один тахион теряет равновесие и начинает соскальзывать в пропасть, он увлекает за собой расположенных поблизости «товарищей».

Бозон Хиггса придуман для описания тахионного конденсата. Тахионная конденсация — это термин, описывающий процесс сваливания тахионов с хребта в долину. Представим себе, что упавшие с хребта альпинисты не разбиваются насмерть, а чудесным образом спасаются и мягко приземляются в долине. Там у них «Клуб упавших альпинистов». Они устали после тяжёлого восхождения и не имеют сил вскарабкаться обратно на гору. Вместо этого они всей толпой бродят вдоль склона, периодически кто-нибудь из них пытается залезть на склон, но соскальзывает обратно. Примерно так же ведут себя тахионы, сконденсировавшиеся в какой-то точке пространства-времени: квантовые флуктуации тахионного конденсата и есть бозоны Хиггса.

Отличие поведения бозона Хиггса от поведения членов «Клуба упавших альпинистов» состоит в том, что движение бозона Хиггса происходит не в обычном четырёхмерном мире, а в дополнительных пространственно-временных измерениях.

Несмотря на то что бозон Хиггса долгое время сохранял статус гипотетической частицы, он служит иллюстрацией прекрасно разработанной физической теории, возможно, лучшей из всего, что было придумано за последние десятилетия. Эта теория носит название Стандартная модель. Слово «стандартная» в данном случае означает, что эта теория является общепризнанной, а слово «модель» указывает на предварительный, незаконченный характер теории. Стандартная модель не ограничивается описанием тахионного конденсата. Среди прочего она объясняет роль бозона Хиггса в возникновении масс у субатомных частиц: электронов и кварков.

В 2010 году в экспериментах на ускорителе элементарных частиц, называемом Тэватрон, была обнаружена однопроцентная разница в числе мюонов и антимюонов, образующихся при распаде более тяжёлой частицы, что являлось указанием на существование бозона Хиггса. Ожидалось, что подтвердить или опровергнуть данную гипотезу помогут эксперименты на Большом адронном коллайдере. Надо заметить, что ещё двумя десятилетиями ранее в Техасе планировалось построить для этих целей сверхпроводящий суперколлайдер, но в 1993 году Конгресс вытащил вилку финансирования проекта из розетки госбюджета, сэкономив американским налогоплательщикам десять миллиардов долларов, благодаря чему США уступили своё лидерство в области высокоэнергетической физики старушке Европе, и 4 июля 2012 года ЦЕРН с большой помпой отрапортовал о долгожданном открытии бозона Хиггса.

Странная математика суперсимметрии

Большие надежды, возлагаемые на БАК, связаны с тем, что с его помощью, возможно, будет обнаружена суперсимметрия. Это особый тип симметрии, который позволяет «уравновесить» теорию суперструн. Суперсимметрия делает это путём удаления злокачественных тахионов способом, который вкратце был описан в четвёртой главе. Ещё суперсимметрия устанавливает отношения между гравитонами и фотонами и гарантирует стабильность D0-бран, о которых шла речь в пятой главе. Несмотря на то что с точки зрения формальной логики суперсимметрия и теория струн различны, между ними есть много общего. Открытие суперсимметрии будет означать, что теория струн на верном пути. И хотя существуют скептики, утверждающие, что суперсимметрия может существовать сама по себе и теория струн для этого необязательна, мне кажется, что существование суперсимметрии без теории струн было бы слишком невероятным совпадением, чтобы в него поверить.

Итак, что же такое суперсимметрия? Мы постоянно ходили вокруг этого вопроса на протяжении всей книги. Что ж, настало время ответить на него. Суперсимметрия оперирует дополнительными измерениями довольно своеобразным способом. Измерения, которыми мы обычно оперируем, включая и дополнительные, образуют метрическое пространство, то есть пространство, обладающее мерой, или попросту расстоянием. Расстояние — это число: 2 сантиметра, 10 километров и т. п. Если сложить два расстояния, то в результате тоже получится расстояние. При перемножении двух расстояний получается площадь. Но дополнительные измерения, которыми оперирует суперсимметрия, не выражаются числами — по крайней мере обычными числами. Они выражаются антикоммутативными числами, являющимися краеугольным камнем странной математики суперсимметрии. Антикоммутативные числа играют важную роль в описании электронов, нуклонов, кварков и прочих частиц, называемых фермионами. Несмотря на то что я ещё не дал определения терминам «антикоммутативность» и «фермион», я буду пока использовать их, просто чтобы называть вещи своими именами, не углубляясь в дебри очень сложной математики. Дополнительные измерения суперсимметрии носят название фермионных измерений.

Фермионные измерения, в отличие от обычных, накладывают ряд ограничений на характер возможных движений. Частица может двигаться в фермионном измерении вперёд или назад или покоиться, но при движении она может иметь только одну фиксированную «скорость». Правда, скорость — это очень грубая аналогия для описания движения в фермионном измерении. Гораздо лучше для такого описания подходит понятие спин. Вы помните, что многие частицы обладают спином, то есть, грубо говоря, вращаются, однако скорость этого вращения может принимать только фиксированные значения. Электрон обладает минимальным отличным от нуля спином. Фотон обладает вдвое большим спином, чем электрон, но, как мы уже знаем, спин фотона всегда ориентирован в направлении его движения. Гравитон обладает вдвое бо́льшим спином, чем фотон. И это всё. Не существует фундаментальных частиц, спин которых больше спина гравитона. Если теория суперсимметрии верна, то бозон Хиггса не движется ни в одном из фермионных измерений. Электрон движется в одном, фотон — в двух фермионных измерениях. Что же касается гравитона, то тут всё зависит от того, сколько фермионных измерений имеется в его распоряжении. Может статься, например, что часть спина гравитона приходится на фермионные измерения, а часть — на обычные пространственно-временные.

Фермионные измерения обладают одной исключительной особенностью, которая выражается в так называемом принципе запрета. Принцип запрета был сформулирован в 1925 году Вольфгангом Паули, и он гласит, что два фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Электроны являются фермионами, поэтому два электрона в атоме гелия не могут находиться на одной и той же орбите в одном и том же состоянии — они должны по крайней мере иметь при этом противоположно направленные спины. Фермионы — это по определению такие частицы, которые подчиняются принципу запрета.

Частицы, не подчиняющиеся принципу запрета, — а в их число входят фотоны, гравитоны, глюоны и бозон Хиггса, — называются бозонами. Поведение бозонов радикально отличается от поведения фермионов. Бозоны не только могут находиться одновременно в одном и том же квантовом состоянии, но более того — предпочитают это делать. Суперсимметрия устанавливает отношение партнёрства между бозонами и фермионами. Каждому бозону суперсимметрия ставит в партнёрство фермион, и наоборот. Например, бозон Хиггса в качестве суперсимметричного партнёра имеет фермион, называемый хиггсино (иногда его ещё называют «шиггс»). Как бы мы его ни назвали, хиггсино представляет собой не что иное, как бозон Хиггса, движущийся в одном из фермионных измерений.

Фермионные измерения трудно изобразить наглядно, поэтому для удобства их изучения используются не совсем обычные алгебраические правила. Допустим, у нас есть два фермионных измерения. Обозначим то, что можно условно назвать расстояниями в этих измерениях, буквами a и b. При сложении и умножении на обычное число «необычная» алгебра ничем не отличается от обычной:

a + a = 2a

2(a + b) = 2a + 2b

a + b = b + a

А вот при умножении фермионных величин начинаются необычности:

a × b = −b × a

a × a = 0

b × b = 0

Эти правила можно интерпретировать следующим образом. Число 1 означает движение только в «бозонном» измерении, a означает движение в одном фермионном измерении, а b — в другом. Запись a × a описывает попытку совершить одно и то же движение дважды в одном фермионном измерении. Выражение a × a = 0 означает, что движения подобного рода в фермионных измерениях запрещены. Несколько труднее объяснить, почему a × b = −b × a. Обозначим буквой q любое движение или любую комбинацию движений в фермионном измерении, тогда если q = a, то выражение q × q = 0 будет означать a × a = 0, а если q = b, то выражение q × q = 0 будет означать b × b = 0. Но что будет, если q = a + b? Распишем произведение двух сумм, дважды воспользовавшись распределительным законом умножения:

(a +b) × (a + b) = (a + b) × a + (a + b) × b = a × a + b × a + a × b + b × b.

Из требования q × q = 0 следует, что:

a × a + b × a + a × b + b × b = 0.

Но так как a × a = 0 и b × b = 0, то сумма оставшихся двух слагаемых тоже должна быть равна нулю:

b × a + a × b = 0,

откуда следует, что:

a × b = −b × a.

Ключевая идея состоит в том, что фермионные измерения — это математическая абстракция. Они являются не чем иным, как алгебраическими правилами, используемыми для их описания.

Суперсимметрия является симметрией между бозонными и фермионными измерениями. Что это означает? Симметрия в широком смысле — это неизменность чего-то при определённых преобразованиях этого чего-то: например, симметрия квадрата означает, что при повороте квадрата на 90° мы получим точно такой же квадрат. Бозонные измерения представляют собой обычные измерения вроде длины и ширины. Шесть дополнительных измерений теории струн тоже являются бозонными измерениями, но они нас сейчас не интересуют. Фермионные же измерения представляют собой всего лишь набор необычных алгебраических правил, описанных ранее.

Будем по аналогии с поворотом квадрата использовать термин «поворот» и для суперсимметричного преобразования. Поворот из бозонного измерения в фермионное означает, что если частица перед поворотом двигалась в бозонном измерении, то после поворота она в нём больше не движется, и наоборот, если до поворота частица не двигалась в бозонном измерении, то после поворота она начинает в нём двигаться. Непонятно? Хорошо, попробую по-другому. Физически это означает, что если мы возьмём бозон, то после поворота в фермионное измерение он станет фермионом. Математически суперсимметричный поворот из бозонного измерения в фермионное означает замену числа 1, обозначающего бозонное измерение, на одну из букв: a или b, которые обозначают фермионные измерения. Сохранение неизменности объекта при суперсимметричном повороте сводится к тому, что получившийся в результате фермион будет иметь ту же массу и тот же заряд, что и исходный бозон. И это приводит нас к одному из наиболее фундаментальных предсказаний суперсимметрии: для каждого бозона должен существовать суперсимметричный партнёр: фермион, обладающий такой же массой и зарядом, и наоборот, для каждого фермиона должен существовать суперсимметричный ему бозон.

Один из фактов, в которых мы уверены, заключается в том, что мир не является идеально суперсимметричным. Если бы в этом мире существовал бозон с такой же массой и зарядом, как у электрона, мы бы, несомненно, знали о нём, потому что существование такого бозона в корне изменило бы структуру атома. Возможно, существует какой-то механизм, подобный механизму конденсации тахионов, нарушающий суперсимметрию. Если идея существования это странной новой симметрии заставляет вас чувствовать себя идущим по зыбучим пескам, я в этом не виноват. Как и большая часть теории струн, суперсимметрия является плодом длинной цепочки спекулятивных рассуждений теоретиков и не имеет под собой надёжной экспериментальной опоры.

Если гипотеза суперсимметрии и фермионных измерений подтвердится экспериментально на Большом адронном коллайдере, это будет триумф чистого разума — реванш за все предыдущие насмешки скептиков. Впрочем, не исключено, что правы окажутся скептики. Откровенно говоря, я не удивлюсь любому исходу.

Теория всего? Возможно

Вот краткий обзор канонических идей относительно того, каким образом теория струн может описывать реальный мир. В наиболее распространённом сегодня варианте теории струн мир описывается как десятимерный. Естественно, я имею в виду теорию суперструн, которая помимо этого содержит ещё несколько фермионных измерений, но их мы пока оставим за скобками. Шесть из этих десяти измерений свёрнуты или, как говорят теоретики, компактифицированы. Наиболее предпочтительным способом компактификации является использование суперсимметрии совместно с формализмом мировых листов. Масштаб свёрнутых измерений очень мал, возможно, он всего в несколько раз больше, чем характерный масштаб колебаний струны. Все обертоны столь массивны, что даже при энергиях, достижимых в экспериментах БАК, они не играют существенной роли, таким образом, основная информация, которую мы получаем в ходе экспериментов, касается наинизших колебательных мод струн. В некоторых теоретических сценариях существуют D-браны или другие браны, которые слегка «приправляют» суперструнное блюдо дополнительными измерениями, что приводит к появлению дополнительных квантовых состояний, которые могут быть обнаружены в БАК-экспериментах.

После того как мы компактифицировали шесть дополнительных измерений, самое время задаться вопросом: к какой реально наблюдаемой четырёхмерной физике приводит нас получившаяся картина? В нашем блюде всегда будет присутствовать гравитация и, кроме неё, как правило, ещё одна калибровочная теория, неотличимая от квантовой хромодинамики. Гравитация порождается безмассовыми состояниями струн, которые квантово-механически приправлены дополнительными шестью измерениями. Калибровочная теория порождается либо такими же, слегка приправленными дополнительными измерениями, струнными состояниями, либо дополнительными состояниями, связанными с бранами.

Четырёхмерная гравитация — это великолепно. Это именно то, что описывает общая теория относительности. А вот ответ на вопрос, является ли получившаяся теория «теорией всего», зависит от того, насколько хорошо получившаяся калибровочная теория предсказывает поведение субатомных частиц, которые мы наблюдаем в экспериментах на ускорителях. Чтобы лучше разобраться в калибровочной теории, вспомним, что в предыдущей главе мы описывали калибровочную симметрию квантовой хромодинамики в терминах трёх цветов: красного, зелёного и синего. Теория, являющаяся наиболее перспективным кандидатом на роль теории всего: кварков, глюонов, электронов, нейтрино и прочих частиц, — содержит как минимум пять цветов. Есть несколько способов «прикрутить» эти пять цветов к конструкции струнной теории. Мы не способны экспериментально зафиксировать именно такое количество цветов, но существует нечто, что может помочь нам отличить два дополнительных цвета от трёх известных. Это что-то может быть похоже, например, на бозон Хиггса, но есть и другие идеи. Чтобы представить, откуда могут взяться именно пять цветов, перечислим известные нам фундаментальные частицы, являющиеся фермионами. Их три: кварки, электроны и нейтрино. Кварки могут иметь три различных цвета, а электрон и нейтрино только по одному. Три плюс один плюс один будет пять. Вот видите: всё очень просто.

После того как поднятая строителями струнных конструкций пыль оседает, оказывается, что получившиеся теории прекрасно согласуются с экспериментами. Как правило, эти теории требуют существования суперсимметрии и содержат не один бозон Хиггса, а два и в довесок к нему ещё целый ряд частиц, масса которых сопоставима с массой бозона Хиггса. Также они предсказывают наличие очень малой массы у нейтрино и включают гравитацию в том виде, как её описывает общая теория относительности. В общем, всё это весьма впечатляет. Ведь и правда: ни одна другая теоретическая основа фундаментальной физики не предоставляет нам всех необходимых для приготовления теории ингредиентов и не обеспечивает их правильного взаимодействия. Если струнные теоретики каким-то образом случайно попали в десятку, то теория струн действительно окажется теорией всего, то есть будет описывать все фундаментальные частицы, все взаимодействия между ними и все наблюдаемые типы симметрии. Нам же не останется ничего другого, кроме как решать уравнения этой теории и предсказывать все измеримые в физике элементарных частиц величины: от массы электрона до силы взаимодействия между глюонами.

Тем не менее на пути создания теории всего по-прежнему стоит ряд трудностей. Многое зависит от размера и формы дополнительных измерений. Мы до сих пор не понимаем, почему эти дополнительные измерения не могут быть плоскими. Другими словами, мы не понимаем, что за таинственная сила удерживает наш мир в четырёхмерном состоянии, не давая ему развернуться во всех десяти измерениях. По другой версии, когда-то, на заре существования Вселенной, все измерения были компактифицированы, а потом по какой-то причине только трём из девяти пространственных измерений удалось развернуться в привычный нам мир. Никто не может объяснить, почему дополнительные измерения имеют именно ту форму, которую имеют. Вдобавок ко всему эти измерения, как правило, вялые. Чтобы вы поняли, что я имею в виду, вспомним ещё раз разговор о клубке D0-бран. Он тоже обладает определённой вялостью, каждая D0-брана в нём очень слабо связана с остальными, и практически ничто не мешает ей улететь прочь, а D0-браны снаружи клубка не притягиваются к нему и не отталкиваются от него. Вялость дополнительных измерений означает, что они могут менять свой размер и форму с такой же лёгкостью, как D0-браны могут покидать упомянутый клубок.

Мир теории струн. Обычные четыре измерения (вверху) медленно расходятся с течением времени, обеспечивая расширение Вселенной. Шесть дополнительных измерений (внизу) удерживаются в свёрнутом состоянии обёрнутыми вокруг них бранами, магнитными полями и квантовыми эффектами

На то, чтобы придумать механизм, каким-то образом закрепляющий дополнительные измерения и не дающий им вести себя как попало, было потрачено много времени и усилий струнных теоретиков. Обычно для этого пытаются приспособить браны и магнитные поля. Роль бран представить достаточно просто. Они сродни шпагату, которым перевязывают посылку на почте; трудность состоит в том, что эта посылка мягкая. При попытке связать её она начинает выпирать в разные стороны при затягивании шпагата, и для сохранения формы приходится перевязывать её многократно в разных направлениях. Магнитные поля играют роль плотной упаковочной бумаги, придающей посылке относительную жёсткость.

Итоговая картина мира оказывается весьма сложной. Вероятно, существует множество способов связать дополнительные измерения, предохранив их от развёртывания, но наличие такого большого числа вариантов в некоторых случаях рассматривается как положительная черта модели из-за так называемой проблемы космологической постоянной. Вкратце проблема состоит в следующем: при наличии ненулевой космологической постоянной три пространственных измерения стремятся с течением времени «расходиться». Из астрономических наблюдений мы знаем, что большинство галактик разбегаются в разные стороны, и это интерпретируется как расширение пространства. Существование космологической постоянной приводит к тому, что это расширение становится ускоренным. Наблюдения, выполненные в течение последних десяти лет, свидетельствуют о том, что расширение Вселенной действительно ускоряется со временем, что может быть объяснено существованием очень малой космологической постоянной. Если мы хотим описать мир с позиций теории струн, то нужно придумать механизм, который, с одной стороны, удерживал бы шесть скрытых измерений в свёрнутом состоянии и не давал им двигаться, а с другой — обеспечивал бы трём развёрнутым пространственным измерениям слабую возможность расширяться, причём расширяться с ускорением. Я не стану объяснять здесь, почему это так, но похоже, что число способов связать нужным образом дополнительные измерения чрезвычайно велико. Согласно некоторым струнным теоретикам, такое множество вариантов гарантирует, что среди них найдётся хотя бы один, описывающий наш реальный мир с идеальной точностью, включая существование космологической постоянной именно такой величины, как мы наблюдаем. Наша Вселенная с этой точки зрения является единственной среди множества возможных вселенных, в которой дополнительные измерения связаны именно таким способом. В противном случае разумная жизнь во Вселенной не могла бы существовать. С другой стороны, наше существование является причиной, по которой мы наблюдаем именно такую Вселенную, потому что другие вселенные наблюдать просто некому. Лично я нахожу этот аргумент достаточно убедительным, чтобы признать правильность теории струн.

Струнные теоретики прошли суровую закалку, пытаясь на протяжении более чем двадцати лет приготовить теорию всего, и не последнюю роль в этом сыграла проблема свёрнутых измерений. Но чем лучше мы узнаём теорию струн, тем больше проблем она ставит перед нами, и это удручает. Возможно, стоит сравнить трудности, возникающие при попытках описать реальный четырёхмерный мир на основе теории струн, с трудностями, возникшими в другой области теоретической физики — высокотемпературной сверхпроводимости. Открытая в 1986 году, высокотемпературная сверхпроводимость позволяет передавать большие электрические мощности без потерь энергии. Эпитет «высокотемпературная» здесь, конечно, не слишком удачен, поскольку при этих температурах замерзает даже воздух, но они гораздо выше тех температур, при которых эффект сверхпроводимости наблюдался ранее, и это очень важно для его промышленного использования. Теоретически, однако, очень трудно понять, как работает высокотемпературная сверхпроводимость. Существующая теория, известная с 1950-х годов, объясняет обычную сверхпроводимость, и она основана на эффекте образования электронных пар. Сила, удерживающая электроны в парах, основана на... звуке! Электроны как бы «разговаривают» друг с другом на расстояниях, во много раз превышающих размер атома, а затем согласовывают своё движение таким образом, чтобы избежать потерь энергии. Мистика. Но весьма хрупкая, потому что тепловое движение мешает спариванию электронов: при повышении температуры электроны уже не могут «перекричать» шум теплового движения и «услышать» друг друга. Считается, что описание 1950-х годов, в котором электроны координируют свои действия посредством звуковых волн, не годится для высокотемпературных сверхпроводников. Электроны, вероятно, по-прежнему образуют пары в этих материалах, но на гораздо меньшем расстоянии и связываются гораздо более сильным образом. Возможно, определённую роль играет особая мелкозернистая структура среды. Существует ряд теоретических предположений о том, как это может происходить, но мне кажется, что в целом проблема пока не решена.

Решённая или нет, но проблема высокотемпературной сверхпроводимости даёт несколько хороших уроков теории струн. Главный из них состоит в том, что одних только теоретических выкладок зачастую недостаточно. Высокотемпературная сверхпроводимость была открыта экспериментально, в то время как теоретики до сих пор не в состоянии дать удовлетворительное объяснение этому явлению. Правильная теория реального мира может быть весьма далека от того, что мы способны вообразить. Хрупкость электронных пар, удерживаемых звуковыми волнами, напоминает мне вялость дополнительных измерений, едва удерживаемых в свёрнутом состоянии. Не исключено, что «настоящая» теория струн, описывающая реальный мир, так же сильно отличается от конструкции, в которой дополнительные измерения связаны бранами и скреплены магнитными полями, как современное объяснение сверхпроводимости отличается от теоретических построений 1950-х годов. И процесс её построения может затянуться.

Частицы, частицы, частицы...

В пятой главе я упомянул длинный список известных элементарных частиц: фотоны, гравитоны, электроны, кварки (шесть разновидностей!), глюоны, нейтрино и ещё несколько других. Говоря о полном списке, стоит отметить, что он включает множество различных частиц с совершенно разными свойствами, участвующих в различных взаимодействиях. Факт существования такого списка с мольбой взывает к новой универсальной теории, которая содержала бы лишь несколько элементарных объектов и объясняла бы физические взаимодействия на более глубоком уровне. Для объяснения закономерностей периодической таблицы химических элементов потребовалось создание теории строения атома. Гелий, аргон, калий и медь столь же различны, сколь и типы химических реакций, в которые они вступают. Но теория строения атома показала, что все химические элементы состоят из электронов, находящихся в определённых квантовых состояниях и колеблющихся около атомных ядер, состоящих из протонов и нейтронов. Длинный список элементарных частиц может быть объяснён теорией струн, но сама теория струн в свою очередь тоже успела обзавестись целым выводком разнообразных объектов: D-бранами, солитонными 5-бранами, M-бранами и т. п., — и никто не знает, как можно и можно ли вообще придумать для описания этих объектов более общую теорию, вскрывающую новый уровень, следующий за уровнем дуальностей теории струн.

Столкновение двух протонов в БАК может родить бозон Хиггса. В изображённом на рисунке процессе бозон Хиггса быстро распадается на b-кварк и анти-b-кварк, которые могут быть зафиксированы детектором. Но образующийся одновременно с этим мусор из прочих частиц мешает понять, что же происходит в действительности

Самая массивная из открытых на сегодняшний день частиц — это t-кварк. Его масса в 182 раза превосходит массу протона, t-кварк был открыт в 1995 году большой коллаборацией экспериментаторов на Теватроне, являвшемся крупнейшим ускорителем в США. Протоны и антипротоны, летящие навстречу друг другу по большому кольцу (диаметром примерно 2 км), сталкиваются лоб в лоб, имея энергию, в 1000 раз превосходящую их энергию покоя. Неудивительно, что они рождают t-кварки, обладая таким запасом энергии. Более того, теоретически они могли бы родить частицу вдесятеро более массивную, чем t-кварк, поскольку суммарная энергия, выделяющаяся при столкновении протона и антипротона в 1000 + 1000 = 2000 раз превосходит массу протона. К сожалению, почти невозможно добиться того, чтобы вся энергия столкновения переходила в массу одной частицы, и всё потому, что протон и антипротон не являются точечными частицами, а обладают внутренней структурой. Каждый из участников столкновения состоит из трёх кварков и нескольких глюонов. При столкновении протона и антипротона большинство кварков пролетают друг мимо друга или испытывают лишь скользящее столкновение. Интерес представляют столкновения, при которых один из кварков или один из глюонов, находящийся внутри протона, сталкивается лоб в лоб с одним из кварков или глюонов, находящихся внутри антипротона. Такое жёсткое столкновение, называемое жёстким процессом, и приводит к рождению t-кварка. Жёсткие процессы должны также приводить и к рождению бозонов Хиггса. Поскольку в жёстком процессе участвуют только по одному кварку или глюону от каждого протона или антипротона, то на рождение t-кварка тратится только часть общей энергии столкновения протона с антипротоном.

БАК способен сталкивать протоны с энергией, в 15 000 раз превышающей их массу. Энергия, расходуемая на жёсткие процессы, составляет порядка одной десятой от полной энергии протона. С точностью до порядка можно сказать, что БАК способен в большом количестве рождать частицы, масса которых более чем в 1000 раз превосходит массу протона, в то время как масса отдельных рождаемых частиц может превосходить массу протона более чем в 2000 раз. Но чем тяжелее частица, тем реже она встречается среди продуктов реакции.

Какие же новые типы частиц можно ожидать среди продуктов реакций в экспериментах на БАК? На момент написания этой книги самым честным ответом будет: «А чёрт его знает...». Я не хочу утверждать, что строительство БАК окажется пустой тратой денег, если он ничего не обнаружит, хотя это и будет горькой правдой. Я надеюсь, что независимо от того, справедливы ли гипотеза существования суперсимметрии и теория струн, должно обнаружиться что-то интересное в диапазоне энергий, покрываемом БАК, помимо вроде как открытого бозона Хиггса. Мне бы хотелось, чтобы это была суперсимметрия. Убеждённость, что в этом диапазоне энергий что-то есть, основывается на идее перенормировки. Я вкратце качественно изложил эту идею в четвёртой главе и напомню, что перенормировка — это математическая машинерия, позволяющая получить полное описание облака виртуальных частиц, окружающее электрон или какую-нибудь другую частицу. Перенормировка работает, только если в исследуемом диапазоне энергий существует что-нибудь типа бозона Хиггса. А для того, чтобы перенормировка работала гладко, помимо бозона Хиггса должна обнаружиться и суперсимметрия. Но не следует забывать, что указанная математическая машинерия — это не реальный мир. Всё может оказаться совсем не таким, как мы придумали. В экспериментах БАК может обнаружиться нечто, чего мы даже не могли вообразить, и это будет самым возбуждающим результатом. Впрочем, стоит сказать, что если БАК не обнаружит ничего, то такой результат окажется не менее потрясающим.

Вернёмся к суперсимметрии — наиболее предпочитаемому кандидату на исследование в БАК. Как я уже говорил, самое поразительное предсказание суперсимметрии состоит в том, что у каждой элементарной частицы должен существовать суперсимметричный партнёр, обладающий таким же зарядом, такой же массой и участвующий в тех же взаимодействиях, но отличающийся значением спина. У нас есть электрон, а суперсимметрия предсказывает существование суперэлектрона, называемого сэлектроном. У нас есть фотоны — суперсимметрия предсказывает существование суперфотонов — фотино. Аналогично суперсимметрия предсказывает существование скварков, глюино, снейтрино и гравитино. Даже бозон Хиггса должен иметь суперпартнёра, обычно называемого хиггсино. Как я объяснял ранее, суперсимметрия не может быть точной, в частности потому, что не существует сэлектрона, имеющего точно такую же массу, как и электрон. Приблизительная, или нарушенная, суперсимметрия всё ещё предсказывает существование сэлектрона, фотино, снейтрино и остальных счастиц, но их массы оказываются во много раз больше масс их обычных партнёров. Есть основания предполагать, что массы искомых суперчастиц лежат в пределах досягаемости Большого адронного коллайдера. Если это так, то БАК окажется самой плодовитой исследовательской установкой в истории и даст нам в руки не одну-две, а целую дюжину новых фундаментальных частиц.

Симметрия, требующая существования целого набора новых частиц, эквивалентного уже существующему, может показаться скорее шагом назад, чем вперёд. В конце концов, разве задача создания универсальной теории не требует уменьшения количества эксплуатируемых ею сущностей? Примерно такое чувство родила во мне суперсимметрия, когда я впервые с ней познакомился. Но вот вам пример, над которым стоит задуматься. Уравнение Дирака, описывающее электрон, было придумано в 1920-х годах, и оно давало одно неожиданное предсказание: существование антиэлектрона, обычно называемого позитроном. Вскоре физики предсказали существование античастиц для каждой известной частицы, и они открыли их! С моей точки зрения, суперсимметрия не обладает такой же аурой неизбежности: она не нужна для описания уже известных частиц, в то время как уравнение Дирака было необходимо для описания электрона. Хотя, возможно, не стоит ставить в один ряд подтверждённые и неподтверждённые предсказания.

Распад скварка на несколько детектируемых частиц и на ЛСЧ (легчайшая суперсимметричная частица), которая ускользает незарегистрированной

Существует большая разница между наличием у частицы массы, находящейся в диапазоне, покрываемом БАК, и возможностью зарегистрировать эту частицу, поскольку чрезвычайно сложно разобраться в том обилии разнообразных мусорных частиц, которые рождаются в ходе каждого столкновения, и реконструировать весь ход событий. На самом деле Теватрон исправно выдавал на-гора все эти годы бозоны Хиггса, но трудности реконструкции всех событий рождения и уничтожения частиц позволили ему все эти годы успешно скрываться от исследователей, в то время как масса бозона Хиггса составляет около 130 масс протона — это меньше, чем масса t-кварка! Гораздо проще искать счастицы при помощи БАК. Например, глюино, если их массы лежат в доступном диапазоне, должны генерироваться на БАК целыми гроздьями, тем более что они предсказываются многими вариантами суперсимметричных теорий, и их должно быть сравнительно легко отфильтровывать из потока экспериментальных данных. В цепочках распада, предсказываемых этими теориями, глюино передают часть своей энергии покоя другим счастицам, которые в свою очередь передают часть своей энергии покоя дальше по цепочке. В конце цепочки распадов остаётся только одна легчайшая суперчастица. Для обозначения легчайших суперсимметричных частиц используется аббревиатура ЛСЧ. Принято считать, что ЛСЧ не распадается на другие частицы, а покидает детектор необнаруженной. Если всё это правда, то понятно, почему детекторы БАК не регистрируют суперчастицы, а обнаруживают только продукты их распада.

Прежде чем продолжить рассказ о ЛСЧ, я хотел бы отметить одну очень неприятную особенность БАК. Даже если в эксперименте обнаружится что-то похожее на счастицу, это не позволит нам с уверенностью утверждать, что мы открыли суперсимметрию. Виной всему обилие частиц, рождаемых при протон-протонных столкновениях. Взаимодействия между кварками и глюонами столь сильны, что они маскируют новые явления. В результате определить спин вновь открытой частицы очень трудно. По этой причине физики выступают за постройку нового ускорителя, называемого Международным линейным коллайдером, или МЛК. В его задачу будет входить ускорение электронов и позитронов, потому что их столкновения проходят более «чисто», чем столкновения протонов. Предполагается, что МЛК позволит более надёжно отфильтровать предсказания суперсимметрии от предсказаний других альтернативных теорий. Но МЛК пока что находится в стадии проектирования и вступит в строй не ранее 2020 года. Печальная судьба Сверхпроводящего суперколлайдера показывает, как трудно воплощать подобные проекты в жизнь.

Вернёмся к суперсимметрии. Обнаружение ЛСЧ будет важнейшим открытием последних лет, поскольку, возможно, именно они составляют так называемую тёмную материю, играющую ключевую роль в формировании галактик. На протяжении десятилетий астрономы и космологи ломали голову над аномально высокой массой галактик. Современная наблюдательная техника позволяет без особого труда пересчитать все звёзды в той или иной галактике и вычислить их суммарную массу. Оказывается, даже если к этой массе добавить массу газа и пыли, которые всегда присутствуют в галактиках, её окажется недостаточно для того, чтобы удержать звёзды в галактике. Для объяснения этого феномена была придумана тёмная материя, дополняющая недостаток массы. Расчёты показывают, что общая масса тёмной материи в наблюдаемой части Вселенной должна в пять или шесть раз превосходить массу обычной материи, доступной нашим наблюдательным инструментам. Но что эта материя собой представляет? На этот счёт имеется масса гипотез, начиная от потухших звёзд и заканчивая субатомными частицами. У ЛСЧ есть два важных преимущества перед другими кандидатами на роль тёмной материи. Во-первых, в большинстве наиболее реалистичных суперсимметричных теорий ЛСЧ очень массивны (их масса более чем в 100 раз превосходит массу протона), электрически нейтральны и стабильны. Во-вторых, легко понять, как они возникли на ранней стадии эволюции Вселенной и почему их суммарная масса в пять-шесть раз превышает массу обычного вещества, то есть вещества, состоящего преимущественно из протонов, нейтронов и электронов.

В общем, суперсимметрия представляет собой замечательную теоретическую основу. Она базируется на необычной математике, прекрасно согласуется с общепринятыми теориями элементарных частиц, включая перенормируемые, и она предсказывает множество новых частиц, которые мы надеемся открыть при помощи БАК. Наконец, теория суперсимметрии и теория струн так глубоко взаимосвязаны, что мне трудно поверить, что в мире могла бы существовать суперсимметрия, если бы теория струн в той или иной форме не была верна. Суперсимметрия немного напоминает дуальности теории струн. Она устанавливает отношение между частицами и их суперсимметричными партнёрами, подобно тому как S-дуальность устанавливает отношение между струнами и D-бранами. Как и дуальности теории струн, суперсимметрия заставляет нас хотеть большего. Не существует ли некоторой универсальной картины, лежащей в основе всех частиц и их суперпартнёров? Не является ли суперсимметрия намёком на то, что такая картина должна существовать? Теория струн даёт ясный ответ, в который суперсимметрия встроена с самого начала и в котором все уже известные частицы и частицы, которые ещё предстоит открыть, имеют более или менее единое происхождение, описываемое динамикой струн и дополнительными измерениями.