Закрученные пассажи

Глава 20 Закрученный пассаж: решение проблемы иерархии

Афина вздрогнула и проснулась. К ней снова и снова возвращался тот сон, когда за входом в кроличью нору ее ждал сказочный мир. Но сейчас, когда Кролик объявил: «Следующая остановка — Двумерная страна», Афина не шелохнулась и стала ждать, что же будет дальше.

На остановке в трех пространственных измерениях Кролик объявил: «Если Вы здесь жили, то сейчас окажетесь дома». Но он отказался открыть двери, несмотря на заявления Афины, что она действительно живет здесь и очень хочет вернуться домой.

На следующей остановке попытались войти одетые в униформу шестимерщики. Но Кролик бросил взгляд на их непомерно раздавшиеся тела и резко закрыл двери, говоря, что они вряд ли поместятся, они быстро удалились, после того как Кролик пригрозил обтесать их со всех сторон[152].

Лифт продолжал свое необычное движение. Когда он опять остановился, кролик объявил: «Закрученная геометрия — пятимерный мир»[153]. Он ласково подтолкнул Афину к двери и посоветовал: «Войди в комнату смеха — тебя вернут домой». Так как Кролик упомянул пятое измерение, Афине это показалось маловероятным. Но у нее не было никакого выбора, кроме как войти и надеяться на правоту хитрого Кролика.

Когда вы изучаете иностранный язык, слова, которые вы запоминаете, зависят от ваших конкретных нужд или интересов. Например, во время велосипедного путешествия по Италии, я научилась множеству разных способов просить воды — aqua di rubinetto, aqua minerale, aqua (minerale) gassata, aqua (minerale) naturale и т. п. Аналогично, изучая новые физические сценарии, каждый физик имеет свои собственные представления и собственные вопросы и может поэтому обратить внимание на определенный ряд свойств системы или обнаружить разные приложения того, что уже известно. Каждый из нас может услышать что-то свое, даже когда он сталкивается с теми же словами или ситуациями. Имеет смысл внимательно слушать.

Раман и я размышляли над проблемой иерархии в течение многих лет. Но когда мы начали свое сотрудничество, мы не искали нового, лучшего решения этой проблемы. Мы работали над моделью уединенного нарушения суперсимметрии, которую я описала в гл. 17. В процессе этой работы мы случайно обнаружили замечательную закрученную геометрию пространства-времени (частный тип искривленной геометрии, о которой я вскоре расскажу), ограниченного двумя бранами. Поскольку Раман и я занимались физикой частиц и слабостью гравитационного взаимодействия, мы немедленно поняли потенциальную важность закрученной геометрии: если Стандартная модель физики частиц «живет» в этом пространстве-времени, проблема иерархии может быть решена. Я не уверена, что мы были первыми, изучившими эту конкретную систему уравнений Эйнштейна. Но мы, безусловно, были первыми, кто осознал, что она имеет поразительные последствия.

Следующие несколько глав поясняют эту и другие примечательные возможности искривленного пространства-времени и то, как эти следствия иногда не соответствуют нашим ожиданиям. В этой главе внимание сосредоточено на закрученном пятимерном мире, который может помочь объяснить огромный диапазон масс в физике частиц. В то время как в четырехмерной квантовой теории поля частицы обычно имеют примерно одинаковые массы, в закрученной многомерной геометрии это уже не так. Закрученные геометрии определяют структуру, в которой очень естественно возникают несоизмеримые массы, а квантовые эффекты находятся под контролем.

В конкретной геометрии, описанной в этой главе, мы увидим, что пространство так сильно скручено в присутствии двух плоских граничных бран, что проблема иерархии в физике частиц автоматически решается, не требуя присутствия большого измерения или какого-то другого большого числа. В этом сценарии одна брана испытывает действие большой силы гравитации, а другая не испытывает этого действия вообще. Вдоль пятого измерения пространство-время изменяется так быстро, что оно превращает скромное число, связанное с расстоянием между двумя бранами, в огромное число (порядка десяти миллионов миллиардов), связанное с относительной интенсивностью гравитационного взаимодействия.

Сначала мы объясним слабость гравитации на второй бране в терминах функции вероятности гравитона, определяющей взаимодействия гравитона на любом заданном расстоянии в пятом измерении. Но мы объясним также слабость гравитации иными терминами, основанными на закрученной геометрии, а не на интенсивности гравитационного взаимодействия. Мы увидим, что одним из поразительных следствий закрученной геометрии является то, что размер, масса и даже время зависят от положения вдоль пятого измерения. Закручивание пространства и времени в этой установке из двух бран похоже на закручивание времени вблизи горизонта черной дыры. Но в этом случае время замедляется, геометрия расширяется и на одной из бран частицы приобретают малые массы, так что проблема иерархии автоматически решается.

После обсуждения закрученной геометрии и ее приложений к проблеме иерархии, мы завершаем эту главу обсуждением характерных для будущих экспериментов следствий теории. Одним из самых волнующих вопросов этой теории, как и вопросов о моделях с большими дополнительными измерениями, обсуждавшихся в предыдущей главе, является то, что если она верна, она очень скоро будет иметь экспериментальные следствия на ускорителях частиц. На самом деле мы увидим, что эти следствия будут даже более существенными, чем обсуждавшаяся нами характерная недостающая энергия. КК-партнеры гравитона, хоть и являясь гостями из многомерного пространства, будут различимыми, видимыми частицами, распадающимися на знакомые частицы на нашей четырехмерной бране.

Геометрия, которую мы рассматриваем в этой главе, содержит две браны, ограничивающие пятое измерение пространства, как показано на рис. 78. Эта система похожа на рассмотренную в гл. 17 тем, что имеются две браны и пятое измерение, простирающееся между ними. Однако на самом деле это совершенно другая теория. Частицы и распределение энергии различны, и теория не супер-симметрична. Тем не менее, как и в том случае, мы предполагаем, что все частицы Стандартной модели вместе с хиггсовской частицей, ответственной за нарушение электрослабой симметрии, закреплены на одной из бран.

Как и ранее, в этой схеме мы предполагаем, что гравитация — единственное взаимодействие, существующее внутри пятого измерения. Это означает, что, если не считать гравитацию, то каждая из бран выглядела бы как общепринятая четырехмерная вселенная. Калибровочные бозоны и частицы, расположенные на бранах, будут передавать взаимодействия и взаимодействовать друг с другом так, как будто не существует никакого пятого измерения. Частицы Стандартной модели будут перемещаться только по трем плоским пространственным измерениям на бранах, а взаимодействия будут распространяться только вдоль плоской трехмерной поверхности браны.

Однако гравитация отличается от других взаимодействий, так как она не прикреплена к бране, а напротив, существует в полном пятимерном балке. Гравитационное взаимодействие будет ощущаться везде в пятом измерении. Но это не означает, что оно ощущается везде одинаково. Энергия на бранах и в пятимерном балке искривляет пространство-время, что приводит к колоссальной разнице в значении гравитационного поля.

Теории с большими дополнительными измерениями из предыдущей главы использовали тот факт, что браны могут удерживать частицы и взаимодействия, но пренебрегали энергией, которую могут нести сами браны. Мы с Раманом не были уверены, что это предположение всегда хорошее, так как главной составной частью общей теории относительности Эйнштейна является то, что энергия индуцирует гравитационное поле, и это означает, что когда браны переносят энергию, они должны искривлять пространство и время. Во вселенной с единственным дополнительным измерением, которую мы собирались изучать, было совершенно не ясно, можно ли пренебречь энергией браны и балка: гравитационные эффекты браны не рассеиваются очень быстро, так что даже очень далеко от бран можно ожидать искажений пространства-времени.

Мы хотели узнать, каким образом пространство-время будет искривляться при наличии двух несущих энергию бран, которые ограничивают дополнительное измерение пространства. Раман и я решили эйнштейновские уравнения гравитации для такой схемы с двумя бранами, предполагая, что в балке и на бранах содержалась энергия. Мы обнаружили, что такая энергия была действительно очень важной — результирующее пространство-время было резко искривлено.

В ряде случаев искривленные пространства легко изобразить на картинке. Например, поверхность сферы двумерна — для того чтобы знать свое положение, вам требуются только широта и долгота, — но тем не менее она явно искривлена. Однако многие искривленные пространства труднее нарисовать, так как они не могут быть легко представлены в трехмерном пространстве. Конкретное закрученное пространство-время, которое мы сейчас будем рассматривать, является примером такого пространства. Это часть пространства-времени, известная как пространство анти-де Ситтера. Кривизна этого пространства отрицательна, так что оно напоминает скорее не сферу, а чипсы «Прингле». Это пространство получило свое название по имени датского математика и космолога Виллема де Ситтера, изучавшего пространство с положительной кривизной, которое сейчас называется пространством де Ситтера. Хотя нам эти названия здесь не понадобятся, мы сошлемся на них позднее, когда свяжем эту теорию с теорией пространства анти-де Ситтера, которое изучают теоретики-струнники.

Ниже мы рассмотрим интересный подход, в котором пятимерное пространство-время искривлено. Но для начала сосредоточимся на двух бранах на краях пятого измерения. Эти две граничные браны совершенно плоские. Находясь на бране на любой из границ, вы будете прикреплены к (три + один) — мерному миру (три пространственных измерения и одно временное)[154], который будет простираться бесконечно далеко по трем пространственным измерениям и выглядеть как плоское пространство-время, без особых гравитационных эффектов.

Кроме того, искривленное пространство-время обладает тем специальным свойством, что если вы ограничитесь любым отдельным срезом вдоль пятого измерения, но не самими бранами на краях, вы обнаружите, что этот срез совершенно плоский. То есть, хотя нигде в пятом измерении за исключением концов нет бран, геометрия (три + один) — мерных поверхностей, которые вы получаете, находясь в какой-либо пятимерной точке, выглядит плоской, т. е. имеет ту же форму, что и большие плоские браны на границах. Если вы рассматриваете граничные браны как горбушки у буханки хлеба, то плоские параллельные четырехмерные области в любой точке вдоль пятого измерения пространства-времени похожи на плоские, нарезанные куски хлеба из внутренней части буханки.

Но тем не менее рассматриваемое нами пятимерное пространство искривлено. Это отражается в том способе, которым четырехмерные плоские срезы пространства-времени склеены вместе вдоль пятого измерения. Впервые я говорила об этой геометрии в институте теоретической физики Кавли в Санта-Барбаре, где теоретик-струнник Том Бэнкс объяснил мне, что с технической точки зрения пятимерная геометрия, которую нашли Раман и я, называется закрученной. Хотя многие искривленные геометрии пространства-времени в разговорной речи называются закрученными, технический термин относится к геометриям, в которых каждый срез плоский[155], но они собираются вместе с учетом общего закручивающего конформного фактора. Этот фактор есть функция, меняющая общий масштаб для положения, времени, массы и энергии в каждой точке в пятом измерении. Такое замечательное свойство закрученной геометрии достаточно тонкое, и я объясню его позднее в следующем разделе. Конформный фактор сказывается также на функции вероятности гравитона и взаимодействиях, которые мы вскоре изучим.

Искривленное пространство с плоскими слоями изображено на рис. 79. Это заполненная воронка. Мы могли бы с помощью большого ножа нарезать воронку на плоские листки, но поверхность воронки явно искривлена. В некоторых отношениях это похоже на искривленное пространство-время, которое мы рассматриваем. Но аналогия не идеальна, так как граница воронки, ее поверхность есть единственное место, где она искривлена, в то время как в закрученном пространстве-времени кривизна есть везде. Эта кривизна отражалась бы в общем изменении масштаба измерительной линейки в пространстве и скорости хода часов для времени, которые будут разными в каждой точке пятого измерения.

Более простой способ проиллюстрировать кривизну закрученного пространства-времени — обратиться к форме функции вероятности гравитона. Гравитон — это частица, переносящая гравитационное взаимодействие, и его функция вероятности говорит нам о вероятности обнаружения гравитона в любой фиксированной точке пространства. Интенсивность гравитации отражается в этой функции: чем больше ее значение, тем сильнее взаимодействия гравитона в этой конкретной точке и тем сильнее сила тяготения.

Для плоского пространства-времени гравитон будет с равной вероятностью обнаруживаться везде. Функция вероятности для гравитона в плоском пространстве-времени была бы поэтому постоянной. Но для искривленного пространства-времени, как и для закрученной геометрии, которую мы рассматриваем, это уже будет не так. Кривизна говорит нам о форме гравитации. Когда пространство-время искривлено, значение функции вероятности гравитона различно в разных местах пространства-времени.

Так как каждый срез пространства-времени в нашей закрученной геометрии совершенно плоский, функция вероятности гравитона не изменяется вдоль трех стандартных пространственных измерений, а меняется только вдоль пятого измерения[156]. Иными словами, даже несмотря на то, что функция вероятности гравитона имеет разные значения в разных местах вдоль пятого измерения, до тех пор пока две точки равноудалены вдоль пятого измерения, значение этой функции будет одним и тем же. Это говорит нам, что функция вероятности гравитона зависит только от положения в пятом измерении. Тем не менее она полностью характеризует кривизну закрученного пространства-времени. И так как эта функция изменяется только вдоль одной координаты, т. е. вдоль пятого измерения, ее просто изобразить на рисунке.

Функция вероятности гравитона вдоль пятого измерения изображена на рис. 80. Она экспоненциально быстро (т. е. необычайно быстро) убывает, как только мы покидаем первую брану, которую мы назовем Гравитационной браной, и направляется в сторону второй браны, которую мы назовем Слабой браной. Гравитационная брана и Слабая брана различны, так как первая несет положительную энергию, а вторая несет отрицательную энергию. Такое распределение энергии приводит к тому, что функция распределения гравитона намного больше в окрестности Гравитационной браны.

Эффект падения функции вероятности состоит в том, что гравитон, физическая частица, обмен которой генерирует гравитационное притяжение, имеет очень мало шансов быть найденным вблизи Слабой браны. Поэтому взаимодействия гравитона на Слабой бране сильно подавлены.

Интенсивность гравитации так сильно зависит от положения в пятом измерении, что интенсивности гравитационного взаимодействия на двух бранах, ограничивающих противоположные концы такого закрученного пятимерного мира, очень сильно различаются. Гравитация сильна на первой бране, где гравитация локализована, но очень слаба на второй бране, где находится Стандартная модель. Так как функция вероятности гравитона пренебрежимо мала на второй бране, взаимодействия гравитона с захваченными здесь частицами Стандартной модели оказываются чрезвычайно слабыми.

Отсюда следует, что в таком закрученном пространстве-времени мы действительно можем ожидать иерархии между наблюдаемым массами и планковским масштабом масс. Хотя гравитон есть везде, интенсивность его взаимодействия с частицами на Гравитационной бране много больше, чем с частицами на Слабой бране. Функция вероятности гравитона на Слабой бране необычайно мала, и если этот сценарий есть правильное описание мира, такая малость ответственна за слабость гравитации в нашем мире.

В этой модели ничтожная гравитация на Слабой бране не требует большого расстояния между двумя бранами. Как только вы покидаете Гравитационную брану, где сильно сконцентрирована функция вероятности гравитона, гравитация становится экспоненциально малой, что приводит к необычайной малости гравитации на Слабой бране. Так как функция вероятности гравитона стремительно уменьшается, гравитация на Слабой бране (где мы живем) резко уменьшается. Она может быть в 10¹⁵ раз слабее, чем можно ожидать без учета закручивания, даже если две браны расположены довольно близко. Этот аспект теории, тот факт, что бранам не нужно быть разделенными слишком сильно, делает эту модель намного более реалистичной возможностью, чем модель больших дополнительных измерений. Хотя большие дополнительные измерения были привлекательной переформулировкой проблемы иерархии, в конце концов в них все еще присутствует необъясненное большое число — размер дополнительного измерения. В теории, которую мы сейчас рассматриваем, гравитационное взаимодействие на Слабой бране на много порядков величины слабее всех других взаимодействий, даже когда Слабая брана удалена от первой браны (Гравитационной браны) на очень скромное расстояние.

Расстояние между бранами в такой закрученной геометрии должно быть лишь чуть-чуть больше планковского масштаба длины. В то время как сценарий больших измерений требует введения очень большого числа, а именно размера измерений, в модели с закрученной геометрией для объяснения иерархии никакого неестественно большого числа не требуется. Это происходит потому, что экспонента автоматически превращает скромное число в очень большое число (экспоненту), или в очень малое число (обратное большой экспоненте). На Слабой бране интенсивность гравитации меньше; она уменьшается на фактор, являющийся экспонентой от расстояния между двумя бранами[157]. Если Слабая брана находится на расстоянии в 16 единиц от другой[158], ожидается огромное отношение между планковским масштабом масс — большой массой, говорящей нам, что гравитация слаба, — и массой хиггсовской частицы, а следовательно, массами слабых калибровочных бозонов. Это означает, что для того, чтобы объяснить иерархию, достаточно расстояния между бранами, которое всего в шестнадцать раз больше ваших самых наивных оценок. Множитель 16 может показаться большим, но он все же значительно меньше числа 10¹⁶, которое мы пытаемся объяснить.

В течение многих лет физики-частичники надеялись найти экспоненциальное объяснение иерархии. Иначе говоря, мы надеялись обнаружить, что это необъяснимо большое число является следствием некоторой естественно возникающей экспоненциальной функции. Теперь Раман и я с помощью дополнительных измерений нашли способ, которым физика частиц автоматически включила экспоненциальную иерархию масс. В том месте, где находится наша брана (Слабая брана), гравитационное взаимодействие может быть много меньше, чем оно было бы там, где функция вероятности гравитона достигает максимума. Так как гравитация на нашей бране должна быть ослаблена закрученной геометрией, если Стандартная модель квартирует на Слабой бране, то проблема иерархии будет решена. Это было решение проблемы иерархии, и оно падало прямо нам в руки.

Другой способ понять это примечательное новое свойство закрученной геометрии — рассмотреть, как ослабляется гравитация. В гл. 19 мы объяснили слабость гравитации в сценарии АДД с помощью идущих от массивного тела гравитационных силовых линий, которые разбавляются, распространяясь по большим измерениям. Если мы выбираем этот путь, мы должны описать такое разбавление как следствие функции вероятности гравитона. Напомним, что функция вероятности гравитона показывает, как гравитация распространяется по пространству. Так как гравитация в сценарии больших дополнительных измерений в равной степени сильна везде в дополнительных измерениях, в этом случае функция вероятности гравитона плоская. Такая плоская функция вероятности гравитона показывает, что гравитон, частица, переносящая гравитацию, размазана по большому пространству, окруженному дополнительными измерениями. Такая плоская функция вероятности, равномерно распределенная по всему пространству дополнительных измерений, говорит, что влияние гравитации в четырех измерениях сильно ослабилось.

У закрученного пятимерного пространства-времени, которое мы сейчас рассматриваем, имеется интересная особенность. Гравитон уже больше не с равной вероятностью находится во всех местах пятимерного пространства, лежащих между двумя границами, Гравитационной браной и Слабой браной. Распределение гравитона на самом деле далеко не демократично, что является автоматическим следствием определенного распределения энергии на бранах и в балке. Функция вероятности гравитона изменяется: она велика в одной области и мала во всех остальных, и именно это изменение обеспечивает фактор ослабления, ответственный за то, что гравитация столь слаба в нашем мире. Гравитация ничтожна на Слабой бране, так как функция вероятности гравитона на ней ничтожна.

Вернемся ненадолго к аналогии с разбрызгивателем, которую мы использовали ранее для объяснения того, каким образом интенсивность гравитации уменьшается с расстоянием. Чем больше область, над которой разбрызгиватель распределяет воду (показано на верхней части рис. 81), тем более разжижена струя воды. Если существуют большие дополнительные измерения, гравитация распределяется по очень большой области и тоже ослабляется. Поэтому в низкоэнергетической эффективной четырехмерной теории гравитация кажется слабой.

Закрученная геометрия, в свою очередь, напоминает разбрызгиватель, который не распределяет воду равномерно по всем направлениям, а вместо этого подает ее выборочно в одну конкретную область вокруг Гравитационной браны (см. нижнюю часть рис. 81). При таком недемократичном разбрызгивателе очевидно, что во все области, кроме любимой, будет доставляться меньше воды. И если количество воды, подающееся в другие области, падает экспоненциально от любимого места, доля воды, доставленная к другим областям, будет действительно очень малой, даже если все они будут на небольшом расстоянии друг от друга. Ясно, что вода, доставленная «закрученным» разбрызгивателем, «разбавляется» намного больше, чем вода, равномерно распределенная по всем областям.

Итог состоит в том, что если все частицы Стандартной модели размещены на Слабой бране, то гравитация так слаба по сравнению с другими тремя взаимодействиями, что проблема иерархии в физике частиц — вопрос о том, почему гравитация так слаба по сравнению с другими взаимодействиями — решен. Слабая гравитация есть естественное следствие малой амплитуды функции вероятности гравитона на Слабой бране, даже если она находится на сравнительно небольшом расстоянии (примерно в десять раз больше, чем любимый теорией струн планковский масштаб длины) от Гравитационной браны.

Предыдущее объяснение иерархии с помощью экспоненциально падающей функции вероятности полностью адекватно пониманию закрученного пространства-времени. Интуитивное объяснение слабости гравитации сводится к тому, что гравитон с меньшей вероятностью обнаруживается на Слабой бране. Вы можете принять это объяснение и перейти к следующему разделу, но, возможно, вас заинтересует чут^ более строгое объяснение, в котором более тщательно изучаются поразительные свойства закрученного пространства-времени.

В этом разделе мы увидим, что слабость гравитации на Слабой бране можно объяснить также как следствие существования объектов, становящихся больше и легче по мере удаления от Гравитационной браны и приближения к Слабой бране. Если бы Афина двигалась от Гравитационной браны к Слабой бране (как это она сделает в истории в следующей главе), она бы увидела, как ее тень на Гравитационной бране при удалении от браны увеличивается в размерах. При этом увеличение размеров ее тени огромно — она вырастет на шестнадцать порядков величины!

Мы увидим также, что в этой геометрии тяжелые и легкие частицы могут мирно сосуществовать. Даже когда на одной из двух бран имеются частицы планковского масштаба масс, на другой имеются только частицы слабого масштаба масс. Поэтому проблемы иерархии больше не существует.

Чтобы понять, как все это устроено, предположим, что, как и большинство людей (по крайней мере тех, кто не читал эту книжку), вы совершенно ничего не знаете о пятом измерении, которое ко всему еще невидимо. Непоколебимые в своем убеждении, что вы живете в четырех измерениях, вы будете знать только о четырехмерной гравитации, которая, как вы считаете, передается обычным четырехмерным гравитоном. В четырехмерной эффективной теории, описывающей то, что вы видите, будет только одно гравитационное взаимодействие, следовательно, только один тип четырехмерного гравитона. Но этот гравитон не будет содержать никакой информации о местонахождении частицы в исходной теории с дополнительным измерением.

Рассуждая таким образом, кажется будто все взаимодействия гравитонов должны быть одинаковы, т. е. независимы от того, где в пятом измерении изначально был объект. В конце концов, вы не можете знать, что объект пришел изначально из пятого измерения, или даже что пятое измерение было. Ньютоновская гравитационная постоянная, определяющая интенсивность взаимодействия гравитона, была бы единственной величиной, определяющей интенсивность всех четырехмерных гравитационных взаимодействий. Но в предыдущем разделе мы видели, что гравитационное взаимодействие слабеет, когда вы двигаетесь от Гравитационной браны к Слабой бране. Тогда возникает вопрос, каким образом интенсивность гравитации осуществляет сбор информации о местонахождении объекта в пятом измерении?

Решение кажущегося парадокса связано с тем фактом, что гравитационное взаимодействие также пропорционально массе, а масса в разных точках вдоль пятого измерения может и должна быть разной. Единственный способ воспроизвести слабеющее взаимодействие гравитона на каждом последующем срезе вдоль пятого измерения заключается в том, чтобы измерить массу порознь на каждом четырехмерном срезе.

Одно из многих примечательных свойств закрученного пространства-времени состоит в том, что, когда вы двигаетесь от Гравитационной браны к Слабой бране, энергии и импульсы уменьшаются. Уменьшающиеся энергии и импульсы (а также совместимость с квантовой механикой и специальной теорией относительности) говорят нам, что должны расширяться расстояние и время (рис. 82). В описываемой сейчас геометрии размер, время, масса и энергия зависят от места. Четырехмерные размеры и массы наследуют значения, зависящие от их исходных положений в пятом измерении. Физика выглядит четырехмерной. Но линейка, с помощью которой измеряется длина, или масштаб, с помощью которого измеряется масса, зависит от начального пятимерного местоположения. Жители Гравитационной браны или Слабой браны видят четырехмерную физику, но они будут измерять разные размеры и разные значения масс.

Гравитационное притяжение масс частиц, находящихся на большем расстоянии от Гравитационной браны в первоначальной пятимерной теории, становится меньше в четырехмерной эффективной теории, так как сами массы становятся меньше. Это происходит потому, что в каждой точке в пятом измерении масса и энергия изменяют масштаб в число раз, пропорциональное амплитуде функции вероятности гравитона в этой конкретной точке. При этом конформный фактор, равный той величине, во сколько раз вы изменяете масштаб энергий, при удалении от Гравитационной браны становится меньше. На самом деле график конформного фактора имеет в точности ту же форму, что и функция вероятности гравитона. Поэтому массы и энергии уменьшаются в разное число раз в каждой точке вдоль пятого измерения, причем конформный фактор определяет, во сколько именно.

Такое изменение масштаба может показаться произвольным, но это не так. Однако это вопрос тонкий, поэтому сначала рассмотрим аналогию. Предположим, что мы собираемся измерить время в единицах длительности поездки в 100 км на поезде. Я буду называть эти единицы ПВ (поездное время). Это прекрасная единица измерения времени с одним только недостатком, что ваше определение времени будет зависеть от того, где вы путешествуете: быстрые там поезда или нет? Например, предположим, что кинокартина длится 2 часа. Если американский поезд затрачивает один час, чтобы преодолеть 100 км, американский зритель проедет 200 км, пока посмотрит фильм, и скажет, что фильм длился 2 ПВ. С другой стороны, французский зритель, едущий на экспрессе, подумает, что фильм длился 6 ПВ, так как экспрессы во Франции едут примерно в три раза быстрее, и французскому зрителю придется смотреть свой DVD во время 600-километрового пути, чтобы понять, чем все закончится. Так как поезд французского зрителя проходит 100 км за 20 мин, в то время как американский поезд покрывает то же расстояние за 1 час, вам нужно изменить масштаб поездного времени, если американцы и французы должны использовать одинаковые единицы и согласны измерять длительность кино в единицах ПВ. Чтобы перевести время от французского к американскому, вам необходимо изменить масштаб французского поездного времени на множитель три.

Аналогично, на Слабой бране, где взаимодействие гравитона намного слабее, чем на Гравитационной бране, единицы масштаба, используемого для измерения энергии, должны быть изменены, чтобы учесть слабость гравитации. На Слабой бране изменение масштаба должно быть произведено в колоссальное число раз, равное 10¹⁶. Это означает, что в то время как на Гравитационной бране можно ожидать, что все фундаментальные массы равны М_Pl (планковский масштаб масс), на Слабой бране они будут только порядка 1000 ГэВ, т. е. в 10¹⁶ раз меньше. Массы новых частиц, живущих на Слабой бране, могут быть несколько больше, от 3000 до 5000 ГэВ, но они не должны быть много больше, так как все массы чрезвычайно сильно изменили масштаб.

Проблема иерархии возникает тогда, когда все массы оказываются около самой большой массы. Если эта масса есть планковский масштаб масс, то можно ожидать, что все массы будут такими же большими, как планковский масштаб масс. Но благодаря изменению масштаба, если вы первоначально полагали, что планковский масштаб масс был ожидаемой массой для всего на Гравитационной бране, тогда вы должны заключить, что ожидаемой массой на Слабой бране будет ТэВ, на 16 порядков меньшая масса[159]. Это означает, что масса хиггсовской частицы не столь ужасна; ожидается масса порядка ТэВ, даже несмотря на то, что гравитация слаба. Изменение масштаба, существенное в этой интерпретации, решает проблему иерархии.

По тем же соображениям, все новые объекты на Слабой бране, включая струны, должны иметь массу порядка ТэВ. Отсюда следует, что такая модель будет иметь впечатляющие экспериментальные следствия. На Слабой бране дополнительные частицы, связанные со струнами, будут намного легче, чем частицы на Гравитационной бране, или, если угодно, в четырехмерном мире. Слабая брана представляет сказочный сценарий в контексте обнаружения дополнительных измерений. Если эта идея правильна, то частицы малой массы из дополнительных измерений находятся почти рядом. Частицы ТэВной массы в изобилии имеются на Слабой бране.

Ожидается, что масса всего, что находится на Слабой бране, меньше планковского масштаба масс на фактор 10¹⁶. Но согласно квантовой механике, меньшая масса означает больший размер. Тень Афины будет расти, когда она пойдет от Гравитационной браны в сторону Слабой браны. Это указывает, что струны на Слабой бране не должны иметь размер 10^-33 см. Напротив, они должны также быть на 16 порядков величины больше, т. е. иметь размер порядка 10^-17 см.

Хотя я сконцентрировала внимание на сценарии двух бран с конкретным конформным фактором, рассмотренные свойства, похоже, являются более общими. С учетом дополнительных измерений есть основания ожидать несопоставимых масс. Интуитивные представления физики частиц о том, что массы должны быть более или менее одинаковые, нарушается, и ожидается появление широкого диапазона масс. Находящиеся в разных местах частицы будут, естественно, иметь разные массы. Их тени меняются, если вы перемещаетесь в другое место. В нашем четырехмерном мире результатом будет широкий диапазон размеров и масс, и все это мы будем наблюдать.

Когда в 1999 году появилась наша статья, объясняющая иерархию с помощью закрученной геометрии, большинство наших коллег не заметило, что это была по-настоящему новая теория, сильно отличающаяся от идеи больших измерений. Джо Ликкен сказал мне: «Реакция наступила медленно. В конце концов каждый понял, что эта работа (и еще одна, которую я поясню в гл. 22) очень важная, новая и плодотворная, открывающая целую новую арену идей. Но случилось это не сразу».

В течение месяцев после выхода нашей работы в свет меня просили сделать доклады о моей работе по «большим дополнительным измерениям». Я пыталась возражать, что вся красота нашей теории как раз в том, что измерения небольшие! А Марк Вайс (какое удачное имя),[160] теоретик в области физики частиц из Калтеха, много смеялся над заголовком, который был дан моему пленарному докладу на заключительном заседании Конференции по лептонам и фотонам в 2001 году, главной конференции по физике частиц, на которой экспериментаторы представляют важные результаты. Организаторы дали моему докладу название, которое имело отношение ко всем работам по дополнительным измерениям, кроме моей собственной!

Марк и его тогдашний студент Вальтер Гольдбергер были первыми, кто поняли преимущества закрученного сценария. Но они также заметили, что Раман и я оставили потенциальный пробел в наших результатах, который следовало заполнить. Мы предполагали, что динамика бран естественным путем приведет к бранам, находящимся на умеренном расстоянии друг от друга. Однако мы не показали явно, как устанавливается расстояние между двумя бранами. Это не просто деталь; роль нашей теории как решения проблемы иерархии зависела от способности быстро стабилизировать две браны на малом, но конечном расстоянии друг от друга. Имелась возможность того, что обратная экспоненциальная функция расстояния (которую мы хотели бы видеть крайне малой), а не само расстояние, естественно оказалась бы небольшим числом. Если так, то предсказываемая иерархия между масштабом массы слабых взаимодействий и планковским масштабом масс была бы умеренным числом, а не (много меньшей) обратной экспонентой от этого числа, и наше решение не работало бы.

Гольдбергер и Вайс проделали важное исследование, закрывшее эту потенциально ненадежную дыру в теории, построенной Раманом и мной. Они показали, что расстояние между двумя бранами равно умеренному числу, а обратная экспонента от этого расстояния очень маленькая, в точности, как требовалось для того, чтобы наше решение работало.

Их идея была элегантна, и оказалось, что она имеет более общую применимость, чем кто-то мог в то время предположить. Выяснилось, что любая модель стабилизации очень похожа на их модель. Гольдбергер и Вайс предположили, что вдобавок к гравитону существует массивная частица, живущая в пятимерном балке. Они приписали этой частице свойства, которые позволили ей действовать, как пружине. В общем случае пружина имеет предпочтительную длину; пружина любой меньшей или большей длины будет переносить энергию, которая заставит пружину двигаться. Гольдбергер и Вайс ввели частицу (и связанное с ней поле), для которой равновесная конфигурация для поля и браны включала умеренное разделение бран, — опять же, то, что требовало наше решение проблемы иерархии.

Их решение базировалось на двух конкурирующих эффектах, один из которых предпочитал далеко разведенные браны, а другой — близко расположенные браны. Результатом была стабильная компромиссная позиция. Комбинация двух противодействующих эффектов естественно приводит к модели двух бран, в которой они находятся на умеренном расстоянии друг от друга.

Работа Гольдбергера — Вайса сделала ясным, что сценарий двух бран с закрученной геометрией действительно дает решение проблемы иерархии. И тот факт, что расстояние между бранами может быть фиксировано, было важным по другой причине. Если расстояние между бранами было неопределенным, браны могли двигаться рядом или разбегаться, если изменялась температура и энергия вселенной. Если расстояние между бранами могло изменяться, или если различные стороны пятимерной вселенной могли расширяться с разной скоростью, сама вселенная не эволюционировала так, как это предполагается в четырех измерениях. Так как астрофизики проверяли расширение Вселенной на поздней стадии ее эволюции, мы знаем, что недавно Вселенная расширялась так, как будто она была четырехмерной.

С учетом механизма стабилизации Гольдбергера — Вайса закрученная пятимерная вселенная согласуется с космологическими наблюдениями. Если браны стабилизированы по отношению к друг другу, вселенная будет эволюционировать так, как будто она четырехмерна, даже если на самом деле у нее пять измерений. Даже при наличии пятого измерения стабилизация будет жестко ограничивать различные положения вдоль пятого измерения, так чтобы они эволюционировали одинаково, и вселенная вела бы себя так, как будто она имеет четыре измерения. Так как стабилизация Гольдбергера — Вайса должна происходить сравнительно рано, закрученная вселенная будет выглядеть четырехмерной в течение большей части своей эволюции.

Как только стабилизация и космология стали понятными, в дело вошло решение проблемы иерархии с помощью закрученной геометрии. Скоро последовали многие другие интересные исследования, касающиеся этой закрученной геометрии. Одним из них было объединение взаимодействий. Все взаимодействия, включая гравитацию, могут быть объединены при высоких энергиях в закрученной геометрии, которую мы рассматриваем!

В гл. 13 объяснялось, почему главный козырь суперсимметрии — это то, что она может успешно обеспечить объединение взаимодействий. Теории с дополнительными измерениями, обращающиеся к проблеме иерархии, этого, кажется, лишены. Но так как мы не видели ни одного убедительного экспериментального свидетельства объединения — такого как распад протона — это не главная потеря, ибо мы не знаем до сих пор с уверенностью, что объединение правильно. Тем не менее три линии, сходящиеся в одной точке, выглядят интригующе и могут быть знамением чего-то важного. Даже если объединение еще не установлено достаточно твердо, мы не должны отвергать его слишком поспешно.

Алекс Помарол, испанский физик из Барселонского университета, заметил, что объединение взаимодействий может также происходить в закрученной геометрии. Однако схема, которую он рассматривал, слегка иная; электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия не закреплены на бране, а вместо этого существуют в полном пятимерном балке. Калибровочные бозоны Стандартной модели — глюоны, W, Z и фотон — не прибиты к (три + одна) — мерной бране.

Согласно теории струн, калибровочные бозоны могут быть прибиты к бране с дополнительным числом измерений или, наряду с гравитацией, они могут находиться в балке. В противоположность гравитону, который должен возникать из замкнутой струны, калибровочные бозоны и заряженные фермионы могут соответствовать либо открытым, либо замкнутым струнам в зависимости от модели. Согласно тому, возникли ли они из открытых или замкнутых струн, калибровочные бозоны и фермионы будут либо прибиты к бране, либо получат возможность двигаться в балке.

В сценарии больших дополнительных измерений, если негравитационные взаимодействия находятся в балке, они оказываются слишком слабыми, чтобы согласовываться с наблюдениями. Взаимодействия в балке распространились бы по всему огромному пространству дополнительных измерений. Поэтому, как и в случае гравитации, они также будут очень сильно ослаблены. Это было бы неприемлемо, так как измеренные нами интенсивности взаимодействий оказались намного больше, чем эта теория может предсказать.

Но если дополнительные измерения не слишком велики, как в случае закрученной геометрии, не существует проблем с негравитационными взаимодействиями в пятимерном балке. Единственное, что их может ослабить, это не закручивание, а размер дополнительных измерений, но в закрученном сценарии этот размер довольно мал. Это означает, что истинная теория мира такова, что все четыре взаимодействия проявляются через балк. В этом случае не только частицы на бране, но и частицы во всем многомерном пространстве-времени могут ощущать электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, а также гравитацию.

Если калибровочные бозоны в закрученном сценарии присутствуют в балке, они могут иметь энергию, много большую чем ТэВ. Висящие в балке калибровочные бозоны будут ощущать весь диапазон энергий. Не чувствуя себя более привязанными к Слабой бране, они могут перемещаться везде в балке и обладать энергиями порядка планковского масштаба энергий. Только на Слабой бране энергия становится меньше, чем ТэВ. Так как взаимодействия находятся в балке и поэтому могут происходить при больших энергиях, становится возможным объединение взаимодействий. Это знаменательный факт, так как он означает, что взаимодействия могут объединяться при большой энергии даже в теории с дополнительными измерениями. Помарол получил очень интересный результат, что объединение действительно происходит почти так же, как будто теория является по-настоящему четырехмерной.

Но дела обстоят еще лучше. Объединение и механизм закрученной иерархии можно скомбинировать. Помарол показал, что взаимодействия объединяются, но он также предположил, что проблему иерархии решает суперсимметрия. Но для решения проблемы иерархии в закрученной геометрии требуется только, чтобы хиггсовская частица находилась на Слабой бране, так чтобы ее масса была близка к масштабу энергии слабых взаимодействий между 100 ГэВ и 1 ТэВ. Прибивать же калибровочные бозоны к бране не следует.

Все, что вам требуется в закрученной геометрии для решения проблемы иерархии, это малая величина массы хиггсовской частицы. Это происходит потому, что хиггсовское поле ответственно за спонтанное нарушение симметрии, являющееся источником масс всех элементарных частиц. Если симметрия слабого взаимодействия не будет нарушена, калибровочные бозоны и фермионы не будут иметь массы. До тех пор пока хиггсовская частица имеет масштаб массы слабых взаимодействий, массы слабых калибровочных бозонов оказываются правильными. Решение проблемы иерархии с помощью закрученной гравитации требует, в действительности, только одного — чтобы хиггсовская частица была на Слабой бране.

Все это означает, что если хиггсовская частица находится на Слабой бране, а кварки, лептоны и калибровочные бозоны — в балке (рис. 83), вы можете легко и просто получить желаемый результат. Слабая шкала будет защищена и будет иметь величину порядка ТэВ, но объединение сможет все же произойти при очень больших энергиях, на масштабе ТВО. Мой бывший студент Мэтью Шварц и я показали, что суперсимметрия не является единственной теорией, которая может быть согласована с объединением, — теория закрученных дополнительных измерений тоже может!

Естественная шкала на Слабой бране порядка ТэВ. Если сценарий закрученной геометрии окажется правильным описанием нашего мира, его экспериментальные следствия на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, Швейцария, будут потрясающими. Опознавательные знаки закрученного пятимерного пространства-времени могут включать частицы Калуцы — Клейна (КК), пятимерные черные дыры анти-де-ситтеровского пространства и струны ТэВной массы.

Частицы КК закрученного пространства-времени, вероятно, будут самыми доступными экспериментальными провозвестниками этой геометрии. Как всегда, частицы КК — это частицы, обладающие импульсом в дополнительных измерениях. Но новая загвоздка в этой модели состоит в том, что так как пространство искривленное, а не плоское, массы частиц КК будут отражать характерные особенности закрученной геометрии.

Так как единственная частица, про которую мы твердо знаем, что она распространяется в балке, это четырехмерный гравитон, сосредоточимся на его КК-партнерах. Как и в плоском пространстве, легчайшей из КК-партнеров гравитона будет частица, вообще не имеющая импульса в четвертом измерении. Такая частица будет неотличима от частицы подлинно четырехмерного происхождения: это гравитон, который будет переносить гравитацию в том, что выглядит как четырехмерный мир, и это гравитон, функцию вероятности которого мы детально изучали в этой главе. Если бы не было дополнительных частиц КК, гравитационное взаимодействие вело бы себя в точности так же, как в истинно четырехмерной вселенной. В этом сценарии вселенная по секрету пятимерна, но частица, которая действует как четырехмерный гравитон, не разоблачает этого факта. В отсутствие более тяжелых частиц КК мир Афины действительно кажется ей четырехмерным.

Только более массивные частицы КК могут рассказать о секретах пятимерной теории. Однако они должны быть достаточно легкими, чтобы рождаться. Вычисление значений масс частиц КК в этой теории довольно хитроумное. Из-за определенной геометрии частицы КК не будут обладать массами, пропорциональными обратным размерам измерения, как это было в случае свернутых измерений в плоском пространстве. Масса, пропорциональная обратному размеру, была бы чрезвычайно удивительной, так как для малых дополнительных измерений, которые мы рассматриваем, это должен быть планковский масштаб масс. На Слабой бране не может существовать ничего, что тяжелее чем ТэВ; никто, безусловно, никогда не нашел бы на ней объекта планковского масштаба масс.

Так как ТэВ — это масса, связанная со Слабой браной, вы не должны удивляться, что проведя аккуратно вычисления с учетом закрученного пространства-времени, масса частиц КК окажется порядка ТэВ. Если пятое измерение, как мы и предполагали, заканчивается на Слабой бране, то массы самых легких частиц КК и разность масс последовательно более тяжелых частиц КК оказываются порядка ТэВ. Частицы КК собираются на Слабой бране (поскольку их функция вероятности имеет там максимум), и обладают всеми свойствами частиц Слабой браны.

Это означает, что существуют КК-партнеры гравитона с массами порядка 1 ТэВ, 2 ТэВ, 3 ТэВ… В зависимости от окончательной энергии, которой достигнет БАК, есть хороший шанс найти одну или несколько из них. В противоположность КК-партнерам в сценарии больших дополнительных измерений, эти КК-партнеры взаимодействуют намного сильнее, чем гравитация.

Интенсивность взаимодействия этих частиц КК близко не приближается к интенсивности взаимодействия гравитона в четырех измерениях, — частицы КК обладают на 16 порядков величины большей интенсивностью взаимодействия. КК-партнеры гравитона взаимодействуют в нашей теории настолько

сильно, что любой КК-партнер, образованный на коллайдере, не будет просто исчезать из вида, унося энергию, не оставляя при этом никакого видимого сигнала. Напротив, КК-партнеры будут распадаться внутри детектора на детектируемые частицы, возможно, мюоны и электроны, которые можно использовать для реконструкции той частицы КК, от которой они произошли (рис. 84).

Это общепринятый рецепт открытия новых частиц: изучи все продукты распада и установи свойства той частицы, от которой они произошли. Если то, что вы нашли, не есть что-то, о чем вы знаете, это должно быть что-то новое. Если частицы КК распадаются в детекторе, сигнал от дополнительных измерений должен быть очень чистым. В нашей модели реконструкция масс и спинов частиц КК должна быть чрезвычайно полезными способом, который скорее сообщит нам о свойствах новых частиц, чем просто недостающая энергия, не имеющая никаких специальных меток о ее происхождении, позволяющих отличить эту модель от других. Значение спина частиц КК, равного 2, было бы действительным идентификационным знаком, который сообщил бы нам, что новые частицы имеют отношение к гравитации. Обнаружение частицы спина 2 и массы порядка ТэВ было бы необычайно сильным свидетельством в пользу закрученных дополнительных измерений. Несколько других моделей предсказывают существование таких тяжелых частиц спина 2, но с другими отличительными свойствами.

Если нам повезет, вдобавок к КК-партнерам гравитона эксперименты могли бы породить еще богатое множество частиц КК. В теории, согласно которой большинство частиц Стандартной модели находится в балке, мы могли бы увидеть также заряженные КК-партнеры кварков, лептонов и калибровочных бозонов. Эти частицы были бы заряженными и тяжелыми. И в конечном итоге они могли бы дать нам еще больше информации о многомерном мире.[161] На самом деле моделестроители Чаба Чаки, Кристоф Грожан, Луиджи Пило и Джон Тернинг показали, что в закрученном пространстве-времени с дополнительными измерениями и частицами Стандартной модели в балке электрослабая симметрия могла бы быть нарушена даже без хиггсовской частицы, а заряженные частицы, которые при этом могли бы обнаружить экспериментаторы, могли бы сообщить нам, является ли такая альтернативная модель верной для мира, в котором мы живем.

Я уже описывала несколько странных свойств дополнительных измерений. Но самая странная возможность еще впереди. Вскоре мы увидим, что закрученное дополнительное измерение может на самом деле простираться бесконечно далеко, оставаясь при этом ненаблюдаемым, в противоположность плоскому измерению, которое всегда должно иметь конечный размер, чтобы согласовываться с наблюдениями.

Этот результат поистине шокирует. В гл. 22, где мы обсудим это бесконечное дополнительное измерение, мы сосредоточимся на геометрии пространства, а не на проблеме иерархии. Но я кратко остановлюсь здесь на том, как можно решить проблему иерархии в случае пространства с бесконечным дополнительным измерением.

До сих пор мы рассматривали модель с двумя бранами: Гравитационной браной и Слабой браной, причем обе они ограничивали пятое измерение. Однако Слабая брана не обязана быть концом мира (т. е. границей пятого измерения). Если хиггсовская частица закреплена на второй бране, расположенной в середине бесконечного дополнительного измерения, то такая модель также может решить проблему иерархии. Функция вероятности гравитона была бы очень малой на Слабой бране, гравитация была бы слабой, и проблема иерархии решалась бы как и раньше, когда Слабая брана ограничивала пятое измерение. Функция вероятности гравитона в модели с бесконечным закрученным измерением продолжалась бы за пределы Слабой браны, но это не повлияло бы на решение проблемы иерархии, которое основано только на малости функции вероятности гравитона на Слабой бране.

Однако, поскольку измерение бесконечно, частицы КК имели бы другие массы и взаимодействия, так что экспериментальные следствия этой модели отличались бы от тех, которые я только что описала. Когда мы с Джо Ликкеном впервые обсуждали эту возможность в Аспеновском физическом центре (вдохновляющее место, а также одна из причин, по которым многие физики-теоретики любят гулять пешком), мы не были уверены, будет ли эта идея на самом деле работать. Если бы пятое измерение не кончалось на Слабой бране, не все частицы КК были бы тяжелыми (и имели бы массу порядка ТэВ). Массы некоторых частиц КК были бы крохотными. Если бы эти частицы были обнаружимы, но экспериментаторы до сих пор их не открыли, модель должна была бы быть исключена.

Но оказалось, что модель выжила. Сидя на скамейке, окруженная роскошным горным пейзажем, я решала задачу о взаимодействиях частиц КК (Джо занимался такими же вычислениями, но, я полагаю, он находился в своем кабинете в Центре). Мы получили результат, из которого следовало, что хотя взаимодействия частиц КК были достаточно велики, чтобы представлять интерес для будущих экспериментов, они были недостаточно велики для того, чтобы их уже можно было наблюдать.

В будущем БАК дает хороший шанс рождать частицы КК этой модели, если они существуют. Такие частицы будут выглядеть не так, как частицы из моделей с конечными закрученными дополнительными измерениями. Вместо милых частиц КК, распадающихся внутри детектора, частицы КК в модели с бесконечным дополнительным измерением сбегут в дополнительное измерение (похоже на поведение частиц КК, когда имеются большие измерения). Поэтому, если существует бесконечное закрученное дополнительное измерение и Слабая брана, решающая проблему иерархии, экспериментаторы могут только надеяться обнаружить события с недостающей энергией. Даже в этом случае при достаточно больших энергиях недостающая энергия должна быть достаточно ясным сигналом того, что где-то здесь есть нечто новое.

Когда запустят БАК, то вдобавок к частицам КК могут появиться и другие примечательные сигналы дополнительных измерений. Хотя эффекты пятимерной гравитации при обычных энергиях ничтожно малы, но когда коллайдер начнет рождать частицы больших энергий, пятимерная гравитация станет главным игроком. На самом деле, когда энергии достигнут примерно ТэВ, эффекты пятимерной гравитации станут огромными, они перекроют взаимодействия слабо взаимодействующего четырехмерного гравитона, имеющего очень малую функцию вероятности на Слабой бране, где мы живем (и ставятся эксперименты).

Огромная интенсивность пятимерной гравитации означает, что могут рождаться пятимерные черные дыры, а также пятимерные струны. Кроме того, как только энергии достигнут величины порядка ТэВ, все, что сосредоточено на Слабой бране или в ее окрестности, будет сильно взаимодействовать со всем остальным. Это произойдет потому, что эффекты гравитации и дополнительных частиц КК будут огромными при ТэВных энергиях, и они будут сговариваться, чтобы все взаимодействовало со всем. Такие сильные взаимодействия между всеми известными частицами и гравитацией не возникают в четырехмерном сценарии; это будет ясный сигнал о чем-то новом. Как и в случае больших дополнительных измерений, мы до сих пор не знаем, хватит ли энергии, чтобы увидеть эти новые объекты. Но если взаимодействия сильны при энергиях, не слишком превышающих ТэВ, эксперименты этого не пропустят.

Связь между решением проблемы иерархии и экспериментальными следствиями при ТэВных энергиях очень крепка, но детали того, что мы увидим, зависят от модели. Разные модели приводят к различным экспериментальным следствиям, и это обнадеживает. Эти определенные опознавательные знаки означают, что как только запустят БАК, у нас появится хороший шанс установить, какая из этих моделей (если это имеет место) применима к нашему миру.

• Пространство-время может быть сильно искривлено вследствие присутствия энергии в балке и бране, даже если сама брана совершенно плоская.

• Рассмотренная в этой главе модель имеет две браны, Гравитационную и Слабую, на каждом из концов пятого измерения конечных размеров. Энергия в балке и на бранах закручивает пространство-время.

• Единственное дополнительное измерение предлагает совершенно новый способ решения проблемы иерархии. Пятое измерение в этой модели невелико, но очень закручено. Интенсивность гравитации сильно зависит от того, где вы находитесь в пятом измерении. Гравитация сильна на Гравитационной бране и очень слаба на Слабой бране, где живем мы с вами.

• С точки зрения наблюдателя, считающего, что он находится в четырех измерениях, объекты могут иметь разные размеры и массы, если они берут начало в разных местах в пятом измерении. Объекты, прикрепленные к Гравитационной бране, должны быть очень тяжелыми (с массой порядка планковского масштаба масс), в то время как объекты, прикрепленные к Слабой бране, должны иметь значительно меньшие массы порядка ТэВ.

• Все взаимодействия могут объединиться, и проблема иерархии может быть решена, если хиггсовская частица (но не калибровочные бозоны) прикреплена к Слабой бране.

• Калуца-клейновские партнеры гравитона на коллайдере должны приводить к очень отчетливым событиям, в которых они распадаются на частицы Стандартной модели внутри детектора.

• В моделях, в которых частицы Стандартной модели находятся в балке, могут рождаться и распадаться и другие частицы КК.