Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
ГЛАВА 17 ВАКАНТНОЕ МЕСТО ТОП-МОДЕЛИ В январе 2010 г. мои коллеги собрались в Южной Калифорнии на конференцию, чтобы обсудить проблемы физики элементар- ных частиц и поиск скрытой массы в эпоху БАКа. Организатор кон- ференции Мария Спиропулу — ученый-экспериментатор на CMS и сотрудник физического факультета Калифорнийского техноло- гического института — попросила меня прочитать первую лек- цию, рассказать о БАКе и дать обзор основных физических целей на ближайшее будущее. Мария хотела, чтобы конференция получилась динамичной, и предложила нам начать с «дуэли» между тремя выступающими. Мало того, что термин «дуэль» в применении к трем участникам звучит странно, еще и аудитория с множеством приглашенных гостей оказалась очень сложной — в ней присутствовали как спе- циалисты, так и просто интересующиеся представители научно- го мира Калтеха. Мария попросила уделить побольше внимания темным моментам современных теорий и экспериментов, причем излагать простым и доступным языком. Я поступила так, как поступил бы на моем месте любой ра- зумный человек перед лицом таких противоречивых требований: начала тянуть время. Результатом моих изысканий в Сети стал первый слайд презентации (рис. 56); позже Деннис Овербай опу- бликовал его в The New York Times в своей статье о конференции — вместе с опечаткой в слове «суперсимметрия». Возле каждого участника «дуэли» (это были я и еще двое вы- ступающих) стояла табличка, из которой было ясно, какую из мо- ВАКАНТНОЕ МЕСТО ТОП-МОДЕЛИ 371 делей он намеревается защищать. Все участники конференции, как бы сильно они ни были убеждены в верности своей модели, прекрасно понимали, что в самом ближайшем будущем появятся новые объективные данные, которые и решат вопрос о том, кто бу- дет смеяться последним (или получит Нобелевскую премию). РИС . 56. Такими я представила модели-кандидаты на слайде для своей презентации БАК предоставляет нам уникальную возможность получить новые знания и сформировать новые представления о мире. Спе- циалисты в области физики элементарных частиц надеются очень 372 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ скоро узнать ответы на сложные вопросы, над которыми мы раз- мышляем уже не один десяток лет. Почему частицы обладают мас- сами? Из чего состоит темное вещество? Решают ли дополнитель- ные измерения проблему иерархии? Участвуют ли в этом допол- нительные симметрии пространства-времени? Или здесь работает какой-то совершенно неизвестный механизм? Среди предлагаемых ответов — модели с такими названия- ми, как суперсимметрия , техницвет и дополнительные измере- ния . Вообще говоря, ответы могут оказаться далекими от всего, что предлагалось, но эти модели дают нам конкретные цели по- иска и говорят о том, на что надо обратить внимание. В этой гла- ве представлено несколько моделей-кандидатов, которые каждая по-своему пытаются решить проблему иерархии; рассказ о них позволит ощутить «аромат» тех исследований, которые будут проводиться на БАКе. Поиск доказательств в пользу всех моделей ведется одновременно; какой бы ни оказалась подлинная теория природы, наши исследования не пропадут даром: в любом случае нас ждут важные открытия. СУПЕРСИММЕТРИЯ Начнем, пожалуй, с необычного вида симметрии, известного как суперсимметрия, и моделей с ее участием. Если бы вы провели опрос среди физиков-теоретиков, то значительная их часть сказа- ла бы, что суперсимметрия решает проблему иерархии. А если бы вы опросили экспериментаторов на тему о том, что им больше всего хочется найти, то значительная их часть также назвала бы суперсимметрию. Еще в 1970-е гг. многие физики уверовали в то, что такие кра- сивые и удивительные теории, так теория суперсимметрии, просто обязаны быть верными, а сама суперсимметрия должна существо- вать. Более того, они вычислили, что фундаментальные взаимо- действия на высоких энергиях в модели суперсимметрии должны действовать с одинаковой силой — и это даже лучше, чем прибли- зительное соответствие, которое наблюдается в Стандартной мо- дели; в перспективе это допускает объединение взаимодействий. ВАКАНТНОЕ МЕСТО ТОП-МОДЕЛИ 373 Многие теоретики также считают, что суперсимметрия — самое убедительное решение проблемы иерархии из всех имеющихся, несмотря на то что согласовать все детали этой теории с уже из- вестными фактами очень трудно. Суперсимметричные модели предполагают, что у каждой эле- ментарной частицы Стандартной модели — у электронов, кварков и т. п. — имеется партнер в виде частицы с теми же параметрами взаимодействий, но иными квантово-механическими свойствами. Если мир суперсимметричен, то в нем существует множество не- известных частиц, которые в скором времени могут быть обнару- жены: речь идет о суперсимметричных партнерах всех известных частиц (рис. 57). ~ ~ ~ g gluinos Higgsinos, Neutralinos ~ ~ Winos, Higgsinos, Charginos – + – + Supersymmetric Partners Sleptons Squarks 1 2 3 sneutrino sneutrino sneutrino e selectron smuon stau d sdown s sstrange b sbottom u sup c scharm stop t ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ H A H 0 H Electroweak Gauge Bosons g gluons Higgs Bosons + - Z Standard Model Particles Leptons Quarks 1 lightest neutrino 2 middle neutrino 3 heaviest neutrino e electron muon tau d down s strange b bottom u up c charm top t W – W + + - РИС . 57. В теории суперсимметрии у каждой частицы Стандартной модели имеется суперсимметричный партнер, символ которого до- полняется значком тильды, а название — у кварков и лептонов — буквой s впереди. Сектор Хиггса в ней также усилен по сравнению со Стандартной моделью 374 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Суперсимметричные модели действительно могли бы помочь в решении проблемы иерархии; если так, они делали бы это весь- ма примечательным способом. В полностью суперсимметричной модели виртуальный вклад от частиц и их суперсимметричных партнеров в точности компенсируется. Иными словами, если сложить квантово-механический вклад от всех частиц суперсим- метричной модели и прибавить получившуюся величину к массе бозона Хиггса, обнаружится, что прибавка в точности равняется нулю. В суперсимметричной модели Хиггс будет легким или во- обще безмассовым даже с учетом виртуальных квантово-механи- ческих «добавок». В настоящей суперсимметричной теории вкла- ды от обоих типов частиц полностью компенсируются (рис. 58). Возможно, это заявление кажется фантастическим, но в дей- ствительности компенсация добавок массы гарантируется, потому что суперсимметрия представляет собой совершенно особый вид симметрии. Это симметрия пространства и времени — она напо- минает знакомые виды симметрии, такие как симметрия враще- ния и параллельного переноса, но расширяет их в квантово-меха- ническую область. Хиггс Кварк Антикварк Скварк ~ t t - t Хиггс Хиггс Хиггс H H H H РИС . 58. В суперсимметричной модели вклад в массу бозона Хиггса от суперсимметричных частиц в точности компенсирует вклад от ча- стиц Стандартной модели. К примеру, на двух приведенных здесь диаграммах сумма виртуальных вкладов равняется нулю Квантовая механика делит вещество на две очень разные кате- гории — бозоны и фермионы. Фермионы — это частицы, облада- |