Неприятности с физикой: взлёт теории струн, упадок науки и что за этим следует - Смолин Ли
Одним из способов ограничить свободу частицы является связывание её поведения с другой частицей, чьё поведение заключено в некие пределы. Мы знаем, что калибровочные бозоны и фермионы защищены; их массы не ведут себя диким образом. Может ли здесь быть симметрия, которая связывает Хиггс с частицами, чья масса защищена? Если бы мы смогли сделать это, возможно, Хиггс был бы наконец укрощён. Единственная симметрия, известная, чтобы сделать это, есть суперсимметрия, поскольку суперсимметрия связывает фермионы с бозонами, поэтому в суперсимметричной теории будет фермион, являющийся партнёром Хиггса, названный хиггсино. (В теории суперсимметрии есть соглашение, что названия суперпартнёров фермионов начинаются на «с», вроде сэлектрона, тогда как названия суперпартнёров бозонов оканчиваются на «ино».) Поскольку это фермион, масса хиггсино будет защищена от квантового прироста массы. Хорошо, суперсимметрия говорит нам, что два партнёра имеют одинаковую массу. Тогда масса Хиггса должна быть тоже защищена.
Эта идея может хорошо объяснить, почему масса Хиггса мала по сравнению с планковской массой. Как указано, эта идея определённо элегантна — но на практике она усложняется.
Прежде всего, теория не может быть частично суперсимметричной. Если одна частица имеет суперпартнёра, все остальные тоже должны. Таким образом, каждый кварк выступает с бозонным партнёром, скварком. Фотон имеет партнёром новый фермион, фотино. Взаимодействия тогда настраиваются так, что если все кварки заменить на скварки в то же самое время, как мы заменим все фотоны на фотино, вероятности различных возможных исходов опытов останутся неизменными.
Конечно, это простейшая возможность. Не могут ли две частицы, которые мы уже наблюдаем, быть партнёрами? Возможно, фотон и нейтрино идут вместе? Или Хиггс и электрон? Открытие новых взаимосвязей среди уже известных частиц определённо было бы элегантным — и убедительным.
К сожалению, никто когда-либо успешно не постулировал суперсимметрию, содержащуюся между двумя известными частицами. Вместо этого, во всех суперсимметричных теориях число частиц, по меньшей мере, удваивается. Новый суперпартнёр просто постулируется идущим вместе с каждой известной частицей. Там есть не только скварки, слептоны и фотино, там также имеются снейтрино как партнёры нейтрино, хиггсино как партнёры Хиггсов, гравитино, идущие с гравитонами. Каждой твари по паре, обычный Ноев ковчег частиц. Раньше или позже, запутавшись в паутине новых «сназваний» и «обозначино», вы начинаете чувствовать себя подобно клоуну «Сбозо». Или «клоунино» Бозо{8}. Или «скем» бы то ни было ещё.
К лучшему или к худшему, но природа не похожа на это. Как отмечалось, ни один эксперимент когда-либо не давал доказательств существования сэлектрона. До настоящего времени не показывались ни скварки, ни слептоны, ни снейтрино. Мир содержит гигантское количество фотонов (более миллиарда на каждый протон), но никто никогда не видел даже одного фотино.
Выходом из этого является постулат, что суперсимметрия спонтанно нарушена. Мы обсуждали в главе 4, как происходит спонтанное нарушение симметрии. Спонтанное нарушение может быть распространено и на суперсимметрию. Можно сконструировать теории, которые описывают миры, в которых силы суперсимметричны, но в которых их законы так искусно подогнаны, что низшее энергетическое состояние, — что означает, состояние, в котором симметрия пропадает, — не является суперсимметричным. В результате суперсимметричные партнёры частиц не обязаны иметь те же самые массы, которые имеют частицы.
Это делает теорию уродливой. Чтобы нарушить симметрию, мы добавляем ещё больше частиц, аналогичных Хиггсу. Они также требуют суперпартнёров. Возникает ещё больше свободных констант, которых можно подогнать, чтобы описать их свойства. Тогда все константы теории подгоняются так, что все эти новые частицы слишком тяжелы, чтобы быть наблюдаемыми.
Применяя это к стандартной модели физики элементарных частиц без дополнительных предположений, получаем новое хитроумное изобретение, именуемое минимальной суперсимметричной стандартной моделью, или МССМ. Как отмечалось в главе 1, оригинальная стандартная модель имеет около 20 свободных констант, которые мы подгоняем руками, чтобы получить предсказания, которые согласуются с экспериментом. МССМ добавляет ещё 105 свободных констант. Теоретик свободен подогнать их всех, чтобы обеспечить согласие теории с экспериментом. Если эта теория верна, Бог является технологическим дегенератом. Он из тех парней или девушек, кому нравятся музыкальные системы, в которых так много исполнителей, как это возможно, или парусные шлюпки с 16 различными линями, чтобы регулировать форму каждого паруса.
Конечно, природа может быть похожа на это. Теория имеет потенциал, чтобы разрешить проблему точной настройки. Так что, что вы получаете, увеличив число настроек с 20 до 125, так это то, что ни одна из новых настроек не должна быть столь же точно подогнана, как старые настройки. С таким большим количеством настроек для подгонки теория всё ещё затруднительна для подтверждения или опровержения экспериментаторами.
Имеется много установок для настроек, для которых суперсимметрия нарушается и каждая частица имеет массу, отличную от массы её суперпартнёра. Чтобы скрыть отсутствие большей половины частиц, мы приспосабливаем настройки таким образом, чтобы все отсутствующие частицы в конечном счёте оказались с намного большими массами, чем те, которые мы видим. Вам следует проделать это правильно, ибо если теория предсказывает, что скварки легче кварков, мы будем в неприятностях. Но не надо беспокоиться. Тут, оказывается, есть множество различных способов подгонки настроек, чтобы обеспечить, что все частицы, которых мы не видим, настолько тяжелы, что они к настоящему моменту не видимы.
Если тонкая настройка объяснена, тогда теория должна давать объяснение, почему Хиггсов бозон имеет большую массу, которую, мы думаем, он имеет. Как отмечалось, нет точных предсказаний для массы Хиггса даже в стандартной модели, но она должна быть больше, чем примерно 120 масс протона. Чтобы предсказать это, суперсимметричная теория должна быть так настроена, что на этом масштабе суперсимметрия восстанавливается. Это означает, что отсутствующие суперпартнёры должны иметь массы примерно в этом масштабе, а если так, LHC должен их увидеть.
Многие теоретики ожидают, что это именно то, что LHC увидит — множество новых частиц, которые могут быть интерпретированы как недостающие суперпартнёры. Если LHC это сделает, это, определённо, будет триумфом последних тридцати лет теоретической физики. Однако, я напоминаю вам, что тут нет ясных предсказаний. Даже если МССМ верна, имеется множество других путей настройки ста двадцати пяти её параметров, чтобы согласовать её с тем, что в настоящее время известно. Это приводит, по меньшей мере, к дюжине сильно различающихся сценариев, которые делают совершенно разные предсказания о том, что точно увидит LHC.
Но это заботы будущего. Предположим, что LHC произвёл новые частицы. Установив, что теория суперсимметрии выступает во множестве различных сценариев, получаем, что даже если суперсимметрия не верна, возможно, что она всё ещё может быть подстроена, чтобы соответствовать первым наблюдениям LHC. Чтобы подтвердить суперсимметрию, требуется намного больше. Мы откроем множество новых частиц и объясним их. И они могут не все быть суперпартнёрами частиц, о которых нам известно. Новые частицы могут быть суперпартнёрами ещё и других, всё ещё не видимых новых частиц.
Единственный безупречный путь доказать правильность суперсимметрии будет в демонстрации, что там на самом деле есть симметрия — что означает, что вероятности различных возможных результатов экспериментов не меняются (или меняются определённым, очень ограниченным образом), когда мы заменяем частицу на её суперпартнёра. Но это нечто, что будет нелегко выполнить на LHC, по крайней мере, в начале. Так что даже в лучшем случае пройдёт ещё весьма много лет, прежде чем мы узнаем, является ли суперсимметрия правильным объяснением для проблемы тонкой настройки.
