Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
На первый взгляд такой подход кажется не очень перспективным. Сказать, что есть симметрия – значит сказать, что какие-то различия не имеют значения. Мы называем кварки «красными», «зелеными» и «синими», но какой у кого цвет – не имеет значения. Электроны и электронные нейтрино, конечно, отличаются друг от друга, но только потому, что симметрия слабых взаимодействий нарушается полем Хиггса, скрывающимся в пустом пространстве. Если бы поля Хиггса там не было, электроны (только те, которые левши) и электронные нейтрино были бы вообще неразличимы.
Но когда мы смотрим на фермионы и бозоны Стандартной модели, они кажутся нам совершенно разными: массы различны, заряды различны, отличаются они и отношением к слабым и сильным взаимодействиям: одни в них участвуют, а другие – нет, даже общее число частиц совершенно разное. Никакой очевидной симметрии между этими частицами не заметно.
Однако физики упорно продолжают искать симметрии, и в конечном итоге они пришли к идее, что каждая частица Стандартной модели имеет совершенно неизвестного «суперпартнера», с которым устанавливает отношения суперсимметрии. Считается, что все эти суперпартнеры должны быть очень тяжелыми, потому мы еще и не обнаружили ни одного из них. Чтобы отметить эту блестящую идею, физики придумали остроумное правило поименования этих суперчастиц: если у вас есть фермион, название его суперпартнера-бозона образуется добавлением буквы «с» в начале названия соответствующего фермиона, а если у вас есть бозон, для названия его суперпартнера-фермиона к его названию добавляется окончание «ино».
Поэтому в теории суперсимметрии у нас есть набор новых бозонов с названиями «сэлектрон», «скварки» и так далее, а также набор новых фермионов под названием «фотино», «глюино» и «хиггсино». (Как любит поговаривать Дейв Барри[14]: «Клянусь, я не шучу!») Основные характеристики суперпартнеров – те же, что и у оригинальных частиц, за исключением того, что их масса намного больше, а бозоны и фермионы стали взаимозаменяемыми. Таким образом, «стоп» – это бозонный партнер топ-кварка (истинный кварк иногда называют топ-кварком), он чувствует как сильные, так и слабые взаимодействия и имеет заряд +2/3. Интересно, что в некоторых моделях суперсимметрии стоп – зачастую самый легкий бозонный суперпартнер, хотя сам топ-кварк является самым тяжелым фермионом. Бозонные суперпартнеры-фермионы, как правило, смешиваются, так что суперпартнеры W-бозонов и заряженных бозонов Хиггса соединяются, чтобы образовать «чарджино» (заряженный), в то же время партнеры Z-бозона, фотона и нейтральных бозонов Хиггса смешиваются, чтобы образовать «нейтралино».
Суперсимметрия на сегодня является чисто спекулятивной идеей. Она очень хорошо объясняет некоторые свойства, но пока нет никаких прямых доказательств ее истинности. Тем не менее она достаточно интересна и потому стала самой популярной теорией физики элементарных частиц за пределами Стандартной модели. К сожалению, в то время как основная идея очень проста и элегантна, ясно, что в реальном мире суперсимметрия должна нарушиться, в противном случае и частицы, и их суперпартнеры имели бы равные массы. А после того, как мы нарушим суперсимметрию, она перестает быть простой и элегантной и становится жутко запутанной.
Частицы Стандартной модели и их суперпартнеры (выше). Бозоны изображены кружками, фермионы – квадратиками. Три копии каждого кварка и скварка и восемь копий глюонов и глюино представляют разные цвета. В суперсимметричной Стандартной модели имеется пять бозонов Хиггса вместо одного обычного. Суперпартнеры W-бозонов и заряженные бозоны Хиггса смешиваются и превращаются в чарджино, а суперпартнеры Z-бозона, фотон и нейтральный бозон Хиггса смешиваются и образуют нейтралино.
Существует некая версия теории суперсимметрии, так называемая «минимальная суперсимметричная стандартная модель», которая, возможно, является самым простым способом встроить суперсимметрию в реальную картину мира: она содержит всего 120 новых параметров, которые должны быть заданы вручную. Это означает, что существует огромная свобода в построении конкретных суперсимметричных моделей. Часто, чтобы сделать задачу решаемой, физики полагают многие параметры равными нулю или, по крайней мере, равными между собой. На практике вся эта свобода означает, что очень трудно понять, что именно утверждает теория суперсимметрии. Для любых заданных экспериментальных условий обычно можно найти набор параметров, при которых теория еще применима.
Поиск суперсимметрии – важнейшее (после поисков бозона Хиггса) направление в работе на БАКе. Учитывая сложность этой теории, даже если мы найдем что-то, будет очень сложно выяснить, действительно ли то, что мы нашли, – проявление суперсимметрии. Интересно, что одно из следствий суперсимметрии – существование более одного бозона Хиггса. Вспомним, как в главе 11 мы говорили, что исходное поле Хиггса в Стандартной модели состоит из четырех скалярных полей равной массы, а после нарушения симметрии три поля из этих четырех съедаются W– и Z-бозонами, оставив нам только один бозон Хиггса. В суперсимметричных версиях Стандартной модели оказывается, что по техническим причинам следует удвоить количество скалярных полей, и мы начинаем не с четырех, а с восьми полей. (Здесь мы говорим только о бозонных полях, их фермионные суперпартнеры – хиггсино – не учитываются.) Одна из этих двух групп по четыре поля дает массу кваркам верхнего типа, а другая – кваркам нижнего типа. У нас есть еще два W-бозона и один Z-бозон, и когда поле Хиггса становится ненулевым и нарушает электрослабую симметрию, три скалярных поля съедаются, и остается пять различных свободных бозонов Хиггса. Итак, прямым следствием теории суперсимметрии является то, что мы получаем не один, а целых пять бозонов Хиггса: один с положительным электрическим зарядом, один – с отрицательным, а остальные три нейтральные.
Безусловно, пять бозонов Хиггса для экспериментаторов – возможность порезвиться. Еще и поэтому физики БАКа были так осторожны, объявляя об открытии новой частицы с массой 125 ГэВ – ведь это мог быть не единственный бозон Хиггса, а один из пятерки. В суперсимметричных моделях теоретикам легко сделать так, чтобы один бозон Хиггса был легче других, и возможно, что мы обнаружили как раз этот – легкий. Однако обычно в этих моделях значение массы такого легкого бозона составляет не больше 115 ГэВ. Можно, конечно, дотянуть его массу до 125 ГэВ, но это потребует некоторых неестественных допущений. Нам просто необходимо собрать больше данных – как для того, чтобы лучше разобраться с уже обнаруженной частицей, так и для того, чтобы попытаться найти новые.
Физики радуются, когда им нужно искать новые частицы, но это не значит, что из-за этого у суперсимметрии есть реальные преимущества перед другими теориями. Однако у нее есть один действительно важный плюс: она помогает решить проблему иерархии.
Эта проблема возникает из-за виртуальных частиц, которые, как мы считаем, должны поднять значение поля Хиггса до масштаба Планка. Однако при более внимательном рассмотрении становится очевидным, что виртуальные бозоны обычно подталкивают значение поля Хиггса в одну сторону, а виртуальные фермионы – в противоположную. В общем случае нет никаких оснований ожидать, что эти эффекты уравновесят друг друга – как правило, вычитание большого случайного числа из другого большого случайного числа приводит к третьему – совсем не маленькому, а большому числу (положительному или отрицательному). Но если есть суперсимметрия, все меняется, поскольку есть точно соответствующие друг другу фермионные и бозонные поля, и их виртуальные флуктуации могут в точности скомпенсироваться, что убирает проблему иерархии. Это свойство суперсимметрии – одна из основных причин, по которой физики принимают эту теорию всерьез.
Другая причина связана с идеей вимпов – частиц темной материи. В лучших суперсимметричных моделях самый легкий суперпартнер – это совершенно стабильная частица, имеющая массу и взаимодействие, сравнимые по масштабу с частицами слабых взаимодействий. Если у частицы нет электрического заряда, то есть если это нейтралино, она – идеальный кандидат в частицы темной материи. Много усилий теоретиков ушло на то, чтобы рассчитать избыток реликтовых нейтралино в различных суперсимметричных моделях. Но из-за того, что в них появляется очень много новых частиц и взаимодействий, избыток их может варьироваться в широких пределах, хотя получить правильную плотность темной материи не очень трудно. Если суперпартнеры существуют при энергиях, доступных для БАКа, нам, возможно удастся достичь долгожданного объединения физики элементарных частиц и космологии. Приятно ставить перед собой высокие цели.
