Лиза Рэндалл - Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.

• Название: Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
• Автор: Лиза Рэндалл
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2011
• ISBN: 978-5-397-01371-0

Вселенная полна удивительных тайн. Возможно, она скрывает от нас дополнительные измерения, разительно отличающиеся от всего, что может себе представить наш здравый смысл, взращенный в обычном трехмерном пространстве. И хотя с каждым годом мы узнаем все больше и больше о нашем мире, сегодня как никогда ранее мы осознаем, что для понимания истинной природы Вселенной нам необходимо сделать еще очень многое.

Лиза Рэндалл принадлежит к разряду тех ученых, которые сами, своими собственными исследованиями совершают прорывы и раздвигают границы современной науки, пытаясь найти ответы на фундаментальные вопросы, поставленные природой.

Л. Рэндалл проводит нас через потрясающий мир закрученных дополнительных измерений, лежащих, возможно, в основе нашей Вселенной, и показывает путь, следуя которому мы сможем убедиться в их существовании.

Книга «Закрученные пассажи» увлекает читателя в удивительное путешествие, проводя его через цепочку открытий от начала двадцатого века до настоящих дней, объясняя суть противоречий между теорией относительности, квантовой механикой и гравитацией, описывая достижения физики элементарных частиц, проблему иерархии, скейлинг, Великое объединение, суперсимметрию, дополнительные измерения, параллельные миры, эволюцию струнных теорий и многое другое.

В непринужденной и занимательной форме Лиза Рэндалл беседует с читателем, раскрывая таинства сложной науки и увлекательно объясняя загадки мириад миров, существующих, возможно, рядом с тем миром, в котором мы живем и который мы только начинаем постигать.

Книга вызовет несомненный интерес как у специалистов естественно-научных дисциплин, так и у широкого круга читателей.

---

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!

Экспериментальные приложения

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.

Еще более причудливая возможность

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.