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.

---

Конкретная проблема, которую мы с Раманом исследовали летом 1998 года, состояла в том, чтобы понять, как уединение могло бы работать в природе, приводя ко вселенной с нарушенной суперсимметрией и со всеми теми свойствами, что мы наблюдаем. Мы видели, что суперсимметрия может изящно защитить иерархию и гарантировать, что все большие квантово-механические вклады в массу хиггсовской частицы дадут при сложении в сумме нуль. Но, как мы видели в гл. 13, даже если суперсимметрия существует в природе, она должна быть нарушена, для того чтобы объяснить, почему мы наблюдаем частицы, но не их суперпартнеров.

К сожалению, большинство моделей с нарушенной симметрией предсказывает взаимодействия, отсутствующие в природе, и такие модели вряд ли могут быть правильными. Раман и я хотели найти физический принцип, который могла бы использовать природа для защиты себя от этих нежелательных взаимодействий, так чтобы с помощью этого принципа мы могли бы улучшить теорию.

Мы сосредоточились на нарушении суперсимметрии в модели мира на бране. Миры на бранах могут сохранять суперсимметрию. Но так же, как в четырех измерениях, суперсимметрия может быть спонтанно нарушена, когда какая-то часть теории содержит частицы, не сохраняющие суперсимметрию. Раман и я поняли, что если все частицы, ответственные за нарушение суперсимметрии, были бы отделены от частиц Стандартной модели, модель с нарушенной суперсимметрией стала бы менее проблематична.

Поэтому мы предположили, что частицы Стандартной модели удерживаются на одной бране, а частицы, ответственные за нарушение суперсимметрии, уединены на другой. Мы заметили, что в такой системе не обязательно возникают опасные взаимодействия, которые может индуцировать квантовая механика. Кроме эффектов нарушения суперсимметрии, которые могут передаваться через промежуточные частицы в балке, взаимодействия частиц Стандартной модели будут такими же, как и в теории с ненарушенной суперсимметрией. Таким образом, так же как в теории с точной суперсимметрией, нежелательные изменяющие аромат взаимодействия, несовместимые с экспериментами, не будут возникать. Частицы в балке, взаимодействующие с частицами как на нарушающей суперсимметрию бране, так и на бране Стандартной модели, будут точно определять, какие взаимодействия возможны, и среди них не будет с необходимостью запрещенных взаимодействий.

Конечно, некоторое нарушение суперсимметрии должно быть передано частицам Стандартной модели. В противном случае ничто не сможет увеличить массы суперпартнеров. Хотя мы не знаем точных значений масс суперпартнеров, экспериментальные ограничения совместно с ролью суперсимметрии в защите иерархии примерно указывают, каковы должны быть их массы.

Из экспериментальных ограничений можно получить качественные связи между массами суперпартнеров. Грубо говоря, все суперпартнеры имеют примерно одинаковые массы, и эти массы примерно равны масштабу массы слабых взаимодействий, равному 250 ГэВ. Нам нужно убедиться, что массы суперпартнеров попадают в этот интервал, но при этом нежелательные взаимодействия по-прежнему не возникают. Для того чтобы теория уединенного нарушения суперсимметрии имела шанс оказаться правильной, все должно складываться гармонично.

Ключом к успеху нашей модели было бы обнаружение промежуточной частицы, которая могла бы переносить данные о нарушении суперсимметрии к частицам Стандартной модели и придавать суперпартнерам нужные им массы.

Но мы хотели быть уверены, что наш переносчик не спровоцирует недопустимых взаимодействий.

Идеальным кандидатом выглядел гравитон. Эта частица живет в балке и взаимодействует с энергичными частицами, где бы они ни находились — на бране, нарушающей суперсимметрию, и на бране Стандартной модели. Кроме того, взаимодействия гравитона известны, они следуют из теории тяготения. Мы смогли показать, что взаимодействия гравитона, генерируя необходимые массы суперпартнеров, не приводят к взаимодействиям, перепутывающим кварки и лептоны, которые, как известно, отсутствуют в природе. Поэтому выбор гравитона выглядел многообещающе.

Когда мы рассчитывали массы суперпартнеров, которые получались в случае переносчика-гравитона, мы обнаружили, что несмотря на простоту составляющих, вычисления были на удивление тонкими. Классические вклады в нарушающие суперсимметрию массы оказались равными нулю, и нарушение суперсимметрии переносилось только квантово-механическими эффектами. Когда мы поняли это, мы назвали индуцированную гравитоном передачу нарушения суперсимметрии аномальной передачей. Мы выбрали такое название по аналогии с аномалиями, обсуждавшимися в гл. 14, так как специфические квантовомеханические эффекты нарушали симметрию, которая присутствовала бы в противном случае. Самое важное было в том, что поскольку массы суперпартнеров зависели от известных квантовых эффектов в Стандартной модели, а не от неизвестных взаимодействий в дополнительных измерениях, мы могли предсказать относительные величины масс суперпартнеров.

Потребовалось несколько дней на то, чтобы привести все это в порядок, поэтому в один и тот же день я могла переходить от разочарования к надежде. Я помню, как однажды за ужином удивила сидящих рядом, когда я совершенно обезумела от радости, так как заметила ошибку и решила задачу, не дававшую мне покоя весь день. В итоге Раман и я открыли, что если гравитация передает нарушение суперсимметрии, то уединенное нарушение суперсимметрии выполняется удивительно хорошо. Все суперпартнеры имеют правильные массы, а соотношение между массами калибрино и скварка лежит в желаемом интервале. Хотя не все работало так просто, как мы первоначально надеялись, важные соотношения между массами суперпартнеров вставали на место без введения невозможных взаимодействий, которые так досаждают другим нарушающим суперсимметрию теориям. При минимальных модификациях все работало.

И самое замечательное, что благодаря конкретным предсказаниям масс суперпартнеров нашу идею можно было проверять. Очень важным свойством уединенного нарушения суперсимметрии является то, что несмотря на чрезвычайно малые размеры дополнительных измерений, порядка 10-31 см, что всего лишь в сто раз превосходит крохотный планковский масштаб длины, существуют видимые следствия. Это противоречит стандартной идее, что только много большие измерения могут иметь видимые следствия, благодаря модифицированному закону тяготения или новым тяжелым частицам.

Хотя действительно верно, что мы не видели ни одного из экспериментальных следствий в условиях, когда дополнительные измерения малы, гравитон передает калибрино нарушение суперсимметрии весьма специфическим образом, что поддается точному подсчету, ибо известны гравитационные взаимодействия и другие взаимодействия, возникающие в теории с суперсимметрией. Модель уединенного нарушения суперсимметрии предсказывает определенные отношения масс для калибрино — партнеров калибровочных бозонов — и эти массы можно измерить.

Это очень обнадеживает. Если физики откроют суперпартнеров, они смогут затем определить, согласуются ли соотношения между их массами с тем, что мы предсказываем. Эксперимент по поиску этих калибровочных суперпартнеров находится в стадии подготовки на Тэватроне — протон-антипротонном коллайдере в лаборатории им. Э. Ферми, Иллинойс. Если нам повезет, мы узнаем результаты в течение ближайших нескольких лет[139].

В конце концов и Раман, и я были в разумной степени уверены, что нам удалось открыть что-то интересное. Но у каждого из нас оставалось беспокойство. Я немного боялась, что такую интересную идею, если она верна, не могли проглядеть, и что нам нужно еще убедиться, что мы не пропустили какой-то скрытой ошибки в нашей модели. Раман также думал, что идея слишком хороша, чтобы ее просметрели. Но он был уверен, что все правильно, и боялся только, что подобная идея в физической литературе уже была, а мы ее пропустили.

Он был недалек от истины. Аномальная передача нарушения суперсимметрии была независимо открыта примерно в то же время Джаном Джудиче из ЦЕРНа, Маркусом Люти из Мериленда, Хитоши Мураямой из Беркли и Рикардо Ратацци из Пизы, которые работали вместе тем же самым летом. Их статья вышла на следующий день после нашей. Их работа меня поразила. Я не могла понять, как две группы физиков одним и тем же летом проделали тот же самый извилистый путь сквозь идеи, но Раман правильно предположил, что у них могли быть похожие интересы. На самом деле мы оба были в определенном смысле правы. Хотя у другой группы были сходные идеи, их мотивация не была связана с дополнительными измерениями, а без них массы, порожденные аномальной передачей, были просто курьезом. Как Рикардо великодушно сказал физику Массимо Поррати, нашему общему другу, Раман и я сделали это лучше не потому, что наша версия аномальной передачи была более правильной, а потому, что у нас была причина, о которой любой бы заботился в первую очередь! Причиной были дополнительные измерения. Без них нарушение суперсимметрии не было бы уединено и массы, порожденные аномальной передачей, были бы затерты большими эффектами.