Суперсимметрия и Большой Адронный Коллайдер

В 2008 году строительство Большого адронного коллайдера, или БАК, было завершено. В это же время я посетил ЦЕРН, где мне предложили экскурсию по главным экспериментальным установкам БАК. До этого я обычно участвовал только в конференциях ЦЕРН, но экскурсия по рабочим установкам произвела на меня неизгладимое впечатление. Экспериментальная установка называлась «компактный мюонный соленоид». Это был совсем небольшой, по меркам ЦЕРН, прибор величиной всего лишь с трехэтажный дом, и я стал свидетелем окончательной сборки всех его компонентов. Массивные конусообразные штуковины помещались внутри бочкообразного корпуса детектора - всё это напоминало множество гигантских цифровых фотокамер, объективы которых были обращены к центру детектора, где сталкивались высокоэнергетичные протонные пучки.

По окончании экскурсии мы немного полазали по Французским Альпам: ничего сложного для хорошего альпиниста. Я сумел забраться на вершину Эгюий-дю-Миди и обнаружил, что оттуда вниз ведет канатная дорога, по которой мы с коллегой спустились в лежащий у подножья горы городок. Хребет, по которому мы поднимались, отличается плотным трафиком, при том, что тропа очень узкая и покрыта снегом. По каким-то соображениям все альпинисты предпочитают подниматься по нему в связке, хотя мне всегда казалось, что партнер по восхождению является не очень надежным якорем. В случае, когда один из партнеров срывается, другому приходится прикладывать массу усилий, чтобы удержаться на ногах и не улететь вслед за товарищем. Я не люблю ходить в связке и предпочитаю при восхождении надеяться только на крепость рук и на вбитый крюк. Тем не менее, должен признаться, что это восхождение мы с коллегой совершили в связке, подобно всем остальным: мой партнер был очень опытным альпинистом, а хребет не выглядел трудным для прохождения.

Сейчас, в ретроспективе, я думаю, что восхождение в связке по узкому хребту может служить удачной метафорой для рассказа о бозоне Хиггса, в надежде на открытие которого (в числе прочего) строился БАК. Представьте себе, что вы стоите на узком гребне хребта, с трудом сохраняя равновесие. Шаг влево, шаг вправо - и вы летите в пропасть. В таком же положении находятся тахионы в теории струн: они балансируют в крайне неустойчивом равновесии, и малейшее возмущение отправляет их в фатальное падение по склону вниз. Но это еще не всё. Представьте, что по хребту идут в связке восемь альпинистов и один из них теряет равновесие и падает влево. Второй испытывает на себе рывок веревки, сбивающий его с ног, и падает вслед за первым - тоже влево. Третий, вознося молитву с просьбой помочь ему удержать вес двух свалившихся товарищей, готовится последовать за ними.

Единственно правильное, что можно предпринять в подобных обстоятельствах, - это прыгнуть с гребня вправо и молиться, чтобы веревка не подвела. Но по ряду причин сделать это трудно. Вернемся к тахионам и к бозону Хиггса. Тахионы проявляют нестабильность в любой точке пространства, и это явление коллективное. Тахионы подобны группе альпинистов, идущих в связке. Если один тахион теряет равновесие и начинает соскальзывать в пропасть, он увлекает за собой расположенных поблизости «товарищей».

Бозон Хиггса придуман для описания тахионного конденсата. Тахионная конденсация - это термин, описывающий процесс сваливания тахионов с хребта в долину. Представим себе, что упавшие с хребта альпинисты не разбиваются насмерть, а чудесным образом спасаются и мягко приземляются в долине. Там у них «Клуб упавших альпинистов». Они устали после тяжелого восхождения и не имеют сил вскарабкаться обратно на гору. Вместо этого они всей толпой бродят вдоль склона, периодически кто-нибудь из них пытается залезть на склон, но соскальзывает обратно. Примерно так же ведут себя тахионы, сконденсировавшиеся в какой-то точке пространства-времени: квантовые флуктуации тахионного конденсата и есть бозоны Хиггса.

Отличие поведения бозона Хиггса от поведения членов «Клуба упавших альпинистов» состоит в том, что движение бозона Хиггса происходит не в обычном четырехмерном мире, а в дополнительных пространственно-временных измерениях. Несмотря на то, что бозон Хиггса долгое время сохранял статус гипотетической частицы, он служит иллюстрацией прекрасно разработанной физической теории, возможно, лучшей из всего, что было придумано за последние десятилетия. Эта теория носит название Стандартная модель. Слово «стандартная» в данном случае означает, что эта теория является общепризнанной, а слово «модель» указывает на предварительный, незаконченный характер теории. Стандартная модель не ограничивается описанием тахионного конденсата. Среди прочего она объясняет роль бозона Хиггса в возникновении масс у субатомных частиц: электронов и кварков.

В 2010 году в экспериментах на ускорителе элементарных частиц, называемом Тэватрон, была обнаружена однопроцентная разница в числе мюонов и антимюонов, образующихся при распаде более тяжелой частицы, что являлось указанием на существование бозона Хиггса. Ожидалось, что подтвердить или опровергнуть данную гипотезу помогут эксперименты на Большом адронном коллайдере. Надо заметить, что еще двумя десятилетиями ранее в Техасе планировалось построить для этих целей сверхпроводящий суперколлайдер, но в 1993 году Конгресс вытащил вилку финансирования проекта из розетки госбюджета, сэкономив американским налогоплательщикам десять миллиардов долларов, благодоря чему США уступили своё лидерство в области высокоэнергетической физики старушке Европе, и 4 июля 2012 года ЦЕРН с большой помпой отрапортовал о долгожданном открытии бозона Хиггса...

Итак, что же такое суперсимметрия? Суперсимметрия оперирует дополнительными измерениями довольно своеобразным способом. Измерения, которыми мы обычно оперируем, включая и дополнительные, образуют метрическое пространство, то есть пространство, обладающее мерой, или попросту расстоянием. Расстояние - это число: 2 сантиметра, 10 километров и т.п. Если сложить два расстояния, то в результате тоже получится расстояние. При перемножении двух расстояний получается площадь. Но дополнительные измерения, которыми оперирует суперсимметрия, не выражаются числами - по крайней мере, обычными числами.

Они выражаются антикоммутативными числами, являющимися краеугольным камнем странной математики суперсимметрии. Антикоммутативные числа играют важную роль в описании электронов, нуклонов, кварков и прочих частиц, называемых фермионами. Несмотря на то, что я еще не дал определения терминам «антикоммутативность» и «фермион», я буду пока использовать их, просто чтобы называть вещи своими именами, не углубляясь в дебри очень сложной математики. Дополнительные измерения суперсимметрии носят название фермионных измерений.

Фермионные измерения, в отличие от обычных, накладывают ряд ограничений на характер возможных движений. Частица может двигаться в фермионном измерении вперед или назад или покоиться, но при движении она может иметь только одну фиксированную «скорость». Правда, скорость - это очень грубая аналогия для описания движения в фермионном измерении. Гораздо лучше для такого описания подходит понятие спин. Вы помните, что многие частицы обладают спином, то есть, грубо говоря, вращаются, однако скорость этого вращения может принимать только фиксированные значения. Электрон обладает минимальным отличным от нуля спином. Фотон обладает вдвое большим спином, чем электрон, но, как мы уже знаем, спин фотона всегда ориентирован в направлении его движения. Гравитон обладает вдвое большим спином, чем фотон. И это всё. Не существует фундаментальных частиц, спин которых больше спина гравитона. Если теория супер симметрии верна, то бозон Хиггса не движется ни в одном из фермионных измерений.

Электрон движется в одном, фотон - в двух фермионных измерениях. Что же касается гравитона, то тут всё зависит от того, сколько фермионных измерений имеется в его распоряжении. Может статься, например, что часть спина гравитона приходится на фермионные измерения, а часть- на обычные пространственно-временные. Фермионные измерения обладают одной исключительной особенностью, которая выражается в так называемом принципе запрета. Принцип запрета был сформулирован в 1925 году Вольфгангом Паули, и он гласит, что два фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Электроны являются фермионами, поэтому два электрона в атоме гелия не могут находиться на одной и той же орбите в одном и том же состоянии - они должны по крайней мере иметь при этом противоположно направленные спины. Фермионы - это по определению такие частицы, которые подчиняются принципу запрета.

Частицы, не подчиняющиеся принципу запрета, - а в их число входят фотоны, гравитоны, глюоны и бозон Хиггса, - называются бозонами. Поведение бозонов радикально отличается от поведения фермионов. Бозоны не только могут находиться одновременно в одном и том же квантовом состоянии, но более того - предпочитают это делать. Суперсимметрия устанавливает отношение партнерства между бозонами и фермионами. Каждому бозону суперсимметрия ставит в партнерство фермион, и наоборот. Например, бозон Хиггса в качестве суперсимметричного партнера имеет фермион, называемый хиггсино (иногда его еще называют «шипе»). Как бы мы его ни назвали, хиггсино представляет собой не что иное, как бозон Хиггса, движущийся в одном из фермионных измерений.

Ключевая идея состоит в том, что фермионные измерения -это математическая абстракция. Они являются не чем иным, как алгебраическими правилами, используемыми для их описания. Суперсимметрия является симметрией между бозонными и фермионными измерениями. Что это означает? Симметрия в широком смысле - это неизменность чего-то при определенных преобразованиях этого чего-то: например, симметрия квадрата означает, что при повороте квадрата на 90° мы получим точно такой же квадрат. Бозонные измерения представляют собой обычные измерения вроде длины и ширины. Шесть дополнительных измерений теории струн тоже являются бозонными измерениями, но они нас сейчас не интересуют. Фермионные же измерения представляют собой всего лишь набор необычных алгебраических правил.

Будем по аналогии с поворотом квадрата использовать термин «поворот» и для суперсимметричного преобразования. Поворот из бозонного измерения в фермионное означает, что если частица перед поворотом двигалась в бозонном измерении, то после поворота она в нем больше не движется, и наоборот, если до поворота частица не двигалась в бозонном измерении, то после поворота она начинает в нем двигаться. Непонятно? Хорошо, попробую по-другому. Физически это означает, что если мы возьмем бозон, то после поворота в фермионное измерение он станет фермионом. Математически суперсимметричный поворот из бозонного измерения в фермионное означает замену числа 1, обозначающего бозонное измерение, на одну из букв: а или b, которые обозначают фермионные измерения.

Сохранение неизменности объекта при суперсимметричном повороте сводится к тому, что получившийся в результате фермион будет иметь туже массу и тот же заряд, что и исходный бозон. И это приводит нас к одному из наиболее фундаментальных предсказаний суперсимметрии: для каждого бозона должен существовать суперсимметричный партнер: фермион, обладающий такой же массой и зарядом, и наоборот, для каждого фермиона должен существовать суперсимметричный ему бозон. Один из фактов, в которых мы уверены, заключается в том, что мир не является идеально суперсимметричным. Если бы в этом мире существовал бозон с такой же массой и зарядом, как у электрона, мы бы, несомненно, знали о нем, потому что существование такого бозона в корне изменило бы структуру атома. Возможно, существует какой-то механизм, подобный механизму конденсации тахионов, нарушающий с> персимме-трию. Если идея существования это странной новой симметрии заставляет вас чувствовать себя идущим по зыбучим пескам, я в этом не виноват. Как и большая часть теории струн, суперсимметрия является плодом длинной цепочки спекулятивных рассуждений теоретиков и не имеет под собой надежной экспериментальной опоры.

Если гипотеза суперсимметрии и фермионных измерений подтвердится экспериментально на Большом адронном коллайдере, это будет триумф чистого разума - реванш за все предыдущие насмешки скептиков. Впрочем, не исключено, что правы окажутся скептики. Откровенно говоря, я не удивлюсь любому исходу.

Отрывок из книги Габсера С. "Маленькая книга о большой теории струн"