Время от времени в теоретической физике появляется несомненно глубокая идея. Такая идея способна одним махом решить множество существующих головоломок и одновременно произвести новые. Да, эксперименты подтверждают новые теории, но, как всегда, частично. Поэтому и отказаться от теории нельзя, и принять невозможно – слишком много вопросов. Подобную картину мы наблюдаем на примере идеи суперсимметрии: если удастся выстроить внятную прогностическую модель, то мы придем к совершенно новому пониманию Вселенной.
Даже сейчас никто не знает, почему фундаментальные частицы Стандартной Модели имеют такие малые массы, или почему фундаментальные константы не объединяются, или что может быть темной материей, если такова вообще существует. Но условная суперсимметрия пообещала решение для каждой из указанных проблем, при условии открытия спектра новых частиц. Не сложилось. Мечта ответить на все вопросы исчезла, и новейшее поколение физиков противостоит старой непознанной реальности.
Теория суперсиметрии берет свое начало с первых дней квантовой механики и открытия электрона. С последним, кстати, есть одна проблемка: мы знаем, что он не имеет физического размера, но у него есть электрический заряд. То есть он существует и как электрическое поле, и как напряжение (электрический потенциал) вокруг себя. Поскольку он сам обладает зарядом, он способен присваивать потенциал, который он генерирует. Иначе говоря, у него есть энергия, присущая его собственному существованию. Чем меньше размер электрона, тем больше будет его собственная внутренняя энергия, а это означает, что электрону должно быть присуще бесконечное количество энергии.
Но это не так. Электрону присуще конечное количество энергии, определяемое его массой покоя и описываемое знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc2.
Если вы спросите, исходя из законов электромагнетизма, каким должен быть размер электрона, чтобы его собственная электрическая энергия составляла его массу, вы получите диаметр около 5 × 10 -15 м или размер, который даже больше, чем протон. Понятно, что это не так!
Выходом стало принятие концепции квантово-механического существования антивещества и, в частности, позитрона (или антиэлектрона). По этой концепции, вакуум – это не просто пустое, незанятое пространство, а нечто, состоящее из множества виртуальных частиц, которые появляются и исчезают при столкновении пары электрон-позитрон.
Электрон может не только генерировать фотон, заставляя его взаимодействовать с самим собой, но он также аннигилировать с позитроном при флуктуации электрон-позитронной пары, оставляя только «флуктуационный» электрон. Когда вы делаете вычисления, вы обнаруживаете, что эти два объекта почти аннулируются, что приводит к появлению крошеного электрона, несмотря на его относительно огромный заряд.
Основная идея заключается в том, что квантовое сокращение происходит только потому, что в теории существует симметрия – между веществом и антивеществом – которая защищает свойства электрона, позволяя ему иметь объединенные свойства массы, размера и заряда.
Также может существовать дополнительная симметрия – между фермионами и бозонами – которая аналогичным образом защищает свойства вещества и позволяет таким массам частиц быть малыми по сравнению с масштабом Планка. Вместо массы частиц около 10 19 ГэВ / с 2 , мы имели бы массы частиц примерно на 17 порядков меньше. Проблема «лишь» в наличии частицы суперпартнера для каждого элемента Стандартной модели.
Это означает, что необходимо удвоить число известных фундаментальных частиц, создавая аналог суперпартнера (суперфермион для каждого бозона стандартной модели; супербозон для каждого фермиона). Что, в свою очередь, теоретически приводит к уменьшению массы частиц до значений, которые мы наблюдаем.
Если эти новые суперсимметричные частицы входят в диапазон между примерно 100 ГэВ и несколькими ТэВ, они также:
- Создаются и измеряются при энергиях LHC
- Способны объединиться в масштабах Теоретического Великого Объединения (GUT)
- Могут создать нейтральную стабильную суперсимметричную частицу, которая является отличным кандидатом для темной материи Вселенной.
На данный момент известны несколько фундаментальных постоянных: гравитационная постоянная (G), постоянная Планка (h или ħ, которая равна h / 2π) и, возможно, скорость света (c). Также есть различные комбинации этих констант, которые мы можем создать, чтобы получить значения времени, длины и массы – они известны как единицы Планка. Если масса частиц вытекает из принципов Стандартной модели, то они должны быть соотносимы с величинами, предсказанными Планком, то есть располагать энергией порядка 1028 эВ / с2. Основная проблема заключается в том, что эта масса на 17 порядков или в 100 000 000 000 000 000 раз больше, чем самая тяжелая наблюдаемая частица во Вселенной.
Бозон Хиггса, в частности, должен иметь массу Планка, поскольку поле Хиггса соотносимо с другими частицами, придавая им массу. То, что мы наблюдаем, поясняется наличием нечто большего. Но что «это», мы не знаем.
На данный момент известны несколько фундаментальных постоянных: гравитационная постоянная (G), постоянная Планка (h или ħ, которая равна h / 2π) и, возможно, скорость света (c). Также есть различные комбинации этих констант, которые мы можем создать, чтобы получить значения времени, длины и массы – они известны как единицы Планка. Если масса частиц вытекает из принципов Стандартной модели, то они должны быть соотносимы с величинами, предсказанными Планком, то есть располагать энергией порядка 1028 эВ / с2. Основная проблема заключается в том, что эта масса на 17 порядков или в 100 000 000 000 000 000 раз больше, чем самая тяжелая наблюдаемая частица во Вселенной.
Бозон Хиггса, в частности, должен иметь массу Планка, поскольку поле Хиггса соотносимо с другими частицами, придавая им массу. То, что мы наблюдаем, поясняется наличием нечто большего. Но что «это», мы не знаем.
Теоретически суперсимметрия является возможным решением загадки, где практически ни одно из известных решений. Однако то, что она предлагает возможную модель, не означает, что само решение правильное. Фактически, каждое из предсказаний теории суперсимметрии чрезвычайно проблематично для экспериментальной физики.
Но все же если суперсимметрия является решением проблемы космологической иерархии, то LHC определенно должен быть доступен самым легким суперпартнерам. Тот факт, что до сих пор не найдено достаточного основания, исключающего все модели говорит о том, что наши нания в этой области сведены к практическому нулю.
Также не опровергнут и тезис и о симметрии всех «сил» в природе. Нет свидетельств их объединения в нашей Вселенной, эксперименты по распаду протонов провалены. Начальная мотивация и здесь неубедительна: если вы поместите любые три кривые в масштаб лог-лога и достаточно уменьшите масштабе, то искомое соотношение все равно не будет найдено.
И еще: если бы так называемая «темная материя» действительно бы существовала из самой легкой суперчастицы, то эксперименты, предназначенные для ее наблюдения, такие как CDMS, XENON, Edelweiss и другие, давно бы обнаружили ее. Кроме того, она должна уничтожаться совершенно особым образом, который еще не был замечен.
Ограничения коллайдера сами по себе являются особенно опасными для непроверяемой в принципе идеи. Если вы хотите ответить на вопрос, почему массы настолько малы, вам нужна по крайней мере одна из суперчастиц, желательно того же порядка, что и самые тяжелые частицы Стандартной модели. Но таких частиц попросту нет, но есть момент ограничения по массе, которые возросли до таких огромных величин, что сейчас теоретики не в состоянии решать проблему иерархии только с помощью суперсимметрии. Вместо этого должен существовать некоторый дополнительный механизм – такой, как сценарий расщепления,- чтобы объяснить массы частиц и их суперпартнеров. Другими словами, первоначальная мотивация этой красивой, изящной и убедительной теории больше не является основным мотиватором для самой суперсимметрии.
Эксперименты остаются основным инструментарием исследования природы, но у нас нет методик, позволяющих доказать или опровергнуть теорию суперсимметрии. Если такова ошибочна, то она способна уничтожить целый пласт НИИ и исследовательских центров, работающих в этой области. Что, в свою очередь, означает наличие теоретической пустоты, быстро заполняемой всевозможными домыслами в стиле «эфирной» или «струнной» версии Вселенной.
Сегодня есть два противоположных лагеря ученых: первая исходит из принципа первичности эксперимента, здесь теоретические изыскания не задерживаются; вторая группа представляет теоретиков, которые пойдут в могилу как истинные верующие, независимо от того, что говорят те или иные доказательства. Независимо от того, как часто мы обманываем себя, сколько ученых превращаются в адептов собственных убеждений, природа остается главным арбитром реальности. Эксперименты не лгут, лжет интерпретация экспериментов. И наше базовое понимание окружающего нас мира.
