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

Черные дыры из дополнительных измерений, которые будут образовываться на коллайдерах, будут намного меньше тех, которые присутствуют в окружающей нас вселенной. Они будут сравнимы по размеру с очень маленькими дополнительными измерениями. Если вы тревожитесь по этому поводу, уверяю вас, что эти малые очень короткоживущие черные дыры не будут представлять для нас или для нашей планеты никакой опасности; они исчезнут прежде, чем смогут чем-то навредить. Черные дыры не существуют вечно, они испаряются, испуская излучение, за счет явления, известного как излучение Хокинга. Точно так же, как маленькая капля кофе испаряется быстрее, чем большая, так и малые черные дыры, которые в принципе могут рождаться на коллайдерах, почти мгновенно испарятся. Тем не менее, если они все же образуются, эти черные дыры из дополнительных измерений будут существовать достаточно долго, чтобы оставить в детекторе видимые следы своего существования. У них будут очень определенные проявления, так как они будут рождать намного больше частиц, чем это обнаруживается при распадах обычных частиц, причем эти частицы будут разлетаться во все стороны.

Кроме того, если модель АДД верна, черные дыры и КК-партнеры гравитона могут быть не единственными экзотическими новыми открытиями. Если теория АДД и теория струн одновременно верны, на коллайдерах могут рождаться струны очень малых энергий, почти достигающих ТэВ. Повторим, что это происходит потому, что фундаментальный гравитационный масштаб в моделях АДД очень низок. Гравитация в пространствах с дополнительными измерениями становится сильной при энергии порядка ТэВ, а квантовая гравитация может привести к измеримым эффектам.

Массы струн в теории АДД даже близко не будут совпадать с недоступным планковским масштабом. Если вы воспринимаете струны как ноты, то струны модели АДД издают значительно более низкие звуки. Низкие звуки в модели АДД будут соответствовать массам не более ТэВ. Если нам повезет, эти массы окажутся достаточно малыми, чтобы их можно было создать на БАК. Соударения с достаточно высокой энергией будут в достаточном количестве рождать легкие струны наряду с новыми объектами, которые называются клубками струн и содержат много длинных струн.

Однако, несмотря на заманчивость таких возможных открытий, следует помнить, что по всей вероятности энергия БАК будет близкой, но не превышающей энергии, необходимой для образования струн и черных дыр. Будут ли струны АДД и черные дыры видимыми, зависит от точного значения энергии многомерной гравитации (и, конечно, от того, верны ли сами предположения).

Последствия

Предложение АДД замечательно. Кто бы мог подумать, что дополнительные измерения могут быть настолько большими или что они могут иметь отношение к проблемам, представляющим непосредственный интерес (по крайней мере для физиков-частичников), например к проблеме иерархии? Однако это предложение на самом деле не решило проблему иерархии. Оно превратило эту проблему в другой вопрос: могут ли дополнительные измерения быть столь большими? Это остается самым главным вопросом в сценарии АДД. Без каких-то новых и до сих пор неустановленных физических принципов нет оснований считать, что измерения будут настолько экстраординарно большими. По крайней мере, согласно современным теориям, нам все еще требуется суперсимметрия, чтобы сохранить большое плоское пространство, необходимое для сценария АДД. По существу, суперсимметрия стабилизирует и укрепляет большие измерения, которые в противном случае сколлапсировали бы. А так как одним из приятных свойств модели АДД является то, что она, как кажется, исключает необходимость суперсимметрии, это несколько разочаровывает.

Другим слабым местом теории являются ее космологические приложения. Для того чтобы теория согласовывалась бы с известными фактами, касающимися эволюции Вселенной, нужно тщательно выбрать ряд ее параметров. При этом балк должен содержать слишком мало энергии, в противном случае, космологическая эволюция не будет согласовываться с наблюдениями. Конечно, все это возможно, но весь смысл решения проблемы иерархии состоит в том, чтобы исключить необходимость большой подгонки.

Тем не менее многие физики склонны всерьез воспринимать теории с дополнительными измерениями и пытаются изобретать пути их поиска. Экспериментаторы были особенно возбуждены. Как мне сказал работающий в Фермилабе физик-частичник Джо Ликкен, описывая реакцию экспериментаторов на большие дополнительные измерения: «Да они все свихнулись на этих „поисках за рамками Стандартной модели“. Суперсимметрия или дополнительные большие измерения? Какая разница! Дополнительные измерения не большее сумасшествие». Экспериментаторы изголодались по поискам чего-то нового, а дополнительные измерения сулят очень интересную альтернативу суперсимметрии.

Реакция теоретиков была более неоднородной. С одной стороны, большие дополнительные измерения выглядят очень странно; ранее никто никогда их не рассматривал, так как ни у кого не было никакой причины, почему дополнительные измерения должны быть так велики. С другой стороны, никто не мог найти способ от них оказаться. На самом деле, прежде чем была написана первая статья о больших дополнительных измерениях, один из ее авторов Гия Двали докладывал о них в Станфорде. Авторы, которые вполне понимали радикальный характер их предложения, ожидали доклада с трепетом, и успокоились, когда не было сделано никаких серьезных замечаний. Но они были также немного испуганы — как люди могли принять эту достаточно радикальную идею с таким спокойствием? Нима сказал мне, что аналогичная реакция была и тогда, когда они впервые выложили свою статью в Интернете. Хотя они ожидали потока откликов, получили всего два. По-видимому, итальянский физик Рикардо Ратацци и я были единственными, кто сделал замечания по ряду возможных проблем. Но даже эти два отклика не были, на самом деле, независимыми: Рикардо и я только что обсуждали эту работу в ЦЕРНе, где мы оба находились по приглашению.

Постепенно, проникаясь приложениями модели АДД, физики начали более детально исследовать следствия этой модели для реального мира, включая тестирование гравитации, поиски на ускорителях, астрофизические следствия и космологические приложения. Реакция менялась в зависимости от исследовательских интересов или стиля.

Физики, исследования которых опирались на детали Стандартной модели, были счастливы получить возможность разработки новой идеи, которая в любом случае была интересной. Удивительно, что определенная враждебность исходила от некоторых моделестроителей, которые не хотели проститься с идеями о суперсимметрии, укоренившимися за последние годы. Правда, следует признать, что столь драматичное изменение Стандартной модели стало серьезным вызовом. Каждая новая модель должна воспроизводить те свойства Стандартной модели, которые уже были экспериментально проверены, и теориям, которые столь сильно меняют Стандартную модель, надо принять этот вызов. Кроме того, сияющая вершина суперсимметрии — объединение констант, т. е. тот факт, что при большой энергии все взаимодействия будут иметь одинаковую интенсивность, также должна быть стерта. Однако более молодые теоретики, не столь преданные суперсимметрии, были сильно воодушевлены. Дополнительные измерения были свежей, необъезженной идеей, бросающей новые вызовы и ставящей открытые вопросы.