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

Аналогично, суперсимметрия возможна только при условии, что бозоны и фермионы точно объединяются в пары. Вам необходимо иметь равное число бозонных и фермионных типов частиц. И точно так же, как шарики, меняющиеся местами, должны иметь одинаковые размеры, спаренные бозоны и фермионы должны иметь одинаковые массу и заряды, а их взаимодействия должны контролироваться одинаковыми параметрами. Иными словами, каждая частица должна иметь своего суперпартнера с аналогичными свойствами. Если бозон испытывает сильные взаимодействия, эти же взаимодействия испытывает его суперсимметричный партнер. Если имеются взаимодействия, включающие определенные частицы, то должны быть и связанные с ними взаимодействия, включающие их суперсимметричных партнеров.

Одна из причин, которая делает суперсимметрию столь интригиующей, состоит в том, что если она будет открыта в нашем мире, это будет первая новая пространственно-временная симметрия, найденная за последние сто лет. Именно поэтому она — «супер». Я не стану углубляться в математические объяснения, но только знания того, что суперсимметрия переставляет частицы с разным спином, достаточно для понимания этого факта. Так как спины частиц различны, бозоны и фермионы преобразуются по-разному при вращениях в пространстве, поэтому для компенсации этой разницы в преобразования суперсимметрии должны входить пространство и время.

Но не подумайте, что это означает, что вы сможете представить, как выглядит отдельное преобразование суперсимметрии в физическом пространстве. Даже физики понимают суперсимметрию только в терминах ее математического описания и экспериментальных следствий. А последние, как мы скоро увидим, очень впечатляют.

Суперистория

Этот раздел можно, в принципе, пропустить. Он носит исторический характер и в нем не вводится никаких новых понятий, существенных для дальнейшего изложения. Но история развития теории суперсимметрии интересна потому, что она демонстрирует плодотворность новых идей и путь, на котором теория струн и построение моделей иногда образуют продуктивный симбиоз. Теория струн послужила толчком для поиска суперсимметрии, теория суперструн — наилучший возможный вариант теории струн для описания реального мира — родилась только благодаря идеям, пришедшим из супергравитации, т. е. суперсимметричной теории, включающей гравитацию.

Пьер Рамон, физик французского происхождения, в 1971 году предложил первую суперсимметричную теорию. Он рассматривал не четыре измерения, в которых (как мы привыкли думать) мы живем, а два — одно пространственное и одно временное. Цель Рамона состояла в том, чтобы найти способ включения фермионов в теорию струн. По техническим причинам, первоначальная версия теории струн включала только бозоны, однако в любой теории, которая надеется описать наш мир, без фермионов не обойтись.

Теория Рамона содержала двумерную суперсимметрию и превратилась в теорию фермионных струн, построенную им совместно с Андре Невье и Джоном Шварцем. Теория Рамона была первой суперсимметричной теорией, появившейся в западном мире; одновременно суперсимметрию открыли Гольфанд и Лихтман в Советском Союзе, но их работы были спрятаны от Запада за железным занавесом.

Так как четырехмерная квантовая теория поля опиралась на значительно более солидное основание, чем теория струн, возник очевидный вопрос: возможна ли суперсимметрия в четырех измерениях? Однако, поскольку суперсимметрия сплетена со структурой пространства-времени, обобщить ее двумерный вариант на случай четырех измерений оказалось непростой задачей. В 1973 году немецкий физик Юлиус Весс и уроженец Италии физик Бруно Зумино построили четырехмерную суперсимметричную теорию. Независимо, в Советском Союзе Дмитрий Волков и Владимир Акулов построили другую четырехмерную суперсимметричную теорию, но холодная война снова воспрепятствовала обмену идеями.

С развитием четырехмерной суперсимметричной теории, все большее количество физиков обращало на нее внимание. Однако модель Весса — Зумино 1973 года не могла включить все частицы Стандартной модели; никто не знал, как добавить в четырехмерную суперсимметричную теорию переносящие взаимодействия калибровочные бозоны. В 1974 году эту трудную задачу решили итальянские теоретики Сержио Феррара и Бруно Зумино.

Возвращаясь с конференции «Струны-2002», по пути из Кембриджа в Лондон, Сержио рассказал мне, почему поиск правильной теории был бы немыслимо трудной задачей, если бы не использование формализма суперпространства — абстрактного расширения пространства-времени, имеющего дополнительные фермионные измерения. Суперпространство — необычайно сложное понятие, и я не буду даже пытаться его объяснить. Важно то, что этот совершенно новый тип измерения, не похожий на привычные пространственные измерения, играет ключевую роль в становлении суперсимметрии. Этот чисто теоретический инструмент продолжает и сегодня упрощать расчеты суперсимметрии.

Теория Феррары — Зумино показала физикам, как включить в суперсимметричную теорию электромагнетизм, слабые и сильные взаимодействия. Однако суперсимметричные теории все еще не включали гравитацию. Поэтому в суперсимметричной теории мира оставался открытым вопрос, может ли она включить это остающееся взаимодействие. В 1976 году три физика, Сержио Феррара, Дэн Фридман и Питер ван Нивенхойзен решили эту задачу, построив теорию супергравитации — сложную суперсимметричную теорию, включающую гравитацию и теорию относительности.

Любопытно, что пока формулировалась теория супергравитации, независимо развивалась и теория струн. В одной из ключевых теоретических работ по теории струн Фердинандо Льоцци, Джоэл Шерк и Дэвид Олив обнаружили стабильную модель, являющуюся результатом развития теории фермионных струн Рамона, Невье и Шварца. Оказалось, что теория фермионных струн содержит тип частиц, с которыми никто ранее не сталкивался нигде, кроме теорий супергравитации. Свойства новой частицы были тождественны свойствам суперсимметричного партнера гравитона, получившего имя гравитино, и в действительности им она и оказалась.

Параллельно шло развитие и супергравитации, поэтому физики ухватились за этот общий элемент двух теорий и, работая над ним, вскоре осознали, что суперсимметрия присутствует в теории фермионных струн. В этот момент родилась теория суперструн.

В следующей главе мы вернемся к теории струн и теории суперструн. Сейчас же мы сосредоточимся на другом важном приложении суперсимметриии — ее следствиях, касающихся физики частиц и проблемы иерархии.

Суперсимметричное расширение Стандартной модели

Суперсимметрия станет самой строгой и изящной теорией, если объединит в пары все известные частицы. Но чтобы это случилось, Стандартная модель должна содержать равное число фермионов и бозонов, однако она не удовлетворяет этому критерию. Отсюда вытекает, что если наша Вселенная суперсимметрична, она должна содержать много новых частиц. На самом деле она должна содержать по меньшей мере вдвое большее число частиц, чем до сих пор наблюдали экспериментаторы. Все фермионы Стандартной модели — три поколения кварков и лептонов — должны быть объединены в пары с новыми, до сих пор неоткрытыми суперпартнерами-бозонами. Калибровочные бозоны — частицы, переносящие взаимодействия, — должны также иметь суперпартнеров.