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

В суперсимметричной Вселенной партнерами кварков и лептонов будут новые бозоны. Физики, забавляющиеся причудливой (но систематичной) терминологией, назвали их скварками и слептонами. В общем случае, бозонный супер-симметричный партнер фермиона имеет то же имя, что и фермион, но с буквой «с» в начале. Например, электроны спариваются с сэлектронами, а топ-кварки со стоп-скварками. У каждого фермиона есть свой бозонный суперпартнер — соответствующий ему сфермион.

Свойства этих частиц и их суперпартнеров строго подлажены друг к другу: бозонные суперпартнеры имеют такие же массы, заряды и взаимодействия, как и их фермионные партнеры. Например, если электрон имеет заряд -1, такой же заряд имеет и сэлектрон; если нейтрино участвует в слабом взаимодействии, так же взаимодействует и снейтрино.

Если Вселенная суперсимметрична, у бозонов также должны быть суперпартнеры. Известными бозонами Стандартной модели являются переносчики взаимодействий: фотон, заряженные W-бозоны, нейтральный Z-бозон и глюоны, причем спин всех этих частиц равен 1. Терминология суперсимметрии требует, чтобы новые фермионные суперпартнеры имели бы то же имя, что и бозон, с которым они образуют пару, с добавлением в конце суффикса «-ино». Так, фермионные партнеры калибровочных бозонов W и Z называются вино и зино, фермионные партнеры глюонов называются глюино, а фермионный партнер хиггсовской частицы называется хиггсино. Так же как и бозонные суперпартнеры, фермионные суперпартнеры имеют те же заряды, те же взаимодействия и — если суперсимметрия является точной — ту же массу, что и бозоны, с которыми они спарены (рис. 64).

Вам может показаться странным, что физики настолько серьезно воспринимают возможность существования суперсимметрии, если учесть, что ни один суперпартнер не был когда-либо обнаружен, меня иногда поражает, насколько часть моих коллег верят в это. Но, даже несмотря на то, что суперсимметрия до сих пор не обнаружена в природе, есть ряд причин, позволяющих подозревать ее наличие. Серджио Феррара, один из первых ученых, работавших над теорией суперсимметрии, выразил мнение многих физиков, когда сказал мне во время нашей поездки в Лондон, что было бы трудно поверить, что такая удивительная и восхитительная теоретическая конструкция не играет никакой роли в устройстве мира.

Другие физики, не так легко поддающиеся очарованию симметрии, верят в суперсимметрию прежде всего из-за преимуществ суперсимметричных расширений Стандартной модели. В противоположность несуперсимметричным теориям, эти расширения поддерживают легкую хиггсовскую частицу и иерархию масс.

Суперсимметрия и проблема иерархии

Проблема иерархии в Стандартной модели сводится к вопросу о том, почему хиггсовская частица такая легкая. Каким образом может существовать легкая хиггсовская частица при больших квантовых вкладах в ее массу от виртуальных частиц? Эти большие вклады показывают, что в Стандартной модели присутствует обманчивый трюк.

Большое преимущество суперсимметричного расширения Стандартной модели состоит в том, что если имеются виртуальные вклады как от частиц, так и от их суперпартнеров, то суперсимметрия гарантирует отсутствие больших квантовых вкладов в массу хиггсовской частицы, из-за которых легкая хиггсовская частица выглядит столь неправдоподобной. В суперсимметричных теориях могут быть только такие взаимодействия, в которых бозонные и фермионные взаимодействия скоррелированы. Благодаря накладываемым этим условием ограничениям, в суперсимметричных теориях не возникает проблем с большими квантовыми поправками к массам частиц.

В суперсимметричной теории виртуальные частицы Стандартной модели являются не единственными виртуальными частицами, вносящими вклад в массу хиггсовской частицы, другой вклад вносят виртуальные суперпартнеры. Из-за удивительных свойств суперсимметрии два типа вкладов всегда дают в сумме нуль. Квантовые вклады виртуальных фермионов и бозонов в массу хиггсовской частицы связаны друг с другом так точно, что большие вклады от фермионов и бозонов гарантированно сокращаются. Значение фермионного вклада отрицательно и в точности уничтожает вклад бозонов.

Одно такое сокращение показано на рис. 65, на котором показаны две диаграммы, одна с виртуальным топ-кварком, а другая — с виртуальным стоп-скварком. Каждая из диаграмм в отдельности приводила бы к большому вкладу в массу хиггсовской частицы. Но из-за особой взаимосвязи между частицами и взаимодействиями в суперсимметричных теориях большие квантовые вклады в массу от топ-кварков и стоп-скварков полностью уничтожаются, так как их сумма равна нулю.

В несуперсимметричной теории огромные квантовые вклады в массу хиггсовской частицы разрушили бы низкоэнергетическое нарушение электрослабой симметрии, если только в результате ловкого трюка все большие вклады в массу частицы не дали бы в сумме очень маленькое число. Однако суперсимметричное расширение Стандартной модели гарантирует, что всякие потенциально дестабилизирующие влияния типа показанных на этих диаграммах дадут в сумме нуль. Малое значение классической массы хиггсовской частицы гарантирует, что истинная масса, включающая квантовые вклады, также будет малой.

Суперсимметрия представляется как гибкое, прочное основание Стандартной модели. Если раньше мы говорили, что тонкая настройка Стандартной модели похожа на балансировку, чтобы удерживать карандаш на острие, то суперсимметрия похожа на тонкую проволочку, удерживающую карандаш на месте. Аналогично, если ранее мы думали о проблеме иерархии как о сотрудниках Службы иммиграции и натурализации, превышающих свои полномочия и задерживающих слишком большое количество обращений, суперсимметричные партнеры похожи на правозащитников, пресекающих нарушения сотрудников иммиграционной службы и позволяющих большинству обращений дойти до места.

Так как вклады обычных виртуальных частиц вместе с вкладами их суперсимметричных партнеров дают в сумме нуль, суперсимметрия гарантирует, что квантово-механические вклады от виртуальных частиц не исключают возможность существования частиц малой массы. В суперсимметричной теории частица, которая предполагается легкой, например хиггсовская частица, будет оставаться легкой, даже если мы учтем виртуальные вклады.

Нарушенная суперсимметрия

Хотя суперсимметрия в принципе решает проблемы больших виртуальных вкладов в массу хиггсовской частицы, в ней существует серьезная проблема, о которой я пока что не упоминала. Мир очевидно несуперсимметричен. Откуда это следует? Если бы существовали суперпартнеры известных частиц с такими же массами и зарядами, мы бы их давно уже наблюдали. Однако никто еще не наблюдал сэлектрона или фотино.