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

Уже отмечались две важнейшие причины верить в суперсимметрию: проблема иерархии и суперструны. Третий убедительный довод в пользу суперсимметрии — потенциальная возможность объединения всех взаимодействий в супер-симметричных расширениях Стандартной модели. Как обсуждалось в гл. 11, константы электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий зависят от энергии. Хотя первоначально Джорджи и Глэшоу обнаружили, что взаимодействия в Стандартной модели объединяются, более точные измерения этих трех взаимодействий показали, что объединение в Стандартной модели происходит не полностью. На верхнем чертеже рис. 66 представлены графики трех констант взаимодействий как функций энергии.

Однако суперсимметрия вводит много новых частиц, обладающих этими же тремя взаимодействиями. Это приводит к изменению зависимости взаимодействий от расстояния (или энергии), так как среди виртуальных частиц теперь присутствуют и суперсимметричные партнеры. Возникающие дополнительные квантовые вклады входят в расчеты методом ренормализационной группы и влияют на то, как зависят от энергии константы электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий.

Нижний график на рис. 66 показывает, каким образом константы взаимодействий зависят от энергии, если учесть влияние суперпартнеров. Примечательно, что с учетом суперсимметрии три взаимодействия объединяются точнее, чем до этого. Это более важно сейчас, чем в ранних попытках объединения, так как теперь в нашем распоряжении имеются значительно более точные измерения констант взаимодействий. Пересечение трех линий может быть случайностью. Но оно может рассматриваться и как свидетельство в поддержку суперсимметрии.

Другое приятное свойство суперсимметричных теорий состоит в том, что они содержат естественного кандидата на роль темной материи. Темная материя — это несветящаяся материя, заполняющая Вселенную, которая была обнаружена по своему гравитационному притяжению. Даже несмотря на то что четверть энергии Вселенной запасено в темной материи, мы до сих пор не знаем, из чего эта материя состоит[128]. Подходящим кандидатом на роль темной материи могла бы быть суперсимметричная частица, которая не распадается и имеет подходящую массу и константу взаимодействия. Действительно, легчайшая суперсимметричная частица не распадается и могла бы иметь нужную массу и нужные взаимодействия, чтобы быть той частицей, из которых состоит темная материя. Таким наилегчайшим суперпартнером может быть фотино, партнер фотона. Другой вариант — в сценарии с дополнительными измерениями, который мы рассмотрим ниже, такой частицей может быть вино, партнер калибровочного W-бозона.

Однако доводы в пользу суперсимметрии не единственно возможные. Сильнейшим аргументом против суперсимметрии является то, что ни хиггсовская частица, ни ее суперсимметричные партнеры до сих пор не найдены. Экспериментаторы достигли энергий в несколько сотен ГэВ. Хотя суперпартнеры, безусловно, могут быть чуть тяжелее, на самом деле для этого нет никаких причин. Более легкие суперпартнеры даже лучше с точки зрения решения проблемы иерархии. Почему же, если суперсимметрия решает проблему иерархии, суперпартнеры еще не обнаружены?

С теоретической точки зрения суперсимметрия не полностью неопровержима, так как остаются серьезные вопросы по поводу того, как она нарушается. Мы знаем, что она должна быть нарушена спонтанно, но, как и в случае Стандартной модели и симметрии слабых взаимодействий, мы до сих пор не знаем, какие частицы ответственны за это нарушение. Было предложено много блестящих идей, но полностью удовлетворительная четырехмерная теория еще не предложена.

Когда я впервые узнала о суперсимметрии, она показалась мне слишком простой с точки зрения построения моделей. Дело выглядело так, как будто суперсимметричные теории могли содержать случайные несвязанные массы, так как квантовые вклады отсутствовали. И хотя мы не знали, почему должны появляться неравноправные массы, они не причиняли никаких неприятностей. Это было очень досадно с точки зрения построения моделей, так как ничто не давало никакого ключа к до сих пор не определенной базисной теории. Кроме того, это было немного скучно, так как казалось, что моделирование не является слишком сложной задачей.

Но затем я узнала о проблеме аромата в суперсимметричных теориях, из которой следует, что не все так просто; на самом деле очень трудно установить конкретные детали теории при наличии нарушенной суперсимметрии. Проблема является довольно тонкой, но тем не менее она важна. Проблема аромата есть главное препятствие к построению простой теории нарушения суперсимметрии. Все новые теории нарушения суперсимметрии концентрируются на этой проблеме, и в гл. 17 будет показано, почему возможным решением является нарушение суперсимметрии в дополнительных измерениях.

Напомним, что ароматы фермионов Стандартной модели — это три различных фермиона трех разных поколений, имеющих одинаковые заряды, но разные массы, например, кварки и, cиt, или электрон, мюон и тау. В Стандартной модели ароматы лептонов не меняются. Например, мюоны никогда непосредственно не взаимодействуют с электронами, они взаимодействуют только косвенно, через обмен слабым калибровочным бозоном. Хотя мюоны могут распадаться в электроны, это происходит только потому, что среди продуктов распада имеются также мюонное нейтрино и электронное антинейтрино (см. рис. 53 на стр. 151). Мюон никогда не превращается непосредственно в электрон без испускания соответствующих нейтрино.

Способ, которым физики фиксируют эту индивидуальность конкретного типа лептонов, состоит в том, чтобы потребовать сохранения электронного или мюонного числа. Мы приписываем положительное электронное число электрону и электронному нейтрино, и отрицательное электронное число — позитрону и антинейтрино. Аналогично, мы приписываем положительное мюонное число мюону и мюонному нейтрино, и отрицательное мюонное число — антимюону и мюонному антинейтрино. Если мюонное и электронное числа сохраняются, мюон никогда не сможет распасться на электрон и фотон, так как в начале у нас есть положительное мюонное число и нулевое электронное число, а в конце — нулевое мюонное число и положительное электронное число. Действительно, никто никогда не наблюдал подобного распада. Насколько мы знаем, электронное и мюонное числа сохраняются всеми взаимодействиями частиц.

В суперсимметричной теории сохранение электронного и мюонного чисел говорило бы нам, что хотя электрон и сэлектрон могут взаимодействовать через слабое взаимодействие, как это могут делать мюон и смюон, электрон никогда не может непосредственно взаимодействовать со смюоном. Если бы по какой-то причине электрон был спарен со смюоном, или мюон — с сэлектроном, то возникли бы взаимодействия, не наблюдаемые в природе, например распад мюона на электрон и фотон.