Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Дело в том, что бозон Хиггса — единственная ниточка, ведущая нас к решению другой громадной загадки, известной как проблема иерархии. Проблема иерархии касается вопроса о том, почему массы частиц — и масса хиггса, в частности — принимают именно те значения, которые мы знаем. Почему масштаб масс, соответствующий слабому взаимодействию, — а именно он определяет массы элементарных частиц — в десять тысяч триллионов раз (иначе говоря, в 1016 раз) меньше, чем масса Планка, определяющая силу гравитационного взаимодействия (рис. 54).

Громадность массы Планка относительно слабой массы соответствует относительной слабости гравитационного взаимодействия, сила которого обратно пропорциональна массе Планка. Если эта масса так велика — а мы это знаем, — то сила тяготения должна быть чрезвычайно слабой.

Факты говорят о том, что тяготение — самое слабое из всех известных взаимодействий. На первый взгляд тяготение не кажется очень уж слабым, но только потому, что каждого из нас притягивает вся громадная масса Земли. Если вместо этого рассмотреть гравитационное притяжение между двумя электронами, то выяснится, что она на 43 порядка величины меньше силы электромагнитного взаимодействия между ними. Гравитация, действующая на элементарные частицы, пренебрежимо мала. В этом контексте проблема иерархии звучит примерно так: почему сила гравитационного взаимодействия настолько слабее остальных известных нам фундаментальных сил?

РИС. 54. Проблема иерархии в физике элементарных частиц: масштаб энергий слабого взаимодействия на 16 порядков меньше, чем планковский масштаб, связанный с гравитацией. Соответственно, планковская длина намного меньше расстояний, доступных БАКу

РИС. 55. Квантовый взнос в массу бозона Хиггса со стороны тяжелой частицы (к примеру, обладающей массой масштаба Теории великого объединения) и ее античастицы (слева) и со стороны виртуального истинного кварка и его антикварка (справа)

Специалисты по физике элементарных частиц не любят, когда столь большие числа, как отношение массы Планка к массе слабого взаимодействия, остаются необъясненными. Согласно квантовой теории поля, объединяющей в себе квантовую механику и специальную теорию относительности, особой разницы между этими двумя показателями быть не должно. Для теоретиков это очень серьезно. По существу, квантовая теория поля утверждает, что масса слабого взаимодействия и массовая константа Планка должны быть примерно равны.

В квантовой теории поля масса Планка важна не только потому, что определяет масштаб, на котором сильна гравитация. Помимо всего прочего это масса, на которой существенны и гравитация, и квантовая механика и на которой физические правила в том виде, в каком мы их знаем, должны нарушаться. Однако на более низких энергиях мы умеем проводить расчеты и составлять прогнозы на основе квантовой теории поля, и большое количество успешных предсказаний убеждает физиков в том, что эта теория верна. Более того, наиболее точно измеренные физические величины вполне согласуются с предсказаниями квантовой теории поля. Такая согласованность не случайна.

А вот при попытке применить те же принципы к бозону Хиггса и учесть квантово–механический вклад в его массу от виртуальных частиц возникают тревожные факторы. Получается, что виртуальный вклад практически любой известной нам частицы придает частице Хиггса массу, сравнимую с массой Планка. Такими промежуточными частицами могут быть как тяжелые объекты, такие как частицы с громадной массой масштаба Теории великого объединения (рис. 55, слева), так и обычные частицы Стандартной модели, такие как t–кварки (рис. 55, справа). Результат тот же; в любом случае виртуальная поправка делает массу хиггса слишком большой. Проблема в том, что дозволенные энергии виртуальных частиц, участвующих в обмене, могут достигать энергии Планка. В этом случае вклад их в массу хиггса может быть почти таким же большим. Но тогда масштаб масс, на котором спонтанно нарушается симметрия, связанная со слабым взаимодействием, тоже будет соответствовать энергии Планка, а это на 16 порядков большие величины — в десять тысяч триллионов раз — это слишком много!

Проблема иерархии очень остро стоит для Стандартной модели с одним бозоном Хиггса. Технически лазейка в этой структуре имеется. Масса хиггса без учета виртуальных составляющих может оказаться громадной и принимать именно то значение, чтобы скомпенсировать виртуальные составляющие как раз до необходимого нам уровня точности. Проблема в том, что это, хотя и возможно, означало бы, что надо аккуратно компенсировать шестнадцать десятичных знаков.

Все мы, физики, считаем, что проблема иерархии (именно под таким названием известна несогласованность масс) указывает на нечто большее — и лучшее — в фундаментальной теории. Пока ни одна простая модель не смогла полностью справиться с этой проблемой. Все перспективные варианты связаны с тем, чтобы расширить Стандартную модель и приписать ей новые свойства. Решение проблемы иерархии наряду с выяснением принципа действия механизм Хиггса является основной задачей БАКа — и темой следующей главы.

В январе 2010 г. мои коллеги собрались в Южной Калифорнии на конференцию, чтобы обсудить проблемы физики элементарных частиц и поиск скрытой массы в эпоху БАКа. Организатор конференции Мария Спиропулу — ученый–экспериментатор на CMS и сотрудник физического факультета Калифорнийского технологического института — попросила меня прочитать первую лекцию, рассказать о БАКе и дать обзор основных физических целей на ближайшее будущее.

Мария хотела, чтобы конференция получилась динамичной, и предложила нам начать с «дуэли» между тремя выступающими. Мало того, что термин «дуэль» в применении к трем участникам звучит странно, еще и аудитория с множеством приглашенных гостей оказалась очень сложной — в ней присутствовали как специалисты, так и просто интересующиеся представители научного мира Калтеха. Мария попросила уделить побольше внимания темным моментам современных теорий и экспериментов, причем излагать простым и доступным языком.

Я поступила так, как поступил бы на моем месте любой разумный человек перед лицом таких противоречивых требований: начала тянуть время. Результатом моих изысканий в Сети стал первый слайд презентации (рис. 56); позже Деннис Овербай опубликовал его в The New York Times в своей статье о конференции — вместе с опечаткой в слове «суперсимметрия».

Возле каждого участника «дуэли» (это были я и еще двое выступающих) стояла табличка, из которой было ясно, какую из моделей он намеревается защищать. Все участники конференции, как бы сильно они ни были убеждены в верности своей модели, прекрасно понимали, что в самом ближайшем будущем появятся новые объективные данные, которые и решат вопрос о том, кто будет смеяться последним (или получит Нобелевскую премию).