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

Кроме того, я знаю слишком много о том, какие серьезные препятствия могут возникнуть перед учеными в таком поиске, даже после того как БАК будет выведен на рабочий режим. Поэтому я понимаю, что результатов, возможно, придется какое‑то время подождать. К счастью для нас, только что описанные КК–моды оставляют за собой одну из самых понятных и очевидных сигнатур, так что искать их одно удовольствие. КК–гравитоны распадаются на любые частицы — в конце концов, каждая частица испытывает на себе силу тяготения, — поэтому экспериментаторы могут сосредоточиться на тех конечных состояниях, которые легче всего распознать.

Однако следует отметить две причины, по которым поиск может оказаться более сложным, чем предполагалось первоначально, и по которым нам, возможно, придется подождать результатов, даже если идея сама по себе верна.

Один из этих моментов заключается в том, что другие перспективные модели свернутой геометрии, возможно, дают менее четкие экспериментальные сигнатуры, обнаружить которые намного труднее. Эти модели описывают структуры, лежащие в основе наблюдаемых событий: в данном случае структура включает в себя дополнительные измерения и браны. Они также предлагают конкретное приложение общих принципов, воплощенных в этой структуре. Наш первоначальный сценарий предполагал, что по многомерному пространству распространяется только гравитация. Однако позже некоторые из нас разработали на основе первой модели новые сценарии. В этих альтернативных сценариях не все частицы находятся на бранах, а это означает существование дополнительных КК–частиц — ведь каждая частица многомерного пространства должна иметь свои КК–моды. Оказывается также, что обнаружить другие КК–частицы намного сложнее. Возникшая проблема стала стимулом для новых активных исследований; ученые искали способы увидеть и распознать эти не столь явные сценарии. Наши теоретические исследования будут полезны для поиска не только КК–частиц, но и любых других энергичных массивных частиц, которые, возможно, будут фигурировать в каких‑то новых моделях.

Другая причина, по которой поиск КК–частиц может оказаться затруднен, состоит в том, что сами КК–частицы могут оказаться тяжелее, чем мы надеемся. Нам известен примерный диапазон масс для этих частиц, но точных значений мы пока не знаем. Если КК- частицы легкие, то на БАКе мы без труда получим их в изобилии и обнаружить их будет несложно. Но если эти частицы тяжелее, чем нам кажется, то БАК произведет их совсем немного. А если они окажутся еще тяжелее, то не исключено, что на БАКе их вообще нельзя будет получить. Иными словами, для получения новых частиц и новых взаимодействий понадобятся более высокие энергии, чем те, которые мы сможем получить. В случае БАКа с его фиксированной длиной туннеля и ограниченным энергетическим диапазоном это всегда было поводом для беспокойства.

Я как теоретик мало что могу по этому поводу сделать. Энергия БАКа такова, какова она есть. Но мы можем попытаться «поймать» легкие признаки существования дополнительных измерений, даже если КК–моды окажутся слишком тяжелыми. Когда мы с Патриком Мидом проводили расчеты вероятности рождения многомерных черных дыр, мы обращали внимание не только на отрицательный общий результат — гораздо более низкую частоту рождения черных дыр, чем утверждалось первоначально. Мы думали и о том, что произойдет, если гравитация в многомерном пространстве сильна, но никаких черных дыр не возникнет. Мы задались вопросом, можно ли на БАКе получить хоть какие‑то интересные признаки многомерной гравитации, и обнаружили, что даже без новых частиц и экзотических объектов, таких как черные дыры, экспериментаторы, по идее, должны получить заметные отклонения от предсказаний Стандартной модели. Открытие, конечно, не гарантируется, но экспериментаторы постараются выжать все, что можно, из существующей установки и детекторов. Другие теоретики в более продвинутых исследованиях придумали и предложили усовершенствованные методики поиска КК–мод, рассчитанные в том числе и на тот случай, если частицы Стандартной модели обитают в многомерном пространстве.

Существует также вероятность, что нам повезет и масштаб масс новых частиц и взаимодействий окажется меньше, чем мы предполагаем. Если это так, то мы не только обнаружим КК–моды раньше, чем ожидалось, но и сможем наблюдать другие новые явления. Если теория струн представляет собой фундаментальную теорию природы, а масштаб новой физики не слишком велик, то БАК сможет даже произвести — в дополнение к КК–частицам и новым взаимодействиям — дополнительные частицы, связанные с колебаниями базовых струн. При более традиционных предположениях эти частицы были бы слишком тяжелыми. Но свернутая геометрия дает надежду на то, что некоторые моды струн окажутся легче, чем предполагалось, и смогут появиться при слабых взаимодействиях.

Ясно, что у свернутой геометрии немало интересных возможностей, и мы с нетерпением ожидаем появления экспериментальных результатов. Следствия такой геометрии, если они будут обнаружены, изменят наши представления о природе Вселенной. Но мы сможем узнать о том, которая из этих возможностей верна (если таковая имеется), лишь после того как БАК сделает свое дело.

Проводимые в настоящее время на БАКе эксперименты проверяют все идеи, изложенные в этой главе. Мы надеемся, что если хотя бы какая‑то из этих моделей верна, то признаки этого вскоре появятся. Может быть, появятся прямые доказательства, такие как КК–моды, а может быть, будут отмечены лишь небольшие отклонения от процессов Стандартной модели. Так или иначе, и теоретики, и экспериментаторы сейчас настороже и ждут. Всякий раз, когда на БАКе фиксируется (или не фиксируется) какое‑либо явление, диапазон возможностей сужается. И если нам повезет, одна из предложенных гипотез может оказаться верной. Узнавая больше о том, что происходит на БАКе и как работают детекторы, мы, можно надеяться, узнаем больше и о том, как расширить возможности коллайдера. По мере появления экспериментальных данных теоретики попытаются интерпретировать их в свете имеющихся гипотез.

Мы не знаем, сколько придется ждать, прежде чем мы начнем получать ответы; это естественно, потому что мы не знаем в точности, какими могут оказаться массы и взаимодействия. Кое–какие открытия могут быть сделаны уже в ближайшие год–два. Других, возможно, придется ждать лет десять. Для некоторых, вполне возможно, потребуются более высокие энергии, чем когда‑либо будут получены на БАКе. Ждать, конечно, тяжело и тревожно, но результаты, скорее всего, будут потрясающими и оправдают все усилия. Не исключено, что они трансформируют наши представления о фундаментальной природе реальности — или хотя бы о природе вещества, из которого все мы состоим. Когда результаты будут получены, перед нами, возможно, откроются новые миры. Не исключено, что уже при нашей жизни взгляд человечества на Вселенную сильно изменится.

Ничто не заменит ученым реальных экспериментальных результатов. Мы, физики, не сидели сложа руки последние 25 лет в ожидании пуска БАКа и появления надежных данных. Мы тщательнейшим образом обдумывали, что именно следует искать в экспериментах и что должны означать те или иные результаты. Мы также изучали данные экспериментов, проводившихся в этот период, и сумели узнать немало интересных подробностей об известных частицах и взаимодействиях, что помогало определиться с направлением основных исследований.