Маленькая книга о большой теории струн. В поисках принципов устройства Вселенной - Стивен Губсер

Вернёмся к суперсимметрии. Обнаружение ЛСЧ будет важнейшим открытием последних лет, поскольку, возможно, именно они составляют так называемую тёмную материю, играющую ключевую роль в формировании галактик. На протяжении десятилетий астрономы и космологи ломали голову над аномально высокой массой галактик. Современная наблюдательная техника позволяет без особого труда пересчитать все звёзды в той или иной галактике и вычислить их суммарную массу. Оказывается, даже если к этой массе добавить массу газа и пыли, которые всегда присутствуют в галактиках, её окажется недостаточно для того, чтобы удержать звёзды в галактике. Для объяснения этого феномена была придумана тёмная материя, дополняющая недостаток массы. Расчёты показывают, что общая масса тёмной материи в наблюдаемой части Вселенной должна в пять или шесть раз превосходить массу обычной материи, доступной нашим наблюдательным инструментам. Но что эта материя собой представляет? На этот счёт имеется масса гипотез, начиная от потухших звёзд и заканчивая субатомными частицами. У ЛСЧ есть два важных преимущества перед другими кандидатами на роль тёмной материи. Во-первых, в большинстве наиболее реалистичных суперсимметричных теорий ЛСЧ очень массивны (их масса более чем в 100 раз превосходит массу протона), электрически нейтральны и стабильны. Во-вторых, легко понять, как они возникли на ранней стадии эволюции Вселенной и почему их суммарная масса в пять-шесть раз превышает массу обычного вещества, то есть вещества, состоящего преимущественно из протонов, нейтронов и электронов.

В общем, суперсимметрия представляет собой замечательную теоретическую основу. Она базируется на необычной математике, прекрасно согласуется с общепринятыми теориями элементарных частиц, включая перенормируемые, и она предсказывает множество новых частиц, которые мы надеемся открыть при помощи БАК. Наконец, теория суперсимметрии и теория струн так глубоко взаимосвязаны, что мне трудно поверить, что в мире могла бы существовать суперсимметрия, если бы теория струн в той или иной форме не была верна. Суперсимметрия немного напоминает дуальности теории струн. Она устанавливает отношение между частицами и их суперсимметричными партнёрами, подобно тому как S-дуальность устанавливает отношение между струнами и D-бранами. Как и дуальности теории струн, суперсимметрия заставляет нас хотеть большего. Не существует ли некоторой универсальной картины, лежащей в основе всех частиц и их суперпартнёров? Не является ли суперсимметрия намёком на то, что такая картина должна существовать? Теория струн даёт ясный ответ, в который суперсимметрия встроена с самого начала и в котором все уже известные частицы и частицы, которые ещё предстоит открыть, имеют более или менее единое происхождение, описываемое динамикой струн и дополнительными измерениями.

Интересным фактом взаимоотношений суперсимметрии и ускорительной физики, а конкретно физики, изучаемой на БАК, является то, что все необходимые для построения законченной теории ингредиенты были получены ещё более двадцати лет назад. Разумеется, за два последних десятилетия теория и эксперимент не топтались на месте. Например, был открыт долгое время остававшийся неуловимым t-кварк. Особняком стоит разве что бозон Хиггса, который удалось поймать только в 2012 году. Также за эти годы значительно углубилось теоретическое понимание суперсимметрии, и сейчас мы гораздо лучше представляем, чего именно следует ждать от БАК, чем могли бы представить в 1980-х годах. Но все эти успехи были лишь подготовительными манёврами к генеральному наступлению, начала которого ждут, затаив дыхание, все физики мира. Суперсимметрия показала за эти годы удивительный пример выживания. Не имея никаких экспериментальных подтверждений, она ухитрилась не утратить своей роли главной надежды на построение общей теории всего. И даже альтернативные теории, предлагавшие вместо суперсимметрии различные варианты перенормировок, в ходе своего развития становились всё более «суперсимметричными».

В последнее время был придуман совершенно новый способ связать теорию струн с реальным миром. Со стороны теории струн этот способ основан на струнно-калибровочной дуальности, о которой я рассказывал в шестой главе. Со стороны реального мира он базируется на столкновениях тяжёлых ионов, о которых я расскажу немного позже. В этих столкновениях температура и плотность достигают столь высоких величин, что протоны и нейтроны «плавятся», образуя субстанцию, называемую кварк-глюонной плазмой. Существуют разные способы описания этой субстанции, не имеющие ничего общего с теорией струн, но, на мой взгляд, самый правильный способ состоит в том, чтобы сделать инструментом такого описания именно теорию струн.

Это явно менее благородная цель, чем создание теории всего и выявление глубинных пластов физики вселенной. В настоящее время предполагаемая связь теории струн с физикой тяжёлых ионов обладает замечательными особенностями, которых лишена теория всего, базирующаяся исключительно на теории струн. Во-первых, в головах сторонников чистой теории струн прочно укоренились динамика струн и струнно-калибровочная дуальность, — это более прямой путь от теории струн к теории всего, чем большинство других предлагаемых сценариев, потому что стыковка теории струн и физических явлений, исследуемых на Большом адронном коллайдере, в основном происходит посредством приближения суперсимметрии в низкоэнергетическом пределе теории струн, то есть когда можно пренебречь всеми состояниями струн, кроме самых низкоэнергетических. Во-вторых, расчёты, выполненные при помощи теории струн, уже довольно хорошо согласуются с экспериментальными данными, несмотря на то что пока ещё не утихают споры о соответствии предсказаний теории струн результатам экспериментов по столкновению тяжёлых ионов. Тем не менее эта область исследований обеспечивает наиболее тесное взаимодействие между современной теорией струн и экспериментальной физикой.

Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (RHIC) расположен в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде. Он построен по тому же принципу, что и Теватрон или БАК, но, в отличие от них, способен ускорять субатомные частицы до энергий, лишь в 100 раз превышающих их энергии покоя. Для сравнения: Теватрон способен придавать протонам энергию, превышающую их массу в 1000 раз, БАК — в 7000 раз. Но главное отличие RHIC от Теватрона в том, что RHIC ускоряет не протоны, ядра золота. Ядро золота состоит из почти 200 нуклонов (напомню, что к нуклонам относятся протоны и нейтроны). Золото было выбрано, потому что его ядро очень тяжёлое и вдобавок по ряду технических причин с ним проще работать, чем с другими тяжёлыми металлами. В экспериментах на БАК планируется использовать более тяжёлые, чем ядра золота, ядра свинца. На самом деле нет никакой принципиальной разницы в том, ядра какого элемента использовать в эксперименте, поэтому в дальнейшем я буду говорить о ядрах золота, потому что именно они использовались в экспериментах на RHIC.

Физики постоянно сталкивают что-нибудь с чем-нибудь в надежде получить что-либо ещё, но в последнее время их предпочтения сместились к столкновениям электронов с позитронами. Причина в том, что электроны имеют очень простую структуру по сравнению с атомными ядрами. Нет никаких свидетельств в пользу того, что электрон имеет внутреннюю структуру. Позитроны в этом отношении идентичны электронам, за исключением того, что они несут не отрицательный, а положительный заряд. Протоны устроены гораздо сложнее — они состоят как минимум из трёх кварков и какого-то количества глюонов. Общее название частиц, составляющих протон, — партоны — от английского слова part — часть. Но протоны представляют собой нечто большее, чем просто набор партонов. Сильные взаимодействия между кварками и глюонами порождают облако виртуальных частиц, о котором мы говорили в контексте перенормировки. Позвольте вкратце напомнить, как это происходит. Кварк может испустить глюон, подобно тому как электрон испускает фотон. Глюон в чём-то похож на фотон, но есть принципиальное отличие: глюон может распасться на несколько глюонов. Те в свою очередь могут распасться на кварки или соединиться с другими глюонами. Все эти испускания, распады и соединения образуют целый каскад. Участвующие в этих процессах частицы называются виртуальными, потому что всё происходит внутри протона и мы не наблюдаем отдельные кварки или отдельные глюоны: они всегда являются составными частями других субатомных частиц. Физики называют такую особенность поведения кварков и глюонов конфайнментом. Как бы эти частицы ни взаимодействовали, они всегда остаются запертыми внутри протона. При столкновении двух протонов они проходят друг сквозь друга, как два заряда дроби, и единственное, что может произойти, — это жёсткое столкновение двух кварков или глюонов. Один из типов событий, регистрируемых на БАК, так и называется: жёсткий процесс. Чаще же кварки и глюоны взаимодействуют более мягко, хотя мягкость здесь весьма относительное понятие: при столкновении двух протонов они обычно полностью разрушаются, рождая более полусотни частиц, бо́льшая часть которых нестабильна.