Селектроны, струны и симметрия

Александр Зайцев • 22 марта 2017
Когда сложность и запутанность физической картины мироздания стали нетерпимыми, ученые ХХ века предприняли беспрецедентные попытки ее упорядочивания.

    Венцом их усилий стала так называемая стандартная модель, в которую была вложена вся совокупность новейших к тому времени знаний о природе материального мира. Однако в последние годы возникли серьезные сомнения в прочности этого фундамента современной физики…

    …С точки зрения физиков, стандартная модель хорошо ладит с экспериментальными данными, но содержит много уязвимых мест. Она не дает ответа на целый ряд вопросов, возникающих перед учеными. Кроме того, она не отличается внутренней стройностью и симметрией, то бишь красотой, как того требует идеальная физическая теория. Так, стандартная модель содержит около двух десятков натуральных констант, в том числе значения массы частиц. Все эти константы нельзя определить с помощью теоретических расчетов; их надо измерять экспериментальным путем. Стандартная модель не отвечает на вопрос, почему большинство элементарных частиц обладает массой. Неясно также, почему в природе существует несколько фундаментальных взаимодействий, резко различающихся по образу действия и интенсивности. Кроме того, одно из этих взаимодействий — гравитационное — доставляет ученым особые хлопоты: его никак не удается включить в общую модель. Ученым приходится «искусственным путем» вводить особую частицу — гравитон, якобы передающую гравитационное взаимодействие.

    Чтобы дать ответы на эти вопросы, нужно прибегнуть к новым гипотезам. Так, существование массы станет понятно, если предположить, что имеются особые частицы, «наделяющие» другие частицы массой, — хиггс-бозоны. Поясним подробнее фон, на котором они появляются.

    Существует — это всего лишь гипотеза — так называемое поле Хиггса. Оно заполняет все мироздание; ему не присуще такое понятие, как «направление». Поскольку любые элементарные частицы, движущиеся сквозь время и пространство, движутся также и сквозь поле Хиггса, они получают от него особое свойство — массу. Это поле можно обнаружить лишь благодаря частицам, возникающим из него на доли секунды, — хиггс-бозонам. По мнению некоторых ученых, имеется целых пять разновидностей хиггс-бозонов.

    Отдельные физики уже сейчас почтительно именуют эти частицы «божественными». Однако до сих пор ни в одном эксперименте не удалось убедительно доказать, что они впрямь существуют. Впрочем, в некоторых опытах, возможно, были зафиксированы следы этих таинственных частиц. Это позволило даже вычислить, правда, весьма грубо, массу хиггс-бозонов. Она может быть равна примерно 115 гига-электронвольт. Данный показатель, ежели он таков, примерно в сто раз больше массы протона. В случае, если хиггс-бозоны, в самом деле, существуют, их можно будет обнаружить во время опытов на более мощных, чем сейчас, ускорителях, например на Largo Hadron Collider (LHC).

    Ожидание неких революционных перемен в теоретической физике очень сильно, и некоторые результаты экспериментов, проведенных в последние годы, убеждают, что «по ту сторону» Стандартной Модели действительно лежит «новая физика», которую есть смысл поискать.

    Так, недавно ученые, работавшие на нейтринном детекторе SNO (Канада, штат Онтарио), показали, что нейтрино, возникающие в ядерной топке Солнца, по пути к Земле теряют свою идентичность, или, как сказал кто-то из физиков, «ведут себя, как крохотные хамелеоны». Этот факт, как и наличие у нейтрино массы — пусть крохотной, но отличной от нуля, — наносит сильный удар по Стандартной Модели физики. Согласно ей, взаимные превращения трех разновидностей нейтрино невозможны и массы у этой частицы нет.

    В феврале сенсационная новость пришла из стен Брукхэйвенской лаборатории (США). В накопительном кольце удалось разогнать мюоны почти до световой скорости и пропустить их сквозь мощное магнитное поле, при этом ученые измерили магнитный момент мюонов с невиданной прежде точностью. Мюоны, как и более легкие их собратья — электроны, ведут себя, как крохотные стержневые магниты: при движении сквозь магнитное поле они покачиваются относительно направления поля. По частоте этого покачивания можно определить магнитный момент. Так вот, во время эксперимента в Брукхэйвене величина магнитного момента оказалась на 0,0004 процента выше, чем в уравнениях Стандартной Модели. Ученые исходят из того, что на поведение мюонов влияют некие не открытые пока элементарные частицы, отсутствующие в Стандартной Модели.

    Впрочем, некоторые физики полагают, что это отклонение в результатах вызвано «статистическим шумом». С другой стороны, рассуждения о том, что могут существовать некие неизвестные частицы, не вписывающиеся в Стандартную Модель физики, отвечают устремлениям теоретиков. Так, согласно теории струны и М-теории, наряду с известными нам элементарными частицами существует целый «зоопарк» других частиц. Возможно, ясность будет внесена уже в ближайшее время после обработки новых результатов измерений, а также после измерения магнитного момента не только у положительно заряженных мюонов, как сейчас, но и у отрицательно заряженных мюонов. «Если расхождение в результатах опытов и теоретических выводах подтвердится, то вряд ли можно будет сомневаться в том, что дверь в царство новой физики распахнута», — говорит профессор Гюнтер Верт из Майнцского университета.

    Ядром новой физики может стать так называемая Суперсимметрия. Ее существование оправдано в глазах многих физиков по целому ряду причин. Во-первых, ее принцип подразумевает наличие хиггс-бозонов, придающих элементарным частицам массу. Во-вторых, при наличии Суперсимметрии все четыре известных нам фундаментальных взаимодействия могут соединиться и образовать так называемую Сверхсилу, или Суперсилу. Произойдет это, правда, лишь при «энергии Планка» — энергии, которая в десятки миллионов миллиардов раз выше, чем максимальная энергия, достижимая в современных ускорителях.

    Наконец, теория струны тоже требует, чтобы мир был суперсимметричен. Ведь, согласно этой теории, все материальные и силовые частицы суть колебания одной и той же элементарной струны, а значит, в основе основ между этими типами частиц нет разницы: материальные частицы могут превращаться в силовые и наоборот. Следовательно, делают вывод теоретики, у каждой материальной частицы есть свой суперсимметричный двойник — некая силовая частица, и, соответственно, у каждой силовой частицы есть суперсимметричный материальный двойник. Это значит, что во Вселенной должно быть, по крайней мере, вдвое больше разновидностей частиц, чем известно исследователям.

    Эти суперсимметричные частицы (суперчастицы) еще предстоит открыть. Однако ученые уже давно раздают им имена. Так, в пару к электрону подобрали сэлектрон, в пару к мюону — смюон, кварки дополнили скварками, а суперсимметричный фотон назвали «фотино».

    Результаты эксперимента с мюонами, проведенного в Брукхэйвене, могли бы стать первым фактом, подтверждающим, что эти таинственные частицы существуют. Именно присутствие суперсимметричных частиц объясняет, почему величина магнитного момента мюона оказалась именно такой. Возможно, что эта догадка, а также правота авторов теории струны окончательно подтвердятся в 2006 году, когда войдет в строй LHC. Тогда при столкновении фотонов будет высвобождаться достаточная энергия для того, чтобы получать суперсимметричные элементарные частицы.

    Пока же теоретикам остается лишь мечтать. «Если будут открыты суперсимметричные частицы, наука совершит грандиозный скачок вперед» — говорит Херман Николаи. Профессор Джон Шварц из Калифорнийского технологического института полагает даже: «В случае, если в опытах на новом коллайдере или каком-то другом ускорителе будет доказана Суперсимметрия, то это открытие станет одним из величайших в истории человечества. По моему мнению, оно гораздо важнее, чем возможное открытие жизни на Марсе».

    Впрочем, вряд ли за пределами касты физиков найдется много тех, кто относится к их работе с таким же энтузиазмом. Восторг же самих физиков легко объяснить. Согласно теории, самая легкая суперчастица должна быть стабильной. Следовательно, таинственная темная материя может состоять именно из таких частиц. Открытие Суперсимметрии придаст новый импульс поискам всемирной формулы мироздания. Вот что писали по этому поводу доктор Гудрид Моортгат-Пик из Венского университета и профессор Петер Цервас из DESY: «Если прежние косвенные свидетельства не обманывают, значит физика элементарных частиц находится на пороге важнейших открытий, которые могут сыграть решающую роль в создании единой теории материи и ее фундаментальных взаимодействий».