Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

Паралельно з усіма цими подіями нові математичні інструменти спонукали теоретиків узятися за дослідження можливого нового типу симетрії природи, яка стала відомою як суперсиметрія. Ця фундаментальна симетрія відрізняється від усіх досі відомих симетрій тим, що поєднує два різні типи частинок природи: ферміони (частинки з дробовими спінами) та бозони (частинки з цілочисельними спінами). Наслідком цього (багато інших книжок, зокрема декілька моїх, детально досліджують це питання) є те, що, якщо ця симетрія існує в природі, тоді для кожної відомої частинки Стандартної моделі має існувати принаймні одна відповідна нова елементарна частинка. Для кожного відомого бозона має існувати новий ферміон. Для кожного відомого ферміона має існувати новий бозон.

Оскільки ми досі не бачили цих частинок, ця симетрія не може проявлятися у світі на рівні наших відчуттів і має бути порушеною, що означає, що всі нові частинки отримують достатньо великі маси, щоб не засікатися жодним зі збудованих нині прискорювачів.

Що може бути привабливим у симетрії, яка раптом подвоює кількість частинок у природі за відсутності будь-яких свідчень існування хоч якихось із цих нових частинок? Великою мірою її звабливість полягає в самому факті Великого об’єднання. Оскільки, якщо теорія Великого об’єднання існує на масштабі маси енергії, вищому на 15–16 порядків за масу спокою протона, це відповідає енергії, приблизно на 13 порядків вищій за розмірність порушення електрослабкої симетрії. Головне питання тут у тому, чому і яким чином може існувати настільки величезна різниця масштабів фундаментальних законів природи. Зокрема, якщо Стандартна модель Хіггса є останнім істинним залишком Стандартної моделі, постає питання, чому енергетична розмірність порушення симетрії Хіггса на 13 порядків менша за розмірність порушення симетрії, пов’язаної з новим полем (яким би воно не було), яке необхідно ввести задля розбиття ТВО-симетрії на окремі складові сили?

Ця проблема дещо серйозніша, аніж здається. Скалярні частинки на кшталт бозона Хіггса мають кілька нових квантовомеханічних властивостей, відмінних від властивостей ферміонів чи частинок зі спіном 1 на кшталт калібрувальних частинок. Якщо розглянути впливи віртуальних частинок, зокрема частинок із довільно великими масами, таких як калібрувальні частинки гаданої теорії Великого об’єднання, виявиться, що вони схильні підвищувати масштаб маси та порушення симетрії бозона Хіггса так, що він, по суті, стає близьким або навіть ідентичним масштабу важкої ТВО-частинки. Це спричиняє проблему, відому як проблема природності. З формальної точки зору неприродно мати величезний розрив між розмірністю, на якій електрослабка симетрія порушується частинкою Хіггса, і розмірністю, на якій ТВО-симетрія порушується яким би не було новим важким скалярним полем.

Блискучий математичний фізик Едвард Віттен у впливовій статті від 1981 року показав, що суперсиметрія має особливу властивість. Вона здатна вгамувати вплив віртуальних частинок довільно великої маси та енергії на властивості світу на нині досліджуваних нами масштабах. Оскільки віртуальні ферміони й віртуальні бозони однакової маси породжують квантові корегування, ідентичні з точністю до знака, тоді якщо кожен бозон супроводжується ферміоном рівної маси, то квантові впливи віртуальних частинок взаємоскоротяться. Це означає, що впливи віртуальних частинок довільно великої маси та енергії на фізичні властивості всесвіту на масштабах, які ми здатні виміряти, будуть повністю нейтралізовані.

Проте, якщо порушується сама суперсиметрія, квантові корегування скоротяться не повністю. Натомість вони робитимуть внески в маси такого ж порядку, що й розмірність порушення суперсиметрії. Якби вона була порівнювана з розмірністю порушення електрослабкої симетрії, це пояснило б, чому розмірність маси бозона Хіггса є саме такою, якою є. І це також означало б, що на масштабі, нині досліджуваному в LHC, варто очікувати виявлення купи нових частинок – суперсиметричних напарників звичайної матерії.

Це розв’язало б проблему природності, оскільки захистило б маси бозонів Хіггса від можливих квантових корегувань, які могли б збільшити їх до енергетичного масштабу, пов’язаного з Великим об’єднанням. Суперсиметрія уможливила б «природний» великий розрив енергій (та мас) між електрослабким масштабом і масштабом Великого об’єднання.

Те, що суперсиметрія в принципі могла б розв’язати проблему калібрувальної ієрархії (саме під такою назвою вона стала відома), суттєво підвищило котирування її акцій серед фізиків. Вона змусила теоретиків розпочати дослідження реалістичних моделей, які включали в себе порушення суперсиметрії, та інших фізичних наслідків цієї ідеї. Коли вони це зробили, біржова вартість суперсиметрії зашкалила. Адже, якщо врахувати можливість спонтанного порушення суперсиметрії в розрахунках залежності трьох негравітаційних сил від відстані, зненацька сила цих трьох сил починає природним чином сходитися на єдиному, дуже малому лінійному масштабі. Велике об’єднання знову стало можливим!

Моделі, у яких порушується суперсиметрія, мають іще одну привабливу рису. Ще задовго до відкриття правдивого кварка було відзначено, що завдяки своїм взаємодіям з іншими суперсиметричними напарниками він здатен породжувати квантові корегування властивостей частинки Хіггса, які змусять поле Хіггса конденсуватися на масштабі його нині виміряної енергії за умови, що Велике об’єднання відбувається на значно вищому, надважкому масштабі. Коротше кажучи, енергетичний масштаб порушення симетрії електрослабкої взаємодії можна природним чином отримати в рамках теорії, у якій Велике об’єднання відбувається на значно більшому енергетичному масштабі. Коли правдивий кварк було відкрито й він дійсно виявився важким, можливість того, що саме порушення суперсиметрії відповідальне за спостережуваний енергетичний масштаб слабкої взаємодії, стала ще привабливішою.

Утім, усе це має свою ціну. Щоб ця теорія працювала, має бути не один, а два бозони Хіггса. Мало того, збудувавши прискорювач на кшталт LHC, здатний шукати нову фізику в околі електрослабкого масштабу, можна було б очікувати побачити нові суперсиметричні частинки. Нарешті, що досить довго здавалося вельми вбивчим обмеженням, найлегша передбачена цією теорією частинка Хіггса не могла бути занадто важкою, бо інакше цей механізм працювати не буде.

У ході безрезультатних пошуків бозона Хіггса прискорювачі дедалі ближче підходили до теоретичної вищої межі маси найлегшого бозона Хіггса, передбаченого суперсиметричними теоріями. Ця величина становила десь 135 мас протона, а конкретніші значення певною мірою залежали від конкретної моделі. Якби на цьому масштабі бозона Хіггса виявити не вдалося, це свідчило б про те, що весь цей галас навколо суперсиметрії був лише галасом.

Що ж, сталося по-іншому. Виявлений у LHC бозон Хіггса мав масу, приблизно рівну 125 масам протона. Схоже, до великого синтезу було рукою подати.

На сьогодні відповідь… не така однозначна. Якщо нові суперсиметричні напарники звичайних частинок дійсно існують, їхні сигнатури мали б бути настільки