Лиза Рэндалл - Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.
Когда я впервые узнала о суперсимметрии, она показалась мне слишком простой с точки зрения построения моделей. Дело выглядело так, как будто суперсимметричные теории могли содержать случайные несвязанные массы, так как квантовые вклады отсутствовали. И хотя мы не знали, почему должны появляться неравноправные массы, они не причиняли никаких неприятностей. Это было очень досадно с точки зрения построения моделей, так как ничто не давало никакого ключа к до сих пор не определенной базисной теории. Кроме того, это было немного скучно, так как казалось, что моделирование не является слишком сложной задачей.
Но затем я узнала о проблеме аромата в суперсимметричных теориях, из которой следует, что не все так просто; на самом деле очень трудно установить конкретные детали теории при наличии нарушенной суперсимметрии. Проблема является довольно тонкой, но тем не менее она важна. Проблема аромата есть главное препятствие к построению простой теории нарушения суперсимметрии. Все новые теории нарушения суперсимметрии концентрируются на этой проблеме, и в гл. 17 будет показано, почему возможным решением является нарушение суперсимметрии в дополнительных измерениях.
Напомним, что ароматы фермионов Стандартной модели — это три различных фермиона трех разных поколений, имеющих одинаковые заряды, но разные массы, например, кварки и, cиt, или электрон, мюон и тау. В Стандартной модели ароматы лептонов не меняются. Например, мюоны никогда непосредственно не взаимодействуют с электронами, они взаимодействуют только косвенно, через обмен слабым калибровочным бозоном. Хотя мюоны могут распадаться в электроны, это происходит только потому, что среди продуктов распада имеются также мюонное нейтрино и электронное антинейтрино (см. рис. 53 на стр. 151). Мюон никогда не превращается непосредственно в электрон без испускания соответствующих нейтрино.
Способ, которым физики фиксируют эту индивидуальность конкретного типа лептонов, состоит в том, чтобы потребовать сохранения электронного или мюонного числа. Мы приписываем положительное электронное число электрону и электронному нейтрино, и отрицательное электронное число — позитрону и антинейтрино. Аналогично, мы приписываем положительное мюонное число мюону и мюонному нейтрино, и отрицательное мюонное число — антимюону и мюонному антинейтрино. Если мюонное и электронное числа сохраняются, мюон никогда не сможет распасться на электрон и фотон, так как в начале у нас есть положительное мюонное число и нулевое электронное число, а в конце — нулевое мюонное число и положительное электронное число. Действительно, никто никогда не наблюдал подобного распада. Насколько мы знаем, электронное и мюонное числа сохраняются всеми взаимодействиями частиц.
В суперсимметричной теории сохранение электронного и мюонного чисел говорило бы нам, что хотя электрон и сэлектрон могут взаимодействовать через слабое взаимодействие, как это могут делать мюон и смюон, электрон никогда не может непосредственно взаимодействовать со смюоном. Если бы по какой-то причине электрон был спарен со смюоном, или мюон — с сэлектроном, то возникли бы взаимодействия, не наблюдаемые в природе, например распад мюона на электрон и фотон.
Проблема состоит в том, что хотя в строго суперсимметричной теории такие меняющие аромат взаимодействия не возникают, как только суперсимметрия нарушается, ничто не гарантирует нам, что мюонное и электронное числа сохраняются. Суперсимметричные взаимодействия в теории с нарушенной суперсимметрией могут изменять число электронов и мюонов, в противоречии с тем, что мы знаем из опыта. Происходит это потому, что массивные бозонные суперпартнеры в строгом смысле не тождественны своим партнерам фермионам. Массы, которыми они обладают в суперсимметричной теории, позволяют бозонным суперпартнерам полностью перемешиваться. Например, с мюоном может быть спарен не только смюон, но и сэлектрон. Но спаривание сэлектрона с мюоном приведет ко всем типам распадов, которые, как мы знаем, не происходят. В любой правильной теории природы взаимодействия, изменяющие мюонное или электронное числа, должны быть очень слабыми (или несуществующими), так как такие взаимодействия никогда не наблюдались.
У кварков возникнут похожие проблемы. Если суперсимметрия нарушена, то кварковый аромат не только не будет сохраняться, но будет приводить к опасному перемешиванию поколений, чего так боялся Икар в начале главы. Определенное смешивание кварков в природе происходит, но оно существенно меньше, чем предсказывается теориями с нарушением суперсимметрии.
Теории с нарушением суперсимметрии сталкиваются с очень трудной проблемой объяснения того, почему подобные меняющие аромат взаимодействия не встречаются намного чаще. К сожалению для суперсимметричных теорий, большинство их не может объяснить отсутствие явлений с изменением аромата, подобных упомянутым выше. Это недопустимо; такое смешивание должно быть запрещено, если теории соответствую природе.
Если эта проблема кажется вам неясной, возможно, вам принесет облегчение тот факт, что многие физики первоначально чувствовали то же самое и не считали проблему ароматов в суперсимметричных теориях столь важной. Если до предела упростить проблему, раскол в мыслях проходил вдоль географических границ: европейцы тревожились по поводу этой проблемы меньше американцев. Те из нас, кто уже потратил годы на обдумывание проблемы аромата с иных точек зрения, знали, как трудно было бы ее решить. Но многие изначально игнорировали следствия анархического принципа и не видели, почему надо тревожиться. Однажды, после возвращения в 1994 году с Международной конференции по суперсимметрии в Анн-Арборе, штат Мичиган, Дэвид Каплан, прекрасный физик (и мой первый коллега во время аспирантуры), работающий сейчас в Институте ядерной физики в Сиэттле, рассказал мне, как он был расстроен после того, как объяснил аудитории предлагаемое им решение проблемы аромата, но только потом обнаружил, как мало людей думали, что там вообще была проблема!
Однако все довольно быстро изменилось. Большинство ученых сейчас признает серьезность проблемы ароматов. Очень трудно найти теории нарушения суперсимметрии, которые выдают все необходимые массы суперпартнеров, не подвергая опасности ароматы частиц. Как нарушить суперсимметрию, но не допустить изменения аромата, — это ключевая проблема, если суперсимметрия преуспеет в решении проблемы иерархии. Нарушение законов сохранения числа мюонов и электронов (а также кварков) может показаться технической проблемой, но на самом деле это ахиллесова пята нарушения суперсимметрии. Очень трудно предотвратить превращение суперпартнеров друг в друга. В общем случае симметрии бессильны это предотвратить.
И вновь мы возвращаемся к нашей теме: теории с симметрией элегантны, но нарушенная симметрия, описывающая видимый нами мир, должна быть в равной степени элегантна. Как и почему нарушается суперсимметрия? Мы завершим сложную теоретическую задачу понимания суперсимметричных теорий только тогда, когда мы найдем убедительную модель нарушения суперсимметрии.
Это не означает, что суперсимметрия с необходимостью неверна, или что она не имеет ничего общего с проблемой иерархии. Однако требуется дополнительный ингредиент для того, чтобы суперсимметричные теории мира были успешными. Вскоре мы увидим, что таким дополнительным ингредиентом могут быть дополнительные измерения.
Что стоит запомнить
• Суперсимметрия по существу удваивает спектр частиц. Для каждого бозона, имеющегося в теории, суперсимметрия вводит партнера — фермион, для каждого фермиона вводит партнера — бозон.
• Квантово-механические эффекты (без суперсимметрии) приводят к тому, что хиггсовская частица не может остаться достаточно легкой, как это требуется в Стандартной модели. До появления теорий с дополнительными измерениями, суперсимметрия была единственным известным способом борьбы с этой проблемой.
• Суперсимметрия не обязательно объясняет нам, почему хиггсовская частица легкая, но она решает проблему иерархий.
• Большие виртуальные вклады, которые вносят в массу хиггсовской частицы все частицы Стандартной модели и их суперпартнеры, при суммировании дают нуль. Поэтому наличие легкой хиггсовской частицы не является проблемой для суперсимметричнной теории.
• Даже несмотря на то что суперсимметрия могла бы решить проблему иерархий, она не может быть точной. Если бы она была точной, суперпартнеры имели бы те же массы, что и частицы Стандартной модели, и мы должны были бы уже найти экспериментальные следствия суперсимметрии.
• Суперпартнеры, если они существуют, должны быть массивнее, чем их партнеры в Стандартной модели. Так как на коллайдерах высоких энергий могут рождаться только частицы, массы которых не превышают некоторого предела, эти коллайдеры еще не имеют достаточную энергию, чтобы породить суперчастицы. Это может объяснить, почему мы до сих пор их не видели.
