Быстрее пули! Мощнее паровоза! Способен перепрыгивать высокие здания одним прыжком! Конечно же, это суперсимметрия. (SUSY, если вы предпочитаете более симпатичную инкогнито-личность.) Из всех супергероев, которые есть во вселенной, суперсимметрия может спасти нас от полного уничтожения. Не потому, что он борется с плохими парнями или перехитрил злодеев, а потому, что он просто может объяснить, как работают самые крошечные, самые элементарные части космоса. Откройте вселенную, и кто знает, от чего мы можем защитить себя.
Кто наш умный герой? Наша мускулистая героиня? Ну, это больше робкий Питер Паркер, чем учтивый Человек-Паук. На самом деле это принцип, задуманный для того, чтобы заполнить дыры в другой системе, которую физики начинают опасаться, и вполовину не так силен, как кажется. Суперсимметрия, возможно, наконец-то встретила своего соперника, и Большой адронный коллайдер - это арена, где она может испустить последний вздох.
Во-первых, шаг назад. Стандартная модель - это то, что современные физики используют для понимания зачатков Вселенной. Он определяет фундаментальные частицы, а также четыре силы, которые взаимодействуют с частицами, чтобы поддерживать движение Вселенной. К таким частицам относятся кварки и лептоны: возможно, вы знакомы с протонами и нейтронами из семейства кварков, а также с электронами и нейтрино как с лептонами. Силы бывают сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные.
Стандартная модель также говорит, что каждой из этих сил соответствует частица (или бозон). Обмениваясь друг с другом бозонами, материя может передавать друг другу энергию. И вот что действительно удобно: все частицы Стандартной модели были обнаружены, включая - не так давно - бозон Хиггса. Хиггс образует большее поле Хиггса, которое передает массу частицам.
А вот и странная вещь. Если Стандартная модель верна, это означает, что поле Хиггса придает субатомным частицам их массу. Но он не говорит, каковы массы, и не объясняет, почему бозон Хиггса должен быть легким - он должен быть очень, очень тяжелым, если другие частицы Стандартной модели взаимодействуют с ним так, как это предсказывается.
Именно здесь в дело вступает суперсимметрия. Как напоминают нам ребята из Фермилаб, суперсимметрия - это принцип, а не теория, а это означает, что существует множество суперсимметричных теорий, различающихся в разных точках. Однако все они содержат суперсимметричные уравнения, которые одинаково трактуют материю и силы. Да, материю и силу можно поменять местами.
Как такое балансирование может быть? Суперсимметрия говорит о том, что каждая частица, описанная в Стандартной модели, имеет суперпартнера с другой массой. Таким образом, каждая известная частица материи (илифермион) имеет частицу силы (илибозон) и наоборот. Электрон - это пример фермиона, а фотон - это пример бозона. Одним из самых полезных свойств суперпартнеров было бы то, что они фактически компенсировали бы очень, очень большую массу, которую Стандартная модель предсказывает бозону Хиггса. Звучит потрясающе, потому что, эй, мы нашли бозон Хиггса, и он не был таким массивным. Суперсимметрия жива! Да здравствует суперсимметрия!
Э-э, но вы можете подождать с этим, потому что в этом заключается большая проблема с суперсимметрией и суперпартнерами: мы их не видели. Хотя это здорово найти бозон Хиггса с массой, предсказываемой суперсимметрией, мы действительно должны видеть и все эти частицы-суперпартнеры. И после многих лет эксплуатации Большого адронного коллайдера мы не можем этого сделать.
Да, да, немного сложно оправдать пристрастие к суперсимметрии. Мы предполагаем, что все эти суперпартнеры существуют, потому что Стандартная модель имела бы больше смысла, если бы они существовали. Похоже на плохую науку, верно?
Ну, не так быстро. Суперсимметрия могла бы ответить не только на вопрос о бозоне Хиггса, и способность решать несколько задач с помощью одного решения привлекает ученых. Например, физики не понимали, почему галактики вращаются так быстро, учитывая их значительную массу, поэтому они постулировали новую материю -темную материю - для решения проблемы. Затем они столкнулись с более серьезной проблемой: если темная материя существует, из чего она состоит? Мы никогда его не видели, поэтому не могли сказать, из чего состоит этот загадочный материал. Суперсимметрия решает эту проблему, потому что самая легкая суперсимметричная частица полностью отвечает требованиям темной материи.
Еще одно благо, которое могла бы обеспечить суперсимметрия? Что три силы, которые мы понимаем на субатомном уровне (сильная, слабая и электромагнитная), могут быть поняты как часть одной объединяющей силы. В то время как Стандартная модель говорит, что силы становятся подобными при очень высоких энергиях, суперсимметрия предсказывает, что три силы объединяются при одной энергии. В этом нет необходимости, чтобы иметь «смысл», но, как мы уже сказали, физики любят естественные, элегантные решения. Суперсимметрия создаст именно то решение, которого жаждут физики, когда дело доходит до вопроса об объединении сил.
Еще раз напоминаем, что все это напрасно, если мы не найдем этих суперпартнеров. Если мы не сможем их найти, у нас не будет никакого объяснения массы бозона Хиггса, темной материи или объединения сил. Но мы призываем время смерти суперсимметрии до того, как дадим ей шанс бороться.
Потому что надежда может появиться в виде мощного протонного взрыва. Верно, наши надежды по-прежнему возлагаются на Большой адронный коллайдер, ускоритель частиц, на котором в 2012 году были обнаружены доказательства существования бозона Хиггса. Хотя обнаружение бозона Хиггса, без сомнения, имело большое значение для сторонников суперсимметрии - и физиков в целом - то, что они действительно надеялись найти кучу частиц. Точнее, куча тех неуловимых суперпартнеров, которые привели бы нас к пониманию реальности суперсимметрии.
Не будет преувеличением сказать, что обнаружение только бозона Хиггса (а не каких-либо других суперпартнеров) на БАК вызвало небольшой кризис в мире физики. В конце концов, чтобы масса Хиггса имела смысл, суперпартнеры должны были быть найдены примерно в одном и том же месте. БАК должен снова включиться в 2015 году, сталкивая протоны с еще более высокими энергиями, чтобы, как мы надеемся, найти суперпартнеров с более высокими массами. К сожалению, это не совсем решает проблему: даже если они найдут суперпартнеров с большой массой, очень удобные эффекты суперсимметрии - то, что она уравновешивает сверхтяжелую массу бозона Хиггса - не будут работать. Так что мы снова застряли в колее суперсимметрии.
Но, как уже отмечалось, суперсимметрия - это принцип, а не теория. В некоторых суперсимметричных сценариях Большой адронный коллайдер не мог обнаружить суперпартнеров из-за ограничений экспериментов и их неспособности обнаруживать менее стабильные частицы. Так что, хотя суперсимметрия, вероятно, должна довольно быстро бежать в комнату, задыхаясь, с довольно хорошим предлогом для того, чтобы так опоздать, еще не время закрывать дверь.
Примечание автора. Что такое суперсимметрия?
Эти суперпартнеры МВД действительно начинают сходить с ума некоторых физиков. Если бы мы никогда их не увидели, было бы очень важно, потому что физике элементарных частиц отчаянно нужны проверяемые теории. Без суперпартнеров - или, по крайней мере, без возможности проверить их в нашей вселенной - нам пришлось бы найти какое-то другое проверяемое решение для некоторых дыр в Стандартной модели.