6. Суперструнная программа

 

Даже краткий анализ проблем Стандартной Модели убеждает, что, на самом деле, структура вакуума должна быть еще сложнее, чем это представляется сейчас, когда некоторые из известных вакуумных подсистем уже частично исследованы. Необходимость углубления знаний о вакууме очевидна, однако каким же должен быть реальный алгоритм их изучения?

Давайте вернемся к основной экспериментальной проблеме СМ – поиску хиггсовского бозона – и рассмотрим, каким, в принципе, может быть результат эксперимента, и как его следует истолковывать.

В простейшем варианте теории предсказывается самая простая структура ХК, характеризуемая только одним энергетическим параметром – вакуумным сдвигом Н⁰_вак  245 ГэВ. Такая структура имеет только один тип возбуждений, который в эксперименте должен проявляться как электронейтральный ХБ. Его поиск планируется вести в e⁺e^ аннигиляции: и в протон-антипротонных соударениях, где Н⁰ – один из продуктов соударений. Эксперименты будут проведены на ускорителях FERMILAB и LHC в течение ближайших 3-5 лет. Надо признать, что, если эксперимент подтвердит существование только одного ХБ со свойствами, полностью соответствующими предсказаниям простейшего варианта СМ, то физика элементарных частиц, как это ни печально, попадет в тупик. Такой пессимистический вывод основан на факте существования серьезнейших проблем в СМ – проблемы поколений, выделенного статуса нейтрино, непертурбативной динамики вакуума. Мы будем лишь вновь и вновь сталкиваться с этими нерешенными проблемами, пока не получим и не осмыслим качественно новую информацию, лежащую за рамками стандартной теории. При отсутствии новой экспериментальной информации уделом физиков–теоретиков на ближайшие десятилетия останется лишь проведение все более точных расчетов, а экспериментаторов – все более точных измерений одного и того же набора параметров. Для поиска новых идей нужен экспериментальный выход за пределы СМ.

Что же произойдет при другом исходе эксперимента? Ведь кроме простейшего варианта теории, в котором имеется только однокомпонентный ХК с одним ХБ, есть и более сложный вариант, в котором ХК описывается тремя физическими величинами, а в его спектре возбуждений уже 5 ХБ – 2 заряженных H^ и 3 нейтральных: Н₁⁰, Н₂⁰ и А⁰. Этот вариант модели интересен не только потому, что предсказывает более сложную структуру вакуума, но и потому, что подобная структура тесно связана с одной из наиболее фундаментальных концепций теоретической физики высоких энергий – концепцией суперсимметрии (СУСИ). Обсудим эту концепцию – наиболее яркое достижение теоретической физики конца ХХ века – подробнее.

 

 

6.1.Концепция суперсимметрии.

 

Мы уже говорили, что все квантовые поля делятся на два класса – поля материи, кванты которых обладают полуцелым спином J=1/2 и подчиняются принципу Паули, и силовые поля, кванты которых несут целый спин J=1. Отдельно в этом списке представлено скалярное хиггсовское поле, которое способно выпадать в конденсат и также имеет целый спин J=0. Основная идея суперсимметрии – в однозначном соответствии между количеством типов частиц с полуцелыми и целыми спинами, или, иначе говоря, между фермионами и бозонами. В Таблице 1, где перечислены все объекты существующей теории элементарных частиц, такого соответствия нет. Концепция СУСИ предполагает, что каждая из частиц в Таблице 1 имеет своего суперпартнера, при этом частицы с целым спином должны иметь суперпартнера с полуцелым спином и наоборот. В рамках этой гипотезы предсказывается, что, кроме фотонов, глюонов, W^ и Z⁰ бозонов со спином J=1, должны существовать частицы со спином J=1/2, названные фотино, глюино, вино и зино. Аналогично, кроме кварков, электронов и нейтрино со спином J=1/2, должны существовать скварки, сэлектроны и снейтрино, имеющие спин J=0 (приставка «с-» в названиях суперпартнеров известных частиц и указывает на их статус скалярных суперпартнеров). Хиггсовским бозонам со спином J=0 должны соответствовать суперпартнеры хиггсино со спином J=1/2.

На первый взгляд, суперсимметрия приводит к значительному усложнению теории, и в ситуации, когда ни один из суперпартнеров экспериментально не найден, предположение о суперсимметрии Природы может показаться странным и неоправданным. Существуют, однако, очень глубокие теоретические причины, оправдывающие эту гипотезу.

Первый аргумент в пользу суперсимметрии состоит в том, что решения уравнений в квантовой суперсимметричной теории при высоких энергиях обладают свойством устойчивости относительно учета малых эффектов, связанных с перестройками физического вакуума. Естественно предположить, что учет малых дополнительных вакуумных эффектов при анализе свойств взаимодействующих высокоэнергетичных частиц должен приводить к малому искажению предсказаний. Однако в несуперсимметричных теориях это свойство вводится и закрепляется только путем тщательного согласования (тонкой подстройки) констант теории. Устойчивость предсказаний СУСИ-теорий является их внутренним свойством.

Вторая причина носит, в некотором смысле, качественный характер – экспериментальные данные свидетельствуют о существовании в природе как бозонов, так и фермионов. Поэтому нам хотелось бы иметь теоретический принцип, в рамках которого сосуществуют частицы с разными спинами на равноправной основе. СУСИ и является принципом, автоматически обеспечивающим равноправный статус частиц с различными спинами.

Третий и, возможно, самый главный аргумент в пользу СУСИ – именно в суперисимметричных теориях удается сформулировать геометрическую интерпретацию всех фундаментальных частиц и всех физических взаимодействий, включая гравитационное, в рамках единого суперполя.