Сэлектроны, струны и симметрия

Однако целью экспериментов на новом коллайдере будут не только хиггс‑бозоны, но и так называемые суперсимметричные частицы. Как полагают ученые, у каждой известной нам частицы есть свой двойник. Открытие этих двойников станет очередным триумфом современной физики. Ученые даже могут описать некоторые свойства, которыми, очевидно, обладают суперсимметричные частицы. Некоторые из них могут быть в миллиарды и даже миллиарды миллиардов раз тяжелее протона. Современные ускорители не обладают достаточной мощностью, чтобы породить подобные частицы. И все же, как полагают многие специалисты, доказать их существование будет даже легче, чем отыскать хиггс‑бозоны.

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.

В феврале 2001 года сенсационная новость пришла из стен Брукхэйвенской лаборатории. Здесь ученые из США, России, Германии и Японии измеряли магнитный момент мюона. Эта элементарная частица, как и электрон, относится к семейству лептонов, но в 207 раз тяжелее электрона. Подобно электронам, мюоны ведут себя, словно крохотные стержневые магниты: при движении сквозь магнитное поле они покачиваются относительно направления поля. По частоте этого покачивания можно определить магнитный момент.

Свободный мюон постоянно окружен облаком «виртуальных» частиц – фотонов, электронов, позитронов. Все они возникают из ничего и через долю секунды исчезают. При взаимодействии их с мюоном его магнитный момент увеличивается. Это было известно давно. Данный феномен называют «спиновой аномалией мюона». Стандартная модель позволяла точно рассчитать величину этой аномалии.

Однако расчеты оказались опровергнуты опытом. 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. Так вот, величина его оказалась на 0,0004 процента выше, чем в уравнениях Стандартной модели.

По мнению большинства специалистов, полученный результат можно трактовать по‑разному. Возможно, результат исказили крохотные погрешности. Но, может быть, Стандартная модель имеет свои пределы и ее недостаточно для объяснения всех явлений в микромире. Что если, совершая обороты в ускорителе, мюоны окутались облаком виртуальных суперсимметричных частиц, и потому их магнитный момент увеличился?

Гипотеза о существовании неизвестных частиц, не вписывающихся в Стандартную модель физики, отвечает устремлениям теоретиков. Так, согласно теории струн и М‑теории, наряду с известными нам элементарными частицами, имеется целый «зоопарк» других частиц.

Ядром новой физики может стать так называемая Суперсимметрия. Во‑первых, ее принцип подразумевает наличие хиггс‑бозонов, придающих элементарным частицам массу. Во‑вторых, при наличии Суперсимметрии фундаментальные 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 струн тоже требует, чтобы мир был суперсимметричен. Ведь, согласно ей, все материальные и силовые частицы суть колебания одних и тех же крохотных струн, а значит, в основе основ между этими типами частиц нет разницы: материальные частицы (фермионы) могут превращаться в силовые (бозоны) и наоборот.

В основе теории Суперсимметрии также лежит идея о фундаментальном родстве бозонов и фермионов. Лишь стремительное расширение Вселенной и ее охлаждение нарушили Великую Симметрию, царившую в мироздании в первые доли мгновения после Большого Взрыва.

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.

Как отмечают специалисты, эта гипотеза позволяет избавиться от одного из минусов Стандартной модели – от невыполнения законов симметрии, предписываемых ею природе. С учетом суперсимметричных частиц (суперчастиц) эти законы выполняются.

Данные частицы еще предстоит открыть. Однако ученые уже давно раздают им имена. К суперсимметричным частицам, соответствующим фермионам, добавляют предлог «с», а к суперсимметричным напарникам бозонов – суффикс «ино». Так, в пару к электрону подобрали сэлектрон, в пару к мюону – смюон, кварки дополнили скварками, нейтрино – снейтрино, суперсимметричный фотон назвали «фотино», ну а двойником еще не открытого хиггс‑бозона стал хиггсино.

^{В лаборатории CERN готовятся к поискам хиггс‑бозонов и суперсимметричных частиц. В 2007 году в физике грядет новая эпоха открытий?}

По одной из моделей – Минимальной суперсимметричной стандартной модели элементарных частиц – наименьшая масса снейтрино может составлять около 50 гигаэлектронвольт, в то время как масса сфермионов превышает 1000 гигаэлектронвольт.

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. Если мюон взаимодействует с суперчастицами, всеми этими слептонами и сэлектронами, то его магнитные свойства обязательно будут отличаться от тех, что были бы у него, взаимодействуй он только с обычными частицами.

Возможно, эта гипотеза, а также правота авторов теории струн, окончательно подтвердится после 2007 года в экспериментах на новом коллайдере. Пока же теоретикам остается лишь мечтать. «Если будут открыты суперсимметричные частицы, наука совершит грандиозный шаг вперед», – говорит немецкий физик Херман Николаи. А Джон Шварц 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».

^{«Если будут открыты суперсимметричные частицы, наука совершит грандиозный шаг вперед», – говорит Херман Николаи}

В комментарии к Брукхэйвенскому эксперименту, опубликованному на страницах журнала «Знание – сила», Рафаил Нудельман писал: «Переход от Стандартной модели к Суперсимметрии будет, конечно, концептуальной революцией. Если она произойдет, то затронет всю физику, от теории элементарных частиц до астрофизики и космологии».

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, темная материя может состоять именно из таких частиц. Открытие Суперсимметрии придаст также новый импульс поискам единой формулы мироздания.

Вот что писали по этому поводу в январе 2001 года на страницах «Physikalische Blaetter» Гудрид Моортгат‑Пик из Венского университета и немецкий физик Петер Цервас: «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».

Новый век начался в ожидании великого открытия. Час его приближается…