Оригинал материала
Что лежит за пределами Стандартной модели
Один из первых экспериментов по столкновению ионов свинца на Большом адронном коллайдере 
Партнер проекта 19 сентября в рамках проекта «Публичные лекции Полит.ру» выступил доктор физико-математических наук, профессор факультета физики и астрономии Университета штата Миннесота Михаил Аркадьевич Шифман. Лекция Михаила Шифмана была посвящена достижениям и перспективам физики высоких энергий.
Из всего многообразия Вселенной современная физика высоких энергий занимается объектами, размер которых начинается с 10-18 метра, а в дальнейшем стремится изучать мир масштабах, соизмеримых с планковской единицей длины, то есть 10-33 метра. Современная физическая картина мира, в этих масштабах, была построена в 1968-1972 годах. Сейчас она известно как Стандартная модель, а первоначально ее называли модель Глэшоу-Вайнберга-Салама – по именам трех теоретиков, сформулировавших ее. Шелдон Ли Глэшоу и Ситвен Вайнберг – американцы, Абдус Салам – пакистанец, вынужденный покинуть родину из-за своей принадлежности к вероучению ахмадие, работавший в Великобритании и основавший Международного центра теоретической физики в Триесте. Помимо этих трех ученых надо упомянуть голландца Герарда 'т Хоофта, доказавшего самосогласованность модели. Все эти ученые стали лауреатами Нобелевской премии: Глэшоу, Вайнберг и Салам в 1979, а 'т Хоофт и его коллега Мартинус Велтман – в 1999 году.
Из чего же состоит наш мир согласно Стандартной модели? Материя представлена двумя типами частиц: кварками и лептонами. Кварков шесть, они обозначаются буквами u, d, c, s, t и h. Из кварков состоят протоны и нейтроны, которые в свою очередь образуют ядра атомов. В число лептонов входят: электрон (e−), электронное нейтрино (νe), мюон (μ−), мюонное нейтрино (νμ), тау-лептон (τ−) и тау-нейтрино (ντ). И кварки, и лептоны имеют спин равный 1/2.
Стандартная модель Кварки и лептоны охвачены четырьмя типами взаимодействий (силами): гравитационным, электромагнитным, слабым и сильным. Для разных частиц основным оказывается разное взаимодействие. Так, на кварки действуют и гравитация, и слабое, и электромагнитное взаимодействие, но в наибольшей степени для них важно сильное взаимодействие. Именно оно связывает кварки в протонах и нейтронах настолько сильно, что мы не можем получить один изолированный кварк. Нейтрино участвуют в слабом взаимодействии (также и в гравитационном, но оно для нейтрино пренебрежимо мало). Электроны – в электромагнитном.
Эти взаимодействия осуществляются путем обмена между частицами калибровочными бозонами. Переносчик электромагнитного взаимодействия – фотон. Слабого взаимодействия - W- и Z-бозоны. W-бозон назван так по первой букве слова weak, обозначающего слабое взаимодействие, Z-бозон получил свое имя потому, что имеет имеет нулевой (zero) электрический заряд. Сильное взаимодействие обеспечивают глюоны, которых насчитывается восемь. Калибровочные бозоны, в отличие от кварков и лептонов, имеют не половинный, а целый спин. Он равен единице или нулю (у бозона Хиггса).
Можно предположить, что существует свой бозон для гравитационного взаимодействия. Для него даже придумали название – гравитон. Но обнаружить его экспериментально пока невозможно – гравитационное взаимодействие слишком слабое. Стандартная модель охватывает лишь три из четырех фундаментальных взаимодействий. Зато в этих рамках она прекрасно согласуется с экспериментальными данными и неоднократно продемонстрировала свою предсказательную силу. Например, W- и Z-бозоны сначала были предсказаны создателями Стандартной модели, а лишь потом открыты экспериментально.
Последний случай такого предсказания стал широко известен. Он касается последнего компонента Стандартной модели – так называемого бозона Хиггса. Эта частица была предсказана в 1964 году Питером Хиггсом с целью объяснения того, как все элементарные частицы приобретают массу. Независимо от Хиггса к таким выводам пришел еще ряд ученых: Роберт Браут, Франсуа Англер, Джеральд Гуральник, Карл Хаген, и Томас Киббл. Но обнаружить этот бозон экспериментально долгое время не удавалось. «Поимка» бозона Хиггса была одной из первоочередных целей работ на Большом адронном коллайдере. И вот в марте 2013 года ученые ЦЕРНа объявили, что теперь они наконец-то уверены – бозон Хиггса обнаружен.
Итак, Стандартная модель неплохо справляется с объяснением мира элементарных частиц. Однако ученые остаются недовольны. Что же вызывает их недовольство? Дело в том, что существующие частицы имеют очень разные массы. Масса самой тяжелой из них t-кварка равна приблизительно 172 ГэВ (массы частиц обычно выражают в энергетических единицах). Масса нейтрино, по последним данным, менее чем 0,00000000001 ГэВ. Разница масс достигает 13 порядков. Это кажется весьма неестественным. Если же вспомнить о гравитации, то максимально возможная масса элементарной частицы, так называемая планковская единица массы еще больше, чем масса t-кварка (MP ≈ 1,2209·1019 ГэВ/c² = 2,176·10−5 г.). Разница с массой нейтрино достигнет как минимум тридцати порядков.
Михаил Аркадьевич Шифман рассказал о том, какой аналогией физик М. Стресслер иллюстрирует неестественность Стандартной модели. Если мы ставим на стол вазу с цветами, она на нем стоит и не падает. Если мы вдруг поставим ее мимо стола, ваза упадет и разобьется. Если же вдруг мы поставим вазу на край стола, да еще и наклонно, а она останется в равновесии и не упадет – это и будет такая же неестественная ситуация, какой выглядит огромный разброс масс частиц глазами физика. Конечно, можно предположить, что в столешнице www.stoun-corian.ru есть особый вырез, а в вазе выступ, которые помогают ей держаться, но все эти ухищрения не делают картину естественной. При этом Михаил Шифман подчеркнул, что речь идет не о внутренней противоречивости Стандартной модели, а о именно том, что она кажется очень неестественной.
Чтобы справиться с неествественностью Стандартной модели, физики предлагают новые теории. Одна из них получила название теории суперсимметрии. Математическую модель суперсимметрии предложили еще в 1970-х годах советские физики. В 1971 году вышла статья Юрия Гольфанда и Евгения Лихтмана из ФИАНа, а годом позже независимо опубликовали свою работу Дмитрий Волков и Владимир Акулов из Харьковского физико-технического института. В 1973 году суперсимметричное объяснение системы элементарных частиц и взаимодейский предложили австриец физик Юлиус Весс и итальянец физик Бруно Зумино.
Частицы в Минимальной суперсимметричной стандартной модели (MSSM). Красным цветом отмечены фермионы, а синим и зеленым — бозоны Гипотеза о суперсимметрии утверждает, в частности, что, помимо известных нам трех пространственных измерений и времени, должны существовать еще несколько измерений, проявляющихся на квантовом уровне. Число таких квантовых измерений не меньше четырех. Так называемая «минимальная суперсимметричная Стандартная модель» (MSSM) требует также существования суперсиметричных двойников всех кварков и лептонов. Названия этих гипотетических частиц образуются с помощью прибавления с- к названиям существующих: скварки и слептоны, соответственно двойник электрона будет называть сэлектрон, двойник мюона – смюон и так далее. Для бозонов тоже должны существовать суперсимметричные пары: у глюонов – глюино, у фотонов – фотино, у W- и Z-бозонов – зино и вино. При этом суперсимметричные партнеры во всем идентичны частицам, за исключением спина. Если у бозонов со спин равен единицы, то у фотино, вино, зино и глюино спин 1/2. Лептонам и кваркам со спином 1/2 соответствуют слептоны и скварки со спином 0.
Один из теоретиков, внесших весомый вклад в развитие теории суперсимметрии, американец Эдвард Виттен пишет: «Суперсимметрия, если она имеет место и в природе, является частью квантовой структуры пространства и времени. В повседневной жизни мы измеряем пространство и время числами: «Сейчас 3 часа, высота десять метров», и так далее. Числа – классические понятия, известные человечеству задолго до квантовой механики открытой в начале 20-го века. Открытие квантовой механики изменило наше понимание почти всего в физике, но наш основной способ мышления о пространстве и времени не был затронут. Если природа суперсимметрична, то неизбежно радикальное изменение: будут выявлены квантовые измерения пространства и времени, не выражаемые обычными числами. Квантовые измерения проявятся в существовании новых элементарных частиц, которые будут рождаться на ускорителях и чье поведение будет описываться суперсимметричными законами».
С 1970-х годов опубликовано более сорока тысяч работ, предлагающих различные суперсимметричные модели. Однако пока ни одна из них не получила ни одного экспериментального подтверждения. Более того, масса обнаруженного недавно бозона Хиггса сильно отличается от той, которую ожидали бы увидеть согласно MSSM. Однако более сложные суперсимметричные модели пока не подтверждены и не опровергнуты.
В своей лекции и ответах на вопросы слушателей Михаил Шифман рассказал также о судьбе другой физической модели – теории струн, о гипотетических частица аксионах, о проблемах развития физики и социальных последствиях, которые может повлечь за собой подтверждение или неподтверждение гипотез физиков-теоретиков. Ознакомиться с этими вопросами можно из предлагаемой нами видеозаписи его выступления.
Смотрите также: Максим Руссо Лекция Павла Николаевича Пахлова «Симметрия и антиматерия»