Большой адронный коллайдер очень скоро снова заработает с удвоенной скоростью. Физики полагают, что столкновения частиц на околосветовых скоростях помогут раскрыть целый набор новых частиц, открывающих изнанку физики: суперсимметрию. В прошлый раз мы немного затронули эту тему, пришло время обсудить, что это за суперсимметрия и зачем она нам.

На данный момент главенствующей теорией физики элементарных частиц является Стандартная модель. Она отлично объясняет, как взаимодействуют основные строительные блоки материи, создавая Вселенную, которую мы видим вокруг.

Стандартная модель — лучшее описание, которое у нас есть, но оно далеко от совершенства.

Неполная теория

Стандартная модель образовалась в 1970-х годах. Это набор уравнений, который описывает, как все известные элементарные частицы взаимодействуют с четырьмя фундаментальными силами: сильным и слабым взаимодействием, электромагнетизмом и гравитацией.

«Есть некоторые вещи, которых Стандартная модель не может объяснить, — говорит физик Джордж Редлинджер из Брукхейвенской лаборатории, которая работает над экспериментом ATLAS на БАК. — Потому мы знаем, что это неполная теория».

Стандартная модель отлично связывает первые три из этих четырех фундаментальных сил, но не касается гравитации. Гравитация настолько слабая сила, что даже игрушечный магнит может ее побороть. Остальные три силы намного сильнее. Гравитация имеет крайне важное значение для физики, и ее поведение описывает общая теория относительности Эйнштейна.

Стандартная модель также не может объяснить присутствие таинственного вещества под названием темная материя, которое удерживает галактики вместе. И не может объяснить, почему во Вселенной намного больше материи, чем антиматерии, хотя должно быть равное количество.

Суперсимметрия — это расширение Стандартной модели, которое могло бы помочь заполнить некоторые из этих недостатков. Она прогнозирует, что каждая частица в Стандартной модели может обладать пока не обнаруженным партнером. Это касается даже знакомых нам частиц вроде электронов. Суперсимметрия предсказывает, что у электронов есть партнеры «селектроны», у фотонов — «фотино» и так далее.

Вот все пробелы в физике, которые может исправить суперсимметрия.

Суперсимметрия может объяснить, почему бозон Хиггса такой легкий

Несмотря на то, что Стандартная модель предсказала существование бозона Хиггса, его обнаружение проделало еще одну трещину в теории. Хиггс, который физики наблюдали на БАК в 2012 году, намного легче, чем ожидалось. Стандартная модель предсказывает, что бозон Хиггса в триллионы раз тяжелее, чем тот, что наблюдали физики во время первого запуска БАК, как говорит Дон Линкольн, физик из Лаборатории Ферми.

Будучи частицей, которая дает массу другим частицам, Хиггс должен быть очень тяжелым, поскольку взаимодействует с огромным числом частиц. Частицы-партнеры, предсказываемые суперсимметрией, могли бы поправить это. Если они существуют, эти дополнительные частицы отменяли бы вклад партнеров в массу Хиггса. Потому бозон Хиггса был бы легким, как мы его и наблюдали.

Это естественное объяснение куда более желательно, чем внесение корректировок в существующую Стандартную модель. Когда вы вынуждены править теории, объясняющие то, что вы в действительности наблюдаете, это знак того, что «вы на самом деле не знаете, что делаете», говорит Линкольн, а эта теория, по всей видимости, неправильная или неполная.

Частицы Стандартной модели во внутреннем круге; суперсимметричные партнеры — во внешнем

Суперсимметрия может объяснить темную материю

Темная материя невидима и до сих пор не обнаружена, но тем не менее на нее приходится до 27% всей материи во вселенной.

Самые легкие суперсимметричные частицы, предсказываемые в рамках теории, могут быть неуловимыми частицами темной материи, на которые охотятся физики десятилетиями. Суперсимметрия предсказывает, что у этой частицы будет нейтральный заряд и она едва ли будет взаимодействовать с любой другой частицей. Примерно такое описание физики ждут от частиц темной материи.

Темная материя невидима, поэтому частицы, из которых она состоит, должны быть нейтральными, иначе будут рассеивать свет и станут видимыми. Эти частицы также ни с чем не взаимодействуют, иначе мы бы их уже обнаружили.

Суперсимметрия указала бы в направлении универсальной теории в физике

Главная цель физики — постоянно конденсировать наше понимание вселенной все более простыми терминами.

К примеру, теперь мы понимаем, что гравитация, которая привела к падению яблока на голову Ньютона, — это та же гравитация, которая управляет планетами и звездами. И теперь мы знаем, что законы электричества и законы магнетизма — просто два закона, которые определяют единую фундаментальную силу электромагнетизма.

Если суперсимметричные частицы включены в Стандартную модель, они бы тесно связали три из четырех фундаментальных сил, которые описываются Стандартной моделью: электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие. Суперсимметрия будет означать, что все эти три силы будут обладать одной и той же силой на очень высоких энергетических уровнях.

Многомерное пространство Калаби-Яу

В частности, суперсимметрия может укрепить теорию струн. Суперсимметрия часто описывается как трамплин для теории струн — чтобы она стала возможной, необходима некоторая версия суперсимметрии.

Теория струн остается одним из ведущих кандидатов на «теорию всего», которая объединит всю физику. Тем не менее проверить ее экспериментально чрезвычайно трудно.

«Энергия структур, с которыми имеет дело теория струн, настолько высока, что мы, вероятно, никогда не воспроизведем ее в лаборатории», — говорит Стивен Вайнберг.

Тем не менее открытие суперсимметрии по крайней мере даст апологетам теории струн знать, что они идут в правильном направлении.

Как разлетаются бозоны

Физики думают, что мы найдем доказательства суперсимметрии?

Несмотря на десятилетия поисков, никто не нашел никаких доказательств суперсимметрии. Впрочем, великие теории открывались не за два-три года. К примеру, почти полвека понадобилось на то, чтобы открыть бозон Хиггса с момента теоретического предположения его существования. Потому, хотя мы и не видим доказательств суперсимметрии, эта теория остается очень мощной.

«Это настолько прекрасная идея, что она обязана быть правильной», — говорит Редлинджер.

Тем не менее Вселенной абсолютно все равно, насколько идеальными наши теории ни казались бы, говорит Линкольн. Многие физики говорят, что мы должны были найти доказательства суперсимметричных частиц уже в первый запуск БАК, поэтому теория вполне может быть не ахти.

Но только потому, что мы не видели каких-либо суперсимметричных частиц, еще не означает, что их нет. Может быть, есть что-то в том, как суперсимметрия проявляется, чего мы пока не понимаем. Может, нужен более мощный коллайдер, чтобы частицы-суперпартнеры проявили себя.

Мы не узнаем этого, пока БАК не заработает. Обновленный ускоритель частиц будет работать на 60% сильнее, чем раньше, перейдет от 360 миллионов столкновений в секунду до 700 миллионов столкновений в секунду. Если суперсимметрия была вне досягаемости по уровню энергии во время последнего запуска, данные этого года могут быть совершенно неописуемыми.

Конечно, мы можем ничего и не найти. Но это тоже пойдет нам на пользу.

Если суперсимметрия ошибочна, это откроет дверь к новому набору теорий. Также появится больше доверия к другим теориям, вроде идеи о мультивселенной, к которой никогда не было особого доверия. Ждем запуска.