• Виртуальные частицы — это частицы, имеющие те же заряды, что и реальные физические частицы, но с энергиями которых не все в порядке.
• Виртуальные частицы существуют лишь очень короткое время; они постоянно одалживают энергию у вакуума — состояния Вселенной без частиц.
• Квантовые вклады в физические процессы возникают от виртуальных частиц, взаимодействующих с реальными частицами. Эти вклады от виртуальных частиц влияют на взаимодействия реальных частиц за счет рождения и уничтожения, и действуют как посредники между реальными частицами.
• Анархический принцип утверждает, что при рассмотрении свойств частиц всегда должны учитываться квантовые вклады.
• В единой теории единственное взаимодействие при больших энергиях превращается в три известных негравитационных взаимодействия при низких энергиях. Чтобы три взаимодействия объединились, они должны иметь при высоких энергиях одну общую интенсивность.
Глава 12
Проблема иерархии: единственная эффективная «теория просачивания»
The highway is for gamblers, better use your sense.
Take what you have gathered from coincidence.
Bob Dylan[122]
Бесславный конец настиг Икара Рашмора III, врезавшегося на своем великолепном новом порше в фонарный столб. Тем не менее он был счастлив на небесах, так как мог все время играть в разные игры. В глубине души он был игроком.
Однажды сам Господь пригласил Икара поучаствовать в довольно странной игре. Бог предложил ему написать шестнадцатизначное число. Бог будет метать божественную икосаэдрическую игральную кость. В противоположность обычной кубической игральной кости с шестью гранями, у этой число граней было равно двадцати, и на гранях были нанесены по два раза цифры от 0 до 9. Бог пояснил, что Он будет шестнадцать раз метать кость, и строить шестнадцатизначное число, записывая один за другим результаты бросания. Если Бог и Икар придут к одному и тому же огромному числу, т. е. если все его цифры выпадут в правильном порядке, Бог выиграл. Если цифры не будут точно такими же, т. е. если хотя бы одна цифра не совпадет, то выиграл Икар.
Бог начал метать, первой выпала грань с цифрой 4. Это совпадало с первой цифрой числа, загаданного Икаром: 4715 031495526312. Икар удивился тому, что Бог метнул правильно, так как шансы были один к десяти. Тем не менее он был совершенно уверен, что вторая или третья цифры будут неправильными; шансы на то, что Бог выбросит последовательно обе правильные цифры, были лишь один к ста.
Бог метнул кость второй и третий раз. Он выбросил цифры 7 и 1, которые также были правильными. Бог продолжал метать кость до тех пор, пока не выбросил в правильном порядке все шестнадцать цифр. Икар был потрясен. Шансы этого события составляли всего 1 к 10 000 000 000 000 000. Как Богу удалось выиграть?
Икар немного рассердился (никто не может сильно сердиться на Небесах) и спросил, как могло произойти столь смехотворно невероятное событие. Бог глубокомысленно ответил: «Я — единственный, кто мог надеяться на выигрыш, так как Я всеведущ и всесилен. Однако ты должен был слышать, что я не люблю играть в кости».
И вместе с этими словами на облаке возникла надпись «ИГРЫ ЗАПРЕЩЕНЫ». Икар пришел в ярость (конечно, немножко). Он не просто проиграл, он проиграл само право играть.
Надеюсь, что к этому моменту вы уже довольно много узнали о физике частиц и ряде красивых теоретических идей, с помощью которых физики построили Стандартную модель. Эта модель превосходно объясняет множество разных экспериментальных результатов. Однако она покоится на неустойчивом основании, содержащем глубокую и важную загадку, одну из тех, решение которых приводит к новому проникновению в фундаментальную структуру материи. В этой главе мы исследуем эту загадку, известную среди физиков-частичников как проблема иерархии.
Проблема не в том, что предсказания Стандартной модели не согласуются с экспериментальными результатами. Массы и заряды, связанные с электромагнитными, слабыми и сильными взаимодействиями, были проверены с невероятной точностью. Эксперименты на коллайдерах в ЦЕРНе, SLAC и Фермилабе с исключительной точностью подтвердили предсказания Стандартной модели для взаимодействий и вероятностей распада известных частиц. И интенсивности взаимодействий в Стандартной модели тоже уже не являются загадкой. В действительности, их взаимосвязь друг с другом дает подсказки и лежит в основе идеи о теории Великого объединения. Наконец, механизм Хиггса превосходно объясняет, каким образом вакуум нарушает электрослабую симметрию и придает массы калибровочным бозонам W и Z, а также кваркам и лептонам.
Однако, если приглядеться более внимательно, то даже в самых идеальных семьях могут обнаружиться подводные течения и скрытые трения. Несмотря на безупречные манеры и счастливый вид, ее подспудно может разъедать разрушительный секрет. У Стандартной модели как раз есть такой скелет в шкафу. Если вы некритично предположите, что интенсивности электромагнитного и слабого взаимодействий, а также массы калибровочных бозонов принимают те значения, которые измерены на опыте, то все результаты будут согласовываться с предсказаниями. Но, как мы скоро увидим, несмотря на то что массовый параметр (масштаб массы слабых взаимодействий, определяющий массы элементарных частиц) очень хорошо измерен, его значение в десять миллионов миллиардов раз (на шестнадцать порядков величины) меньше, чем та масса, которую физики ожидали бы получить из общих теоретических соображений. Любой физик, который попытался бы предугадать значение масштаба массы слабых взаимодействий, основываясь на теории высоких энергий, получил бы совершенно неверное значение этого параметра (и, следовательно, всех масс частиц). Кажется, что масса возникает из тумана. Эта загадка — проблема иерархии — представляет зияющий провал в нашем понимании физики частиц.
Во Введении я ставила проблему иерархии как вопрос о том, почему так слабо тяготение, но сейчас мы увидим, что эту проблему можно переформулировать как вопрос о том, почему так мала масса хиггсовской частицы и, следовательно, массы слабых калибровочных бозонов. Для того чтобы эти массы приняли свои измеряемые на опыте значения, Стандартная модель должна на полном серьезе включать такую чепуху, как игру в кости на правильное угадывание шестнадцатизначного числа. Несмотря на многочисленные достижения, для объяснения масс известных элементарных частиц Стандартной модели приходится прибегать к такой отъявленной подтасовке.
В этой главе мы объясняем саму проблему и то, почему я и большинство других теоретиков-частичников считаем ее столь важной. Как следует из проблемы иерархии, что бы ни было ответственно за нарушение электрослабой симметрии, это значительно интереснее, чем представленный в гл. 10 пример с двумя хиггсовскими полями. Все возможные решения проблемы включают новые физические принципы, и очень похоже, что решение приведет физиков к открытию новых фундаментальных частиц и законов. Установление того, что играет роль хиггсовского поля и нарушает электрослабую симметрию, откроет один из самых богатых разделов новой физики из всех, которые нам удавалось поймать. Почти наверняка новые физические явления проявятся при энергии порядка 1 ТэВ. Экспериментальные проверки конкурирующих гипотез не за горами, так что лет через десять произойдет драматический пересмотр нашего понимания фундаментальных физических законов, включая те, которые будут к тому времени открыты.
Проблема иерархии говорит нам, что перед экстраполяцией физики в область сверхвысоких энергий мы должны внимательно рассмотреть по крайней мере одну неотложную проблему при низкой энергии. В течение последних тридцати лет или около того теоретики-частичники занимались поисками структуры, предсказывающей и защищающей масштаб энергии слабых взаимодействий — сравнительно низкую энергию, при которой происходит нарушение электрослабой симметрии. И я, и другие ученые полагают, что должно существовать решение проблемы иерархии, которое обеспечит одну из лучших путеводных нитей к тому, что лежит за пределами Стандартной модели. Чтобы понять мотивацию тех теорий, которые я сейчас представлю, полезно кое-что знать об этой несколько технической, но очень важной проблеме. Поиск ее решения уже привел нас к исследованию новых физических понятий, которые используются в следующих главах, и решение почти наверняка приведет к пересмотру наших теперешних взглядов.
Прежде чем рассмотреть самую общую версию проблемы иерархии, рассмотрим сначала эту проблему в контексте теории Великого объединения, в рамках которой проблема была впервые сформулирована и где ее несколько проще понять. Затем мы посмотрим на проблему в максимально широком (и всеохватывающем) контексте и увидим, почему она в конце концов сводится к слабости гравитации по сравнению со всеми другими известными взаимодействиями.
