И так, что же позволяет верить в существование частиц суперпартнёров?

Доводы в пользу суперсимметрии — до появления теории струн

Первая причина чисто эстетическая. Поскольку в математических образах суперсимметрия существует, то хотелось бы, чтобы она существовала объективно в природе.

Вторая причина в основном математическая. Чтобы описывать природу формулами надо сгладить предполагаемые флуктуации микромира. Суперпартнёры позволяют это сделать. Ученые полагают, что каждой частице группы фермионов (таблицы 1.1 и 1.2) соответствует частица группы бозонов. Как уже раструбили на весь мир, один из бозонов почти нашли по анализам работы коллайдера. А суперпартнёры чем хороши, они флуктуируют как раз в противоположном направлении основных частиц. Если фермион пытается увеличить энергию в данной точке пространства-времени, то бозон тут же, синхронно или близко к этому, пытается уменьшить эту энергию.  И что примечательно, хотя суперпартнёры во много раз больше по энергии от основных частиц, они создают величину флуктуации, аккурат, равную, но противоположную по знаку флуктуацию. Теперь не нужно тонко регулировать параметры обычной стандартной модели. А вы думали, что чудес не бывает.

Третье косвенное доказательство в пользу суперсимметрии связано с понятием великого объединения.

А тут начинаются чудеса из чудес. Дело в том, что все четыре взаимодействия (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное) очень сильно различаются величиной интенсивности взаимодействия. Великое объединение, в математическом смысле, можно получить, если доказать, (математически выразить), что данные взаимодействия, которые мы объединяем, имеют один исток, то есть в определенной точке они совпадают по интенсивности взаимодействия. Но как их свести в одну точку, если их интенсивности различные? Очень просто. Надо показать, что при приближении к этой точке интенсивность меньшего взаимодействия увеличивается, а интенсивность большего взаимодействия уменьшается. Люди за это Нобелевскую премию получили.

Следуя удостоенной Нобелевской премии пионерской работе Глэшоу, Салама и Вайнберга, установившей глубокую связь между электромагнитным и слабым взаимодействием (см. главу 5), Глэшоу и его коллега по Гарвардскому университету Говард Джорджи предположили, что подобную связь можно протянуть и к сильному взаимодействию.

Электромагнитное и слабое взаимодействия выкристаллизовались из более симметричного состояния, когда температура Вселенной упала примерно до миллиона миллиардов градусов выше абсолютного нуля (10¹⁵ K). Джорджи и Глэшоу показали, что объединение с сильным взаимодействием становится очевидным только при температуре, которая ещё в десять триллионов раз выше, примерно при десяти миллиардах миллиардов миллиардов миллиардов градусов выше абсолютного нуля (при 10²⁸ K).

Вот запомните эти величины температур: 10¹⁵ K и 10²⁸ K. И объединение с сильным взаимодействием чего? Наверное, обоих других взаимодействий. Значит, объединенные электромагнитное и слабое взаимодействия при температуре 10¹⁵ K, должны выдерживать это объединение, как минимум до температуры 10²⁸ K. И уже с этой температуры начнется полноценное объединение.

Действительно при таких температурах все вещество разлагается на мельчайшие частицы, из которых потом собираются электроны, протоны и все остальное. Это исток. Описав поведение этих частиц можно при определенных параметрах получить то или иное взаимодействие. Данная модель –  чисто математическая модель объединения.

Но есть и другая модель объединения, зависящая от пространственных параметров взаимодействий.

Следующая работа, выполненная Джорджи, Хелен Куинн и Вайнбергом в 1974 г. в Гарварде, с ещё большей очевидностью показала возможность объединения негравитационных взаимодействий в рамках теории великого объединения.

Как видите, и к этой модели Джорджи приложил руку. Смысл данной модели заключается в том, что взаимодействия начинают вести себя одинаково, если взаимодействующие элементы оказываются на определенном расстоянии. Но как получить одинаковые интенсивности взаимодействий при какой-нибудь одинаковой величине расстояний между взаимодействующими элементами? Надо чтобы менее интенсивные взаимодействия увеличивали свою интенсивность, а сильные уменьшали свою интенсивность, тогда графики кривых интенсивности пересекутся в определенной точке расстояния.

Менее интенсивным взаимодействием является электромагнитное излучение. Взаимодействие зарядов описывается формулой Кулона. А из нее следует, что с уменьшением расстояния между зарядами сила взаимодействия, например, притяжения, возрастает (расстояние входит в знаменатель формулы). В числитель формулы входят величины зарядов частиц. Но как показали Джорджи, Хелен Куинн и Вайнберг это не истинные величины зарядов частиц, а частично ослабленные величины зарядов. По расчетам данных ученых между зарядами существует некоторый экран в виде “тумана” из электронно-позитронных пар.

Некоторое время назад физики осознали, что этот кипящий туман микроскопических флуктуаций маскирует истинную напряжённость поля, создаваемого электроном, подобно тому, как туман в природе ослабляет луч маяка. По мере того, как мы приближаемся к электрону, мы проникаем всё глубже в обволакивающий его туман, состоящий из частиц и античастиц, и поэтому такой туман будет оказывать меньшее влияние на наши наблюдения. Из этого следует, что по мере приближения к электрону напряжённость создаваемого им электрического поля будет возрастать.

Вот вы видите физику возрастания заряда частиц, а, следовательно, и возрастания взаимодействия. А теперь давайте спросим этих ученых: является ли взаимодействие электрона и протона в атоме водорода электромагнитным или нет? Или, может быть, они вовсе не взаимодействуют в атоме, как это не явным образом следует у Бора? Летает электрон вокруг ядра ничего не выдавая и не получая и летает. И летает потому, что он всегда летает. Или они, может быть, взаимодействуют как-то вероятностно как у Шредингера? Но если в атоме взаимодействие все-таки электромагнитное, то, как наш электрон, может взаимодействовать, через скопище электронов и позитронов в виде тумана, с протоном? Интересно, как этот туман представляет себе человек, придумавший это. Электроны в тумане такие же, как в атоме или это другие какие-то маленькие электрончики и позитрончики? Отличаются чем-то атомные электроны от туманных электронов? Как ведет себя рожденная пара? Они разлетаются или сохраняют между собой непрерывный контакт? А вне атома есть туман или нет? И что этот туман уменьшается к протону или остается таким же? Тогда это просто эфирная среда и о вакууме надо забыть. В общем, это действительно “туман”. Так дело обстоит с возрастанием интенсивности электромагнитного взаимодействия. А что с другими взаимодействиями?

И тут нам очень повезло. Оказывается, что интенсивность слабого и сильного взаимодействий с уменьшением расстояний ведут себя ровно противоположно электромагнитному взаимодействию. Их интенсивность убывает и главное убывает то же благодаря уменьшению некого подобия тумана. Вот что написано в Википедии:

Следующим важнейшим свойством КХД  является антиэкранировка заряда. Групповые свойства SU(3) приводят к тому, что константа связи сильного взаимодействия αs уменьшается с уменьшением расстояния между кварками и растёт при удалении кварков друг от друга.

Здесь вместо электронно-позитронных пар в роли тумана выступают групповые свойства SU(3). Есть ли что-нибудь физическое, чтобы оно соответствовало этому SU(3), не известно. Но это SU(3) обладает чудным свойством: если у вас есть что-нибудь постоянное, то подействуйте на него свойствами SU(3) и оно изменится. Может быть, это магическое свойство способно изменить скорость света в вакууме. Для нас в данном случае важно то, что с уменьшением расстояния константа связи уменьшается, а, следовательно, уменьшается интенсивность сильного взаимодействия. А в это же время интенсивность электромагнитного взаимодействия возрастает и их графики неминуемо пересекутся. А что со слабым взаимодействием?

В 1973 г. Гросс и Фрэнк Вильчек из Принстона и независимо от них Дэвид Политцер из Гарварда исследовали этот вопрос и получили удивительный результат. Квантовое облако, состоящее из рождающихся и аннигилирующих частиц, увеличивает интенсивность сильного и слабого взаимодействия. Это означает, что когда мы исследуем эти взаимодействия на более близких расстояниях, мы проникаем глубже в кипящее облако квантовых флуктуаций, и, следовательно, увеличение интенсивности ощущается менее заметно. Таким образом, интенсивность этих видов взаимодействия уменьшается при уменьшении расстояния, на котором мы их исследуем.

Как видите, здесь говорится о квантовом облаке из рождающихся и аннигилирующих частиц. Возможно, что это не электроны и позитроны, а глюоны и их суперпартнеры или еще что-нибудь, что ближе к SU(3), чтобы не было разночтения.

В результате ученые получили такую картинку.

На графике все три интенсивности слились, как будь то, в одну точку.

Джорджи, Куинн и Вайнберг …показали, что если аккуратно учесть влияние всех этих квантовых флуктуаций, то мы увидим, что интенсивности всех трёх негравитационных взаимодействий станутсближаться … интенсивности всех трёх негравитационных взаимодействий окажутся одинаковыми.

И еще важным оказалось то, что таким расстояниям присущи как раз температуры около 10²⁸ K. Сначала получили точное совпадение всего, что требовалось. Но более точные расчеты показали, что это не так:

В 1991 г. Уго Амальди из ЦЕРНа, Вим де Боер и Герман Фюрстенау из университета Карлсруэ в Германии пересчитали результаты Джорджи, Куинн и Вайнберга с использованием новых экспериментальных данных и продемонстрировали два замечательных факта. Во-первых, интенсивность трёх негравитационных взаимодействий почти (но не абсолютно) одинакова в масштабе малых расстояний (соответственно, высоких энергий и высоких температур), как показано на рис. 7.2. Во-вторых, это незначительное, но несомненное различие в интенсивности исчезает при включении суперсимметрии.

Увеличенная точка пересечения показывает, что  все-таки три взаимодействия чуть-чуть не совпадают. Почти совпадают, но не абсолютно, то есть не совсем совпадают. А что это значит? То, что на данной модели можно ставить крест. Если кривые в данной точке не совпадают, то они не совпадают и при меньших расстояниях. Из рисунка в кружочке видно, что дальше эти кривые будут только расходиться. И если суперсимметрией внутренность треугольника можно еще как-то затушевать, чтобы получить точку, то дальше расхождение интенсивностей суперсимметрией не убрать. Придется изобретать анти туман, который бы загибал кривые в противоположных направлениях.

И еще важным следствием данных математических расчетов является:

Расчёты, подтвердившие равенство интенсивности взаимодействий, а также ряд других исследований, выполненных физиками, показали, что частицы-суперпартнёры должны быть намного тяжелее, чем все открытые до сих пор частицы. Хотя точный прогноз дать пока невозможно, проведённые исследования показывают, что частицы-суперпартнёры должны быть как минимум в тысячу раз тяжелее протона. Это объясняет, почему такие частицы до сих пор не обнаружены: даже самые современные ускорители не способны развивать такие энергии.

Очень бы хотелось знать, почему это суперпартнёры много тяжелее протона? Они по объему в тысячу раз и более, больше протона? Или материал, из которого состоят суперпартнёры тяжелее материалов, из которых состоят известные нам частицы?  Если суперпартнер протона в тысячу раз его больше, то его можно через какую-нибудь кристаллическую решетку отсеять от протона как через сито. Американцы в Манхэттенском проекте при разработке первой атомной бомбы пытались отделить атомы урана от более мелких атомов породы путем ее просеивания. Не знаю, что у них получилось.  В нашем случае возле каждого протона обязан быть его суперпартнёр ибо некому будет нивелировать флуктуации протона. Протон будет менять свой импульс и координату произвольно и эту вольницу никто не сможет укротить кроме суперпартнёра. Конечно, в этом случае может помочь Фейнман и разрушить мой опыт. Поскольку у Фейнмана все может двигаться по всевозможным траекториям, то можно сказать: пока протон пробирался через кристаллическую решетку его суперпартнёр облетел кристалл и вновь оказался рядом с протоном. Эта версия о суперпартнёрах не очень привлекательна.

Более привлекательно кажется модель с более тяжелым материалом. Каждая частица – это струна с определенным напряжением и частотой. Возможно, что варьируя этими параметрами можно получить частицы одинаковых размеров и различной массы. Математики смогут подогнать задачу к ответу.

И так доводы в пользу суперсимметрии.

-суперсимметрия придаёт нашим теориям наиболее симметричный вид 

-суперсимметрия избавляет нас от необходимости детальной подгонки параметров стандартной модели для преодоления ряда тонких проблем в квантовой теории

-на ничтожно малых расстояниях суперсимметрия изменяет интенсивность трёх негравитационных взаимодействий в точности так, чтобы они могли слиться в одно великое объединённое взаимодействие

Все эти доводы спорные, но есть еще одно в пользу суперсимметрии:

Однако доводы, говорящие в пользу суперсимметрии, необычайно усиливаются, если мы рассмотрим её роль в теории струн.

Суперсимметрия в теории струн

Какую же роль играет суперсимметрия в теории струн? В начале теория струн называлась теорией бозонных струн. Как мы видели выше, каждой струне соответствует определенная мода колебаний.

Слово бозонная указывает на то, что все моды колебаний бозонной струны обладали целочисленным спином: в этой теории не было фермионных мод, т. е. мод, спин которых отличался бы от целого числа на половину единицы.

А это не порядок. Чтобы теория была всеобъемлющей, надо в нее включить фермионные моды. Кроме того в теории бозонных струн существует мода с отрицательной массой. Эту моду назвали тахионом. Ученые понимали, что это несуразица, но избавиться от нее никак не могли.

В 1971 г. Пьер Рамон из университета штата Флорида принял вызов и модифицировал теорию бозонных струн, включив в неё фермионные моды колебаний. Его работа и результаты, полученные позднее Шварцем и Андре Невье, положили начало новой версии теории струн.

…в эту новую теорию бозонные и фермионные моды колебаний входили парами.

А это не что иное, как суперсиммерия. Так теория струн подтвердила наличие суперсимметрии. Кроме того оказалось, чтосуперсимметричная теория струн — теория суперструн не может содержать тахион.

И еще одним важным свойством теории струн является:

Теория струн представляет собой единственный известный нам способ объединения общей теории относительности и квантовой механики.

Но снова возникла новая проблема.

Суперпроблема изобилия

Пьер Рамон ввел в теорию струн фермионные моды в дополнение к бозонным модам, но не один он оказался умником.

… к 1985 г. физики осознали, что суперсимметрия, являющаяся центральным звеном теории струн, на самом деле может быть включена в неё не одним, а пятью различными способами.

И получилось пять видов одной и той же теории:

теория струн типа I, теория струн типа IIA, теория струн типа IIB, теория гетеротических струн O(32) (произносится «о тридцать два»), а также теория гетеротических струн E8 × E8 (произносится «е восемь на е восемь»).

А это как вы понимаете различные формулы, различные доказательства. А если об одном и том же пять рассказов, то кому верить? Ясно, что в объективном мире истина может быть только одна, а ложных утверждений может быть сколько угодно. А в мире математики истинных и ложных утверждений по одному и тому же явлению может быть несколько.

Как можно описать получение числа 12 в математическом мире?

1. Сложением: 1+1+1…=12, или 2+7+3=12 и т.д.
2. Умножением: 2*6=12, 3*4=12, 12*1=12 и т.д.
3. Делением: 24:2=12, 48:4=12 и т.д.
4. Извлечением корня: корень квадратный из 144 равен 12, корень кубический из 1728 равен 12 и т.д.
5. Тригонометрической функцией: tg(kπx) при соответствующем значении x будет равен 12. k=1,2,3…

Можно придумать еще другие примеры описания получения данного числа.

Все эти описания истинны в математическом мире.

Но как получить 12 яблок, квартир, шляп или других реалий? Только и только путем сложения или, что одно и то же, вычитанием. В природе существует только и только оператор сложения. Оператора умножения в природе объективно не существует. Нет такой корзинки или мешка, чтобы положив в него 2 яблока, затем доложив еще 6 яблок вынуть из мешка 12 яблок. Так что для этого явления, получение 12 яблок, существует только одна истина.

Точно такая ситуация складывается и с пятью представления теории струн. Возможно, что кто-нибудь представит 6 модель объединения бозонных и фермионных мод в одной теории всего.

Как мы увидим дальше, все 5 моделей струн описывают одно и то же, как и все 5 моделей описывают число 12. Среди описаний числа 12 есть реальная модель, это первая модель сложения. Остальные модели в природе ничего не описывают. А вот есть ли среди моделей теории струн хоть одна описывающая какой-нибудь реально существующий объект? Пока что струна представлена как одномерный объект.

Стандартная модель основывалась на точечной модели частиц и естественно заполнить пространство она никак не могла. В теории струн появился одномерный объект, но им тоже нельзя заполнить трехмерное пространство. И это проблема.

Дальше посмотрим, что же надо понять, что 5 моделей теории струн представляют одно и то же.