За пределами Стандартной модели: суперсимметрия и суперпартнеры

Беседа Бориса Штерна с директором Лаборатории теоретической физики ОИЯИ (Дубна), членом-корреспондентом РАН Дмитрием Казаковым. Видеозапись: youtu.be/YJhtPBtj9IU

flickr.com/photos/65720474@N03/8407247429
flickr.com/photos/65720474@N03/8407247429
Борис Штерн
Борис Штерн
Дмитрий Казаков (theor.jinr.ru/~kazakovd/)
Дмитрий Казаков (theor.jinr.ru/~kazakovd/)

— Сегодня в гостях у «Троицкого варианта» Дмитрий Казаков, докт. физ.-мат. наук, чл.- корр. РАН, директор Лаборатории теоретической физики ОИЯИ. Мы продолжим беседу, которую начали с Валерием Рубаковым в январе этого года1. Речь шла о Стандартной модели фундаментальных взаимодействий: она объясняет не всё, есть какие-то «висячие концы». Ее нужно дополнять, и сейчас мы поговорим о том, как это можно сделать. Ранее мы вскользь упомянули о суперсимметрии — о новом типе частиц, которые ищут на Большом адронном коллайдере. Мы с Дмитрием попробуем развить эту тему. Первый вопрос: что такое суперсимметрия и почему понадобилось ввести это понятие?

— Стандартная модель фундаментальных взаимодействий — теория, основанная на симметрии. Существует два типа симметрии: пространственно-временная (ее еще называют группой Лоренца) и группа внутренней симметрии (калибровочная симметрия и т. д.). Когда обсуждают выход за рамки Стандартной модели, то говорят о выходе по обеим группам. Январская беседа с Валерием Рубаковым затронула калибровочную группу — теорию Великого объединения — объединение трех теорий в одну, распад протона… Теперь же давайте поговорим о пространственно-временной группе симметрии, включающей в себя специальную теорию относительности, которой подчиняются Стандартная модель и квантовая теория поля. Сразу интересный вопрос: нельзя ли как-то еще расширить эту группу? Согласно инвариантности относительно преобразования группы Лоренца, все частицы попадают в так называемые представления этой группы. В ней есть сохраняющаяся величина — спин, собственный угловой момент частицы. У всех частиц есть фиксированный спин, равный либо нулю, либо ½, либо 1, либо 2, как у гравитона. Соответственно, разные частицы находятся в разных представлениях по отношению к группе Лоренца. Группа говорит нам, что эти спины никак не перемешиваются — в представления всегда попадают частицы одного спина. С другой стороны, частиц много, спины у них разные. Мы пытаемся понять, сколько в природе кварков, лептонов, хиггсовских бозонов, и связываем одни частицы с другими. Так возникла, возможно, странная идея: а не поискать ли нам группу, связывающую частицы с разными спинами? Если поставить этот вопрос чисто математически и попробовать расширить группу Лоренца так, чтобы в представления попали частицы с разными спинами, то у нас ничего не получится. Группа Лоренца представляет собой непрерывную группу Ли, а в ней есть математическая теорема, запрещающая такие расширения алгебры. Казалось бы, вопрос закрыт, но не тут-то было: в доказательстве теоремы есть одна лакуна. Мы привыкли к тому, что строим представления группы Лоренца на основе алгебры с коммутаторами: преобразования пространственно-временной группы коммутируют между собой. Математики же говорят, что есть еще градуированные алгебры — это когда наряду с коммутаторами существуют и антикоммутаторы.

С антикоммутаторами мы имеем дело издавна. Посмотрим хотя бы, как мы описываем электрон в квантовой теории поля: мы строим операторы рождения, уничтожения… Для фермионов — частиц с полуцелым значением спина — эти самые операторы всегда антикоммутируют. Тут-то и появляется уникальная математическая возможность расширить группу Лоренца, включив в алгебру антикоммутаторы наравне с коммутаторами. Так в представления попадут частицы с разными спинами.

Если мы возьмем стандартную группу Лоренца и посмотрим на ее представления, то там будут или одни бозоны, или одни фермионы, не перемешиваясь. Частицы со спином 0 будут образовывать одну группу, со спином ½ — другую, но между собой они не будут связаны. А если мы разрешим преобразование, которое включает в себя и коммутаторы, и антикоммутаторы, то получим семейство, где бозонные и фермионные поля будут уживаться друг с другом, попав в одно представление. Под действием новых преобразований они будут переходить друг в друга. Вот так устроено расширение группы Лоренца.

Это нужно для того, чтобы мы могли связать число бозонов и фермионов, кварков и бозонов Хиггса, калибровочный полей и полей материи. Расширения пространственно-временной симметрии на новые преобразования получили название суперсимметрии. Ее предложили в конце 1960-х годов, но почему-то эта теория удостоилась внимания только спустя десяток лет, когда в теории квантового поля и теории струн случился всплеск интереса к суперсимметрии.

— Назрел обывательский вопрос. У частиц статистика разная: бозоны могут находиться в одном и том же состоянии, фермионы же не могут. Казалось бы, вот она, мощнейшая физическая разница. Как так получается, что мы с помощью математических трюков пытаемся объединить частицы? В голове не укладывается…

— Согласен, что идея объединения частиц самой разной природы действительно в какой-то степени дикая. Тем не менее оказывается, что по отношению к некоторым свойствам разные частицы ведут себя одинаково. Помещая частицы с разными спинами в один мультиплет, мы можем построить замкнутый набор, который, возможно, объясняет количество этих частиц в природе. Приведу аналогию: если говорить о расширении группы внутренней симметрии — о теории Великого объединения, — то там существует группа SO(10) — специальная ортогональная группа. В ней фермионным представлением является шестнадцатиплет. Оказывается, что все частицы Стандартной модели в одном поколении — кварки, лептоны, правые нейтрино — попадают в этот самый шестнадцатиплет: их ровно шестнадцать. Мы могли бы сказать: у нас есть кварки и лептоны — частицы, казалось бы, разной природы, но попадающие в теории Великого объединения в один мультиплет — и это позволяет нам сразу сказать, сколько у нас этих частиц. Из этой симметрии мы говорим: частиц в одинаковом состоянии у нас ровно шестнадцать.

Идея суперсимметрии состоит в том, что уже известным частицам разных масс могут соответствовать еще неоткрытые массивные частицы-суперпартнеры (внизу). Изображение: Nik Spencer/Nature (nature.com/articles/519142a)
Идея суперсимметрии состоит в том, что уже известным частицам разных масс могут соответствовать еще неоткрытые массивные частицы-суперпартнеры (внизу). Изображение: Nik Spencer/Nature (nature.com/articles/519142a)

В суперсимметрии происходит нечто подобное, только объединяем мы в этом случае не кварки с лептонами, а частицы с разным спином, преследуя цель создать замкнутые мультиплеты, включающие в себя все частицы в природе. Обнаружилось, что если эту суперсимметрию, как и все наши калибровочные симметрии, сделать локальной, т. е. зависимой от пространственно-временной точки, то мы получим теорию супергравитации. Огромный мультиплет будет содержать все частицы, включая гравитон, наши частицы, плюс вдобавок при таком раскладе предсказывается существование частицы со спином 3/2, получившей название гравитино. На основе симметрии мы пытаемся запихнуть все известные частицы в супермультиплет, который тем самым скажет нам, сколько таких частиц в природе существует.

— Мы добавили эту самую симметрию и получилась красивая замкнутая группа преобразований. Для красоты ввели некоторые частицы, получившие название «суперсимметричные партнеры». Можно ли проверить, существуют ли они на самом деле? Много говорилось о том, что их поиском занимаются на Большом адронном коллайдере. Как с этим обстоят дела, как их ищут?

— Вопрос правильный: если мы предсказываем некие частицы, то их надо найти, чтобы подтвердить, что наша гипотеза имеет отношение к реальности. Если мы затрагиваем тему суперсимметрии в этом контексте, то сразу надо сказать, что поместить все известные нам частицы — кварки, лептоны, калибровочные поля — в один мультиплет у нас не выйдет. Не получится потому, что частицы, попадающие в суперсимметричные мультиплеты, должны иметь одинаковые квантовые числа по отношению к Стандартной модели. Так, кварк с фотоном не смогут попасть в одну компанию, ведь у кварка электрический заряд есть, а у фотона нет. Если есть какая-то новая частица, которая, как мы говорим, является партнером наших частиц, то у нее должны быть такие же квантовые числа. Например, у партнера фотона спин должен составлять ½, но квантовые числа должны быть теми же самыми, начиная с отсутствия электрического заряда. Это справедливо по отношению и ко всем другим частицам: кварк и глюон не могут быть вместе в одном супермультиплете, ведь по цветной группе кварки — триплеты, а глюоны представляют собой октеты. Если составлять такие суперсимметричные мультиплеты, то придется использовать новые частицы и привлекать теорию, предсказывающую их существование, а также искать нужные частицы на ускорителях.

Кварки, спин 1/2 Скварки, спин 0
u d up down
s c strange charm
b t bottom top
sup sdown
sstrange scharm
Лептоны, спин 1/2 Слептоны, спин 0
e νe
µ νµ
τ ντ
selectron sneutrino
Электрослабые бозоны, спин 1 Cуперпартнеры, спин 1/2
W+ W Z g vino zino photino
глюоны, спин 1 глюино, спин 1/2
гравитон, спин 2 гравитино, спин 3/2
хиггсовские бозоны, спин 0 хиггсино, спин 1/2

Что про эти частицы нам известно? Прежде всего, из-за того, что они подчиняются суперсимметричной алгебре, мы знаем все их свойства и квантовые числа. Они должны совпадать с квантовыми числами известных нам частиц. Имеющиеся в Стандартной модели константы взаимодействия у суперсимметричных частиц (мы будем строить взаимодействия между этими частицами с помощью функции Лагранжа) будут точно такими же и для суперпартнеров. Более того, суперсимметрия говорит нам, что масса тоже должна совпадать с массой обычных частиц. Тут-то мы и вынуждены остановиться, ведь таких частиц в природе не наблюдается. У нас есть электрон, но нет частицы с теми же квантовыми числами, массой и спином, равным нулю или единице. Не подобрать в природе такой же частицы-партнера и фотону, и глюону, и кварку… Казалось бы, идея сама себя опровергает.

Но здесь нам на помощь приходит соображение, что симметрия может быть нарушена. В случае электрослабой симметрии мы с этим сталкивались: за счет вакуумного среднего хиггсовского поля симметрия спонтанно нарушается, и у частиц возникают массы. То же самое можно сделать с суперсимметрией: найти некие поля, имеющие вакуумные средние, которые спонтанно нарушат суперсимметрию. Тогда возникнут некие массовые члены, и массы в мультиплетах будут разными. Массы бозона и фермиона будут различаться. На основе таких механизмов пробовали построить феноменологическую схему, чтобы потом искать нужные частицы на коллайдере. К сожалению, оказалось, что предложенные механизмы (их было предложено два) не приводят к феноменологически приемлемой схеме. Массы получаются несколько «уродливыми». Тогда было решено пойти по более слабому пути: положим, суперсимметрия при некоторых энергиях каким-то образом нарушена — у суперпартнеров возникли массы, отличные от масс обычных частиц. Реально суперпартнеры должны быть тяжелее обычных частиц, ведь если они были бы легче, то мы видели бы их на коллайдерах: все их взаимодействия и константы нам хорошо известны из-за суперсимметрии. Тяжелее, но насколько? Теория не может ответить на этот вопрос.

Тогда предположим, что массы находятся в некой доступной современному эксперименту области. На Большой адронный коллайдер возлагались большие надежды в плане поиска этих частиц, так что предположим, что они имеют массы от 100 ГэВ до 1 ТэВ — этот промежуток доступен для измерения на БАК. Экспериментаторы занялись поиском таких частиц. Их квантовые числа, напомню, были известны, а процесс их распада и рождения можно описать с помощью диаграмм Фейнмана. Неизвестна только масса искомых частиц. Значит, нужно выбрать какие-то массы и вычислять для них вероятности интересующих нас процессов. В ход пошли программы вроде PYTHIA и методы Монте-Карло.

— Прошу прощения, немного вернемся назад: механизм, подобный механизму Хиггса, для суперсимметричных партнеров не работает, верно?

— Не то, чтобы не работает, но дает нереалистичный спектр масс. Из-за этого решили: в идеале надо искать другой механизм, но раз такого пока что нет, то давайте предположим, что какие-то массы попросту возникли.

Возвращаясь к поиску суперпартнеров. В ход пошел тот же метод, которым искали хиггсовский бозон: масса неизвестна, значит, будем шарить по пространству параметров и изучать возможные варианты. Изначально предполагалось, что слабо взаимодействующие частицы будут полегче — в районе нескольких сотен ГэВ, а сильновзаимодействующие достигнут 1 ТэВа. Также в суперсимметричных моделях увеличивается число бозонов Хиггса. Минимальный вариант представляет собой двухдублетную хиггсовскую модель с пятью бозонами Хиггса — их тоже искали, хотя масса их неизвестна. Надо, впрочем, сказать, что масса самого легкого хиггсовского бозона почти предсказывается в суперсимметричных теориях, составляя значение где-то в районе того, где и нашли хиггсовский бозон. Часто говорили, что бозон Хиггса, оказавшийся в районе 120 ГэВ, очень хорошо вписывается в суперсимметричную схему.

Так или иначе, суперсимметрия предсказывает существование и более тяжелых хиггсовских бозонов — скажем, в 500–700 ГэВ. Их, наряду с партнерами кварков, лептонов, калибровочными полями, исследователи искали на коллайдерах. К сожалению, ничего не нашли. Это привело, как всегда, к появлению соответствующих ограничений — до какой массы поиски не увенчались успехом. Для сильновзаимодействующих частиц это ограничение зашло примерно за 2 ТэВ, а для слабовзаимодействующих — от 400 ГэВ до 1 ТэВ.

— Как именно их искали? По распадам?

— Верно, предполагается определенная схема распада. Поскольку все взаимодействия нам известны, то предполагается, что при столкновениях протонов рождаются эти самые суперсимметричные частицы, причем разные. Дальше они начинают распадаться по известной схеме. Поскольку все эти частицы тяжелые, конечным пунктом их распада будет самая легкая суперсимметричная частица, которая распадаться дальше не может. Она защищена неким квантовым числом — это не стопроцентный запрет, но в большинстве самых простых моделей этот запрет довольно жесткий. Помимо этого, конечная частица должна быть нейтральной — просто так ее в детекторе не увидишь. Вот она-то и будет прекрасным кандидатом на темную материю, в которую в конечном счете будут распадаться все суперпартнеры. Ее ищут по недостающим импульсам и энергиям, так как она их уносит — в точности так же ищут нейтрино. Во множественном рождении отбирались подходящие события с missing energy and momentum, которые просчитывались по методам Монте-Карло. Результаты сравнивались с процессами, идущими в Стандартной модели — в ней тоже есть события с недостающей энергией, когда улетает нейтрино. Но эта частица очень легкая, а мы, наоборот, ищем очень тяжелые.

Еще выдвигалась гипотеза, что некоторые частицы могут жить очень долго не распадаясь, а вылетая из детектора. Это возможно при соответствующем вырождении масс. Для таких событий тоже есть определенные сигнатуры — ученые занимались поисками, которые, опять же, успехом не увенчались. Поэтому у нас сейчас есть только ограничения на массу суперсимметричных частиц, в пределах которой суперсимметрию обнаружить не удалось.

Тут надо сказать, что, поскольку хорошего механизма получения масс нет, то нет и жестких предсказаний на массу суперсимметричных частиц. То, что искомых частиц не обнаружили в пределах до 1–2 ТэВ, не означает, что вся схема неверна. Да, были косвенные признаки того, что суперсимметрия должна проявиться где-то в районе ТэВа, но они не подтвердились.

— Если есть суперсимметрия, то, значит, кроме гравитона, должна существовать частица с полуцелым спином — гравитино, верно? Как она может повлиять на теорию гравитации?

— Локальная суперсимметрия и есть теория гравитации. Это значит, что мы в общем-то меняем теорию гравитации, ведь мы ее суперсимметризуем! Первое предсказание — наличие суперпартнера у гравитона, частица со спином 3/2, которую называют гравитино. Она гравитационно взаимодействует, меняя эйнштейновскую гравитацию. Так возникает суперсимметричная версия эйнштейновской гравитации — супергравитация.

Поначалу на нее возлагали большие надежды, ведь до сих пор у нас нет квантовой версии гравитации из-за так называемых ультрафиолетовых расходимостей, мешающих построить самосогласованную теорию. В суперсимметричных теориях магическим образом происходит массовое сокращение всяких расходимостей: бозонные петли сокращаются с петлями фермионными. Электродинамика учит нас, что при вычислении петель фермионную петлю всегда надо умножить на минус единицу. Оказывается, что в суперсимметрии бозонов и фермионов поровну, и у нас есть петли бозонные и фермионные, в точности сокращающие друг друга. Появилась мысль: если происходит такое, то можно применить эти явления и к гравитации, чтобы все нехорошие расходимости посокращались и на выходе получилась бы замечательная суперсимметричная теория квантовой гравитации. И действительно: в низших порядках теории возмущений эти самые расходимости сокращаются. Энтузиазм исследователей возрос в разы.

Но продвижение вперед было очень медленным: как-никак, считать гравитацию очень трудно. Тем не менее, удалось заметить, что в низших петлях расходимости сокращаются, но если подниматься по лесенке выше, то сокращаемость пропадает. Тут энтузиасты задумались о самой сути суперсимметрий: какие она вообще бывают? Нельзя ли в них что-нибудь подкрутить? Оказывается, есть суперсимметрия расширенная, в которой количество генераторов можно увеличить — не до бесконечности, но можно. А увеличивая само количество суперсимметрий, мы увеличиваем число этих самых замечательных сокращений. Удалось прийти к тому, что максимально расширенной супергравитации, так называемой N=8 (восемь суперсимметрий) супергравитации, сокращения происходят примерно до восьми петель. Дальше же расчеты вести становится трудно — даже практически невозможно на сегодняшний день, — а доказательство того, что впереди есть сокращения, отсутствует.

Из опыта подобных вычислений в более простых моделях при отсутствии доказательства расходимость все-таки появляется. Потому не стоит лелеять очень большой надежды на то, что в высших петлях расходимости всё посокращается и у нас будет суперсимметричная самосогласованная гравитация.

Подобными исследованиями активно занимались в 1980-е годы, и на это же время пришелся интерес к теории струн. Хотя изначально она существовала в адронной физике, ей нашлись применения в гравитации. Это была совсем другая струна, которая стала рассматриваться как некий фундаментальный объект в природе. Как и всякая другая струна, она вибрирует, а моды вибрации и есть элементарные частицы, составляющие квантовую теорию поля. Сама струна представляет собой некий нелокальный объект в виде ниточки или колечка. В случае ниточки с ней становятся связаны частицы со спином 0, 1 и ½, а если мы берем на рассмотрение колечко, то в нем возникает спин 2 — это гравитон. Соответственно, есть и спин 3/2, есть гравитино. Предполагается, что если взять такой фундаментальный объект, как струна, то у него есть размер, который может приводить к тому, что все расходимости при малых расстояниях будут обрезаны на струнном масштабе. Так из струны возникнет самосогласованная теория гравитации. Ура-ура-ура — сумма этих гипотез получила название теории всего.

— Сразу выражу обывательское недоумение: размер струны — планковский, значит, всё, что с ней происходит, должно происходить в планковском масштабе. А мы видим безмассовые частицы. Как так получается?

— Когда вы пытаетесь квантовать струну, то в ней возникает некий спектр возбуждений, начинающийся с отрицательных масс, так называемых тахионов. Это говорит о нестабильности вакуума, что является недостатком теории. Люди думали, как избавиться от отрицательных масс. На помощь пришла струна суперсимметричная, волшебным образом свободная от тахионов. Суперсимметрия, возникшая независимо в теории струн, «убила» тахион. Первая частица в этом спектре — безмассовая частица. Если следовать такой логике, то все частицы Стандартной модели — безмассовые моды из струны, получившие свои массы за счет эффекта Хиггса. На следующем уровне возбуждения струны они имеют массу порядка планковской.

Казалось бы, всё можно получить из теории струн и теории всего. Но пришлось наткнуться на множество подводных камней. Прежде всего, чтобы построить математически корректную теорию струн, надо, чтобы в ней не было конформных аномалий. Оказалось, что они отсутствуют, если размерность, в которой находится струна, имеет определенное значение. Для бозонной струны такая размерность равна 26, а для струны суперсимметричной — 10, т. е. суперсимметричная струна живет в десятимерном пространстве-времени.

Сразу возник вопрос: а что же нам делать со столь большим пространством-временем? Первая идея была простой: давайте скажем, что четыре измерения — одно время, три пространства — бесконечны, а шесть измерений компактны, имеют размерность обратной массе Планка. Эти измерения мы не видим по той причине, что они слишком маленькие. Так, струна живет в компактифицированном пространстве-времени, где есть четыре нормальных измерения и шесть компактифицированных. Сразу возникло много математических теорий, предлагающих подобные построения: скажем, топология шестимерного пространства определяет число поколений Стандартной модели.

Затем свет увидела другая идея: а что если дополнительные измерения не обязательно такие крошечные, они могут быть и большими. Тогда вопрос: почему же мы их не видим? Здесь появились предположения, озвученные в первой работе Рубакова — Шапошникова 2: возможно, в мире существуют так называемые гиперповерхности — браны. Есть четырехмерная брана, на которой мы с вами в этом десятимерном мире живем. Некие силы прижимают нас к этой бране, и вырваться с нее мы не можем. При наших энергиях мы и не видим эти лишние измерения, ведь мы не можем проникнуть в них, оставив нашу брану. Вырваться и повидать бесконечный многомерный мир можно, но для этого надо набрать энергию порядка массы Планка.

Новый вопрос: а нельзя ли все эти идеи о планковских масштабах дополнительных измерений, о бранах как-то экспериментально проверить — найти на ускорителях какие-то проявления, доказывающие, что эти интересные конфигурации существуют? Надо сказать, что лишние частицы — моды возбуждения струн — имеют планковский размер, и просто так «родить» их на ускорителях не получится. Но оказалось, что есть косвенные проявления таких мод — их называют модами Калуцы — Клейна. Возможны косвенные проявления как компактного измерения, так и бран. Пик популярности этой теории был лет десять назад, тогда нужные моды искали на Большом адронном коллайдере, строили модели, искали их проявления. Но, увы, безуспешно.

Сейчас мы с этими лишними измерениями находимся примерно в том же положении, как и в суперсимметрии, только вот ничего мы не нашли и имеем лишь ограничения на массу частиц и до каких энергий они не существуют. Тем не менее, идея красивая, и, думаю, она не умерла. Сам я струнами не занимался, но мне всегда чрезвычайно нравились построения этой теории. Предполагалось, что есть математические свойства, которые предопределяют конструкцию физической теории (The Theory), которая должна быть избранной по этим своим свойствам. Но оказалось, что число вакуумов в этой теории превосходит все мыслимые значения, достигая 10500 — The Theory не взлетела. Энтузиазм поугас, а теория живет, и вполне возможно, что в природе нечто подобное есть. Но нет достаточно простой схемы, позволяющей проводить вычисления. К тому же такую теорию струн не удалось связать с наблюдательными данными — хотя бы с низкоэнергетической физикой, — чтобы можно было вычислить амплитуду и увидеть, как в гравитации расходимости регуляризируются за счет струны.

— По поводу 10500 вариантов: откуда вообще обычно берутся такие гигантские числа? Замешана ли в деле комбинаторика?

— Тут переплетается множество разных идей, в том числе и то, что называется многовероятной вселенной со множеством вакуумов, в одном из которых мы сидим, — почти что антропный принцип. Каким образом выявилось это замечательное число 10500, я сказать не могу, но думаю, что это условное число, связанное с многомерными теориями. Но подробнее прокомментировать это я не возьмусь. Мне кажется, что всякое число, больше, чем 10100 (знаменитый гугол!), почти не имеет смысла. Но факт остается фактом: количество минимумов, вакуумов в таких теориях, практически не поддается исчислению. Помимо предположения о многовероятной вселенной, есть и другая точка зрения: имеется один настоящий вакуум, в котором мы живем, а всё остальное — от лукавого. Но я не сторонник таких построений, так что останавливаться на этом не буду.

— Я наверняка упустил что-то важное, хоть и задал несколько вопросов. Не хотите ли что-нибудь добавить? Свободный микрофон, как говорится.

— Мне кажется, что в физике высоких энергий настало интересное время. С одной стороны, новых ярких открытий у нас нет, пока что мы живем в их ожидании. Люди надеются увидеть открытия в физике нейтрино, узнать точную массу этой частицы, понять, является ли нейтрино античастицей для самой себя… Мы устремляем взгляд вдаль, в неизвестное, и, может быть, вскорости получим какие-то ответы. Но существует и физика, которую мы вроде бы прошли — физика, в которой открываются новые горизонты. Мы привыкли говорить, что все сильновзаимодействующие частицы состоят из кварков: из двух — как мезоны — или из трех — как барионы. Но вот в последние десятилетия научное общество пришло к консенсусу, что существуют и четырех-, и пяти-, и шестикварковые состояния. Их называют экзотическими адронами и они представляют немалый интерес, хоть и живут недолго. Нельзя не сказать и о знаменитом глюболе, в котором и кварков-то нет — внутри один лишь «клей». На самом деле мы до сих пор плохо понимаем, как это устроено, как из кварков (или без них) строятся адроны. Сейчас мы возвращаемся к изучению этого вопроса, к изучению конфайнмента, сильных полей. Вся Стандартная модель построена в основном на слабых полях — когда разные процессы вычисляются по теории возмущения с помощью диаграмм Фейнмана, а результаты экспериментов затем изучаются. Квантовая хромодинамика, безусловно, не исчерпывается только слабыми полями — там есть и сильные поля, и связанные с ними состояния мезонов и барионов. Их-то как раз мы и понимаем плохо, хоть и изучаем их, — мы не вполне понимаем механизм конфайнмента, иногда не можем что-то вычислить. К тому же мы до сих пор не идентифицировали глюбол: не можем понять, какое состояние является глюболом. Я хочу сказать, что мы возвращаемся к адронной физике (которая может показаться скучной — сколько можно классифицировать различные состояния, в конце концов?) на немножко другой основе, пытаясь понять, как всё устроено.

Еще здесь возникает совсем новая вещь: что будет, если образуется много адронов в очень плотном адронном веществе? Сейчас в мире строят коллайдеры не на протоны, а на ионы: американский RHIC, детектор ALICE в ЦЕРН, на котором один месяц в году ускоряли тяжелые ионы. В Дубне строят ускоритель NICA. В Германии работают над комплексом FAIR, где будут ускорять тяжелые ионы, сталкивая друг с другом свинец, золото. Там будет образовываться плотная адронная среда, в которой предполагается существование новых фаз из-за сильных полей. Не исключено, что эти фазы встречаются и в природе — скорее всего, в нейтронных звездах или, может быть, они встречались в ранней Вселенной, где было горячее и плотное вещество. Думается, что в ускорителе адроны будут расплавляться, образуя фазу из свободных кварков и глюонов. Выдвигается предположение, что именно такая фаза существовала в начальном этапе рождения Вселенной до тех пор, пока частицы не образовали связанные состояния. Точно так же в ранней Вселенной заряженные частицы образовали нейтральные атомы. Мы пытаемся добраться до этой фазы, сталкивая тяжелые ионы, чтобы на короткий период времени создать очень горячую среду, в которой подобные состояния становятся возможными. Деятельность очень интересная, при том, что она никак не связана ни с диаграммами Фейнмана, ни со слабыми полями — тут в ход идут другие методы. Мне кажется, что подобная деятельность сейчас набирает обороты, ведь самые высокие энергии нас пока что разочаровывают, а от ускорения ионов разумно ожидать новых результатов. Уже проведенные эксперименты показали, что в этой области есть много чего нового и непонятного. Хорошо описывать мы это не можем, и даже когда мы собираем события колоссальной множественности, то не совсем ясно понимаем, какой эффект там нужно искать и как понимать происходящее. Область интересная, требующая и экспериментальных, и теоретических усилий. Поэтому я думаю, что в отсутствие результатов на больших ускорителях исследования тяжелых ионов будут набирать силу.

— Вопрос вдогонку: есть методы оценок с выходом за теорию возмущений, а именно метод Монте-Карло на решетке. На ум приходят сведения двадцатилетней давности, когда дальше протона было трудно продвинуться, и даже сама эта частица не была хорошо описана. Но сейчас ведь эти методы исследований продвинулись дальше, верно?

— Решетка действительно продвинулась очень далеко и добилась успеха. Но оказалось, что когда мы изучаем явления, происходящие при столкновении тяжелых ионов, то двигаться надо в двух направлениях: во-первых, повышать температуру, а во-вторых, повышать плотность, или химический потенциал. По решетке удается хорошо двигаться по температуре, а по химическому потенциалу передвигаться получается неважно. Поэтому сейчас начинают использоваться методы, нехарактерные для физики частиц, включая, например, гидродинамику. Но решетка, несомненно, в данных исследованиях нужна, и она работает. Если говорить о массах или связанных состояниях адронов, то они сегодня прекрасно считаются на решетке. Она же прекрасно подходит не только для исследований протона, но и для многих других состояний: можно посчитать барионные форм-факторы, фазовый переход — переход конфайнмент — деконфайнмент. Но всё фазовое пространство, включая температуру и химический потенциал, посчитать на решетке не получится.

— А глюбол?

— По идее, решетка должна выдавать какой-то глюбол, но проблема идентификации всё равно остается. Глюбол остается загадкой…

— Тема нашей беседа неисчерпаема, но так или иначе где-то надо ставить точку. Дмитрий, большое спасибо за квалифицированный рассказ!


1 trv-science.ru/2022/01/perspektivy-fiziki-chastic/

2 Rubakov V. A., Shaposhnikov M. E. Do we live inside a domain wall? Phys. Lett. B125, 136 (1983). DOI: 10.1016/0370-2693(83)91253-4

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest

0 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (8 оценок, среднее: 4,63 из 5)
Загрузка...