Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса

Голдберг Дэйв

Каждое фундаментальное взаимодействие реагирует на свою разновидность заряда. Это электрический заряд, цвет (для сильного взаимодействия), слабый изоспин и гиперзаряд (для слабого взаимодействия) и масса (для гравитации). Однако не у всякой частицы есть полный набор зарядов. Например, у лептонов нет цвета. У праворуких частиц и леворуких античастиц нет слабого изоспина. У фотонов нет ни массы, ни заряда.

Если мы всерьез хотим разобраться, как именно все взаимосвязано, нужно найти хорошее объяснение тому, почему все эти частицы и взаимодействия в наши дни настолько различаются и как могло получиться, что когда-то они были так похожи.

Первые теории Великого объединения

были выдвинуты в начале 1970 годов, вскоре после того, как стандартная модель окончательно оформилась в ее сегодняшнем виде. Одну из первых — и самую известную — предложил Ховард Джорджи в 1973 году, и она получила жутковатое название SO (10).

Это название — всего-навсего очередной пример математической стенографии из области теории групп. Суть теории состоит в то, что все частицы стандартной модели — это не более чем аспекты одной метачастицы. Несмотря на 10 в названии, метачастица из теории SO (10) способна принимать одну из шестнадцати различных форм. После чего, если разобраться в подробностях, остается сущий пустяк — все сосчитать, — и получится, что в стандартной модели и в самом деле ровно шестнадцать разных частиц.

Верхние и нижние кварки могут быть одного из трех цветов, так что в каждом поколении получается шесть разных кварков. Еще у нас есть электрон и нейтрино. Поскольку они бывают только одного цвета (наверное, бежевого), нам придется добавить к общей сумме два — получается восемь частиц. Теперь уточняем, что частицы бывают либо праворукие, либо леворукие (два варианта), и получаем шестнадцать различных состояний. Вуаля!

У этой теории есть несколько выдающихся достоинств — впрочем, должен отметить, что они есть у любой хорошей теории Великого объединения. Поскольку теория SO (10) представляет лептоны и кварки просто как разные аспекты одной и той же частицы, мы мгновенно получаем объяснение, почему у каждой частицы одинаковое количество поколений (правда, по-прежнему неясно, почему их три). Кроме того, теория объясняет, откуда у частиц те или иные заряды, в том числе и странные 2/3 у верхнего кварка и — 1/3 у нижнего кварка.

Успехи успехами, но без проблем тоже не обходится. Слабое взаимодействие — леворукое, а поскольку нейтрино создаются только при слабом взаимодействии, праворуких нейтрино не бывает. Это означает, что во всамделишной вселенной на поколение приходится всего пятнадцать частиц, а не шестнадцать, как обещали. В результате теории приходится заниматься сложной математической гимнастикой — утверждать, что праворукое нейтрино существует, но оно так массивно, что его никогда не удастся зарегистрировать.

Теория SO (10), как и множество прочих теорий Великого объединения, прогнозирует, что помимо частиц-переносчиков взаимодействий, которые мы знаем и любим, есть еще группа частиц под названием Х и Y. Эти частицы дают лептонам возможность превращаться в кварки и наоборот. Это очень важно, поскольку без Х— частиц непонятно, откуда у нас столько протонов и нейтронов (помните Главу 1?).

Более того, если у нас не будет способа превращать кварки в лептоны и наоборот, протоны станут буквально бессмертными. Протоны уникальны тем, что это самые легкие барионы — это общее название для всего, что состоит из кварков. Так что если избавиться от кварков невозможно, то протонам как самым легким барионам не во что распадаться.

Однако в рамках теории Великого объединения лептоны и кварки — это просто разные аспекты одной метачастицы, так что при очень высоких энергиях (или с очень низкой вероятностью) кварки могут спонтанно превращаться в электроны и наоборот. В результате общее число барионов может и не сохраняться — и тогда протоны

будут жить не вечно. Может статься, это очень хороший способ проверить вашу любимую теорию Великого объединения.

Например, есть (или была) другая очень популярная теория Великого объединения — SU (5) [112] . Она тесна связана с SO (10) математически и во многих отношениях гораздо проще. При прочих равных условиях мы должны предпочитать простую модель сложной — так велит бритва Оккама. В своей статье об этой гипотезе Джорджи и Шелдон Глэшоу писали:

112

Кстати, ее открыл тот же Джорджи и в ту же самую ночь, когда и SO (10).

Возможно, гипотеза наша ошибочна, а рассуждения пусты, однако уникальность и простота нашей схемы сами по себе достаточная причина воспринимать ее всерьез.

С другой стороны, SU (5) предсказывает распад протона с периодом примерно в 10³⁰ лет, что на первый взгляд как-то очень уж много; однако вспомним, что если собрать много-много протонов в одном месте, мы сможем увидеть, распадется ли какой-нибудь из них с таким периодом полураспада. И наши нынешние оценки этого периода более чем в 10 000 раз выше, поэтому SU (5) мы забраковали.

На этом, разумеется, история не кончается. Теории Великого объединения прямо-таки кишмя кишат, и некоторые из них предсказывают большое число массивных частиц, которые мы, однако, не наблюдаем. Некоторые предполагают, что у лептонов есть четвертый цвет помимо красного, синего и зеленого цвета кварков. Самые надежные экспериментальные доказательства мы получим, либо когда увидим распад протона, либо когда зарегистрируем частицу темного вещества. А пока ничто не мешает нам и дальше предаваться досужим домыслам.

Исключительно простая Теория Всего

Хотя у нас пока нет даже общепринятой теории Великого объединения, некоторые ученые очень хотят срезать напрямик и выдвигают сразу Теорию Всего, которая вместе с остальными тремя взаимодействиями охватывает и гравитацию.

Физик Гаррет Лиси — сам по себе фигура колоритная. Он не работает ни в каких академических учреждениях, а время свое в основном проводит катаясь на серфинге на Гавайях, а зимой — на сноуборде в Колорадо. Довольно долго у него не было даже крыши над головой — он жил в машине. Велик соблазн относиться к такому человеку без должного уважения, особенно если у тебя узковат кругозор, и тем удивительнее, что в 2007 году он выдвинул теорию, которая, по его словам, объясняет вообще все в физике. А еще удивительнее то, что хотя подтверждения теория не получила, красоты она необычайной.

Теория Лиcи основана на математической симметрии под названием Е⁸, которую сам ученый называет «Исключительно простой Теорией Всего». Само по себе ее название — это такая шутка (что дает наглядное представление о чувстве юмора у математиков). «Исключительно простой» эта теория названа не для того, чтобы вы почувствовали себя идиотом, если ее не поймете. На самом деле E⁸ — это одна из пяти особых «Исключительно простых симметрий», которые описал в конце XIX века математик Вильгельм Киллинг (ничего себе фамилия, кстати: она означает «убийство»).