Закрученные пассажи: Проникая в тайны скрытых размерностей пространства.

Рэндалл Лиза

Если идея АДД верна, то Большой адронный коллайдер (БАК), который будет изучать энергии масштаба ТэВ, сможет рождать частицы КК с измеримой вероятностью. Это может звучать, как счастливое совпадение, — почему, собственно, энергия порядка ТэВ должна иметь отношение к вероятностям рождения частиц КК, когда ни массы частиц КК, ни масса, определяющая интенсивность взаимодействия частиц КК (т. е. М_Pl), не равны ТэВ? Ответ состоит в том, что энергия порядка ТэВ определяет интенсивность гравитации в пространстве с дополнительными измерениями, а эта гравитация в конце концов определяет, что будет производить коллайдер. Так как взаимодействия многих КК-партнеров гравитона эквивалентны взаимодействию одного гравитона в пространстве с дополнительными измерениями, а такой гравитон сильно взаимодействует

при энергиях порядка ТэВ, сумма всех вкладов всех частиц КК должна быть также важной на этом масштабе.

Экспериментаторы уже ищут частицы КК на Тэватроне в Фермилабе. Хотя Тэватрон не достигает энергий, которые будут доступны БАК, он достигает энергий, при которых имеет смысл начать поиск. Но БАК сделает это лучше, и имеет значительно больше шансов обнаружить АДД-частицы КК, если они существуют.

Как будут выглядеть эти частицы? Ответ состоит в том, что соударения, порождающие КК-партнеров гравитона, будут выглядеть как обычные для коллайдера события, за исключением того, что будет казаться, что теряется энергия. На БАК, где сталкиваются два протона, может произойти рождение частицы Стандартной модели и КК-партнера гравитона. Например, частицей Стандартной модели может быть глюон; протоны испытают соударение, образуя виртуальный глюон, а этот виртуальный глюон может, в свою очередь, превратиться в реальный физический глюон и КК-партнер гравитона.

Однако любая индивидуальная частица КК будет взаимодействовать слишком слабо для того, чтобы ее можно было обнаружить; напомним, что КК-партнеры гравитона взаимодействуют очень слабо, и их можно обнаружить только потому, что их очень много. Но поскольку детектор зарегистрирует глюон, или, более аккуратно, струю (см. гл. 7), окружающую глюон, событие, в котором родится КК-партнер гравитона, будет записано, даже если сам КК-партнер гравитона не будет зафиксирован. Ключ к идентификации события, как произошедшего в пространстве с дополнительными измерениями, будет состоять в том, что невидимый КК-партнер унесет энергию в дополнительные измерения, так что будет казаться, что энергия потерялась. Изучая события с одиночными струями, в которых энергия испущенного глюона меньше, чем начальная энергия соударения, экспериментаторы могут заключить, что они родили КК-партнера гравитона (рис. 77). Это аналогично тому, как Паули предсказал существование нейтрино (см. гл. 7).

Так как все, что мы знаем о новой частице, — это тот факт, что она уносит энергию, в действительности мы не можем быть уверены, что ускоритель произвел частицу КК, а не какую-то другую частицу, также слишком слабо взаимодействующую для того, чтобы быть зарегистрированной. Однако, произведя детальные исследования событий с потерянной энергией, например, то, как вероятность образования частиц зависит от энергии, экспериментаторы могут надеяться определить, верна ли интерпретация события как рождение частицы КК.

Частицы КК были бы наиболее доступными посланниками дополнительных измерений в нашем четырехмерном мире, так как они больше всего годятся

на роль легчайших объектов, которые могут сигнализировать о наличии дополнительных измерений. Но, если нам повезет, помимо них могут появиться и другие знаки модели АДД, включающие еще более экзотические объекты. Если АДД правы, гравитация в дополнительных измерениях станет сильной в области порядка ТэВ, что является значительно более низкой энергией, чем та, которая была бы верна в обычном четырехмерном мире. Если дело обстоит именно так, в области энергий порядка ТэВ могли бы рождаться черные дыры, и такие черные дыры из пространства дополнительных измерений открыли бы дорогу к лучшему пониманию классической гравитации, квантовой гравитации и формы вселенной. Если же соответствующие предложению АДД энергии достаточно малы, рождение черных дыр может стать неизбежным; они могут рождаться на БАК.

Черные дыры из дополнительных измерений, которые будут образовываться на коллайдерах, будут намного меньше тех, которые присутствуют в окружающей нас вселенной. Они будут сравнимы по размеру с очень маленькими дополнительными измерениями. Если вы тревожитесь по этому поводу, уверяю вас, что эти малые очень короткоживущие черные дыры не будут представлять для нас или для нашей планеты никакой опасности; они исчезнут прежде, чем смогут чем-то навредить. Черные дыры не существуют вечно, они испаряются, испуская излучение, за счет явления, известного как излучение Хокинга. Точно так же, как маленькая капля кофе испаряется быстрее, чем большая, так и малые черные дыры, которые в принципе могут рождаться на коллайдерах, почти мгновенно испарятся. Тем не менее, если они все же образуются, эти черные дыры из дополнительных измерений будут существовать достаточно долго, чтобы оставить в детекторе видимые следы своего существования. У них будут очень определенные проявления, так как они будут рождать намного больше частиц, чем это обнаруживается при распадах обычных частиц, причем эти частицы будут разлетаться во все стороны.

Кроме того, если модель АДД верна, черные дыры и КК-партнеры гравитона могут быть не единственными экзотическими новыми открытиями. Если теория АДД и теория струн одновременно верны, на коллайдерах могут рождаться струны очень малых энергий, почти достигающих ТэВ. Повторим, что это происходит потому, что фундаментальный гравитационный масштаб в моделях АДД очень низок. Гравитация в пространствах с дополнительными измерениями становится сильной при энергии порядка ТэВ, а квантовая гравитация может привести к измеримым эффектам.

Массы струн в теории АДД даже близко не будут совпадать с недоступным планковским масштабом. Если вы воспринимаете струны как ноты, то струны модели АДД издают значительно более низкие звуки. Низкие звуки в модели АДД будут соответствовать массам не более ТэВ. Если нам повезет, эти массы окажутся достаточно малыми, чтобы их можно было создать на БАК. Соударения с достаточно высокой энергией будут в достаточном количестве рождать легкие струны наряду с новыми объектами, которые называются клубками струн и содержат много длинных струн.

Однако, несмотря на заманчивость таких возможных открытий, следует помнить, что по всей вероятности энергия БАК будет близкой, но не превышающей энергии, необходимой для образования струн и черных дыр. Будут ли струны АДД и черные дыры видимыми, зависит от точного значения энергии многомерной гравитации (и, конечно, от того, верны ли сами предположения).

Последствия

Предложение АДД замечательно. Кто бы мог подумать, что дополнительные измерения могут быть настолько большими или что они могут иметь отношение к проблемам, представляющим непосредственный интерес (по крайней мере для физиков-частичников), например к проблеме иерархии? Однако это предложение на самом деле не решило проблему иерархии. Оно превратило эту проблему в другой вопрос: могут ли дополнительные измерения быть столь большими? Это остается самым главным вопросом в сценарии АДД. Без каких-то новых и до сих пор неустановленных физических принципов нет оснований считать, что измерения будут настолько экстраординарно большими. По крайней мере, согласно современным теориям, нам все еще требуется суперсимметрия, чтобы сохранить большое плоское пространство, необходимое для сценария АДД. По существу, суперсимметрия стабилизирует и укрепляет большие измерения, которые в противном случае сколлапсировали бы. А так как одним из приятных свойств модели АДД является то, что она, как кажется, исключает необходимость суперсимметрии, это несколько разочаровывает.

Другим слабым местом теории являются ее космологические приложения. Для того чтобы теория согласовывалась бы с известными фактами, касающимися эволюции Вселенной, нужно тщательно выбрать ряд ее параметров. При этом балк должен содержать слишком мало энергии, в противном случае, космологическая эволюция не будет согласовываться с наблюдениями. Конечно, все это возможно, но весь смысл решения проблемы иерархии состоит в том, чтобы исключить необходимость большой подгонки.

Тем не менее многие физики склонны всерьез воспринимать теории с дополнительными измерениями и пытаются изобретать пути их поиска. Экспериментаторы были особенно возбуждены. Как мне сказал работающий в Фермилабе физик-частичник Джо Ликкен, описывая реакцию экспериментаторов на большие дополнительные измерения: «Да они все свихнулись на этих „поисках за рамками Стандартной модели“. Суперсимметрия или дополнительные большие измерения? Какая разница! Дополнительные измерения не большее сумасшествие». Экспериментаторы изголодались по поискам чего-то нового, а дополнительные измерения сулят очень интересную альтернативу суперсимметрии.