Суперсимметрия

В струне заключены некоторые величайшие симметрии, извест-
ные науке. Обсуждая инфляционное расширение Вселенной и
Стандартную модель в главе 4, мы видели, что симметрия предостав-
ляет нам прекрасный способ организации субатомных частиц в при-
ятные и изящные модели. Три типа кварков могут быть организованы
согласно симметрии SU(3), которая позволяет кваркам меняться
между собой местами. В теории ТВО считается, что пять типов квар-
ков и лептонов могли бы быть организованы согласно симметрии
SU (5).

В струнной теории благодаря этим симметриям уходят оставши-
еся противоречия и аномалии. Поскольку симметрии представляют
собой одно из наиболее прекрасных и мощных средств, имеющихся
в нашем распоряжении, то вполне можно было бы ожидать, что
теория Вселенной должна обладать наиболее изящной и мощной
симметрией, какая только известна науке. Логичной была бы сим-
метрия, которая позволила бы менять местами не только кварки,
но и все частицы, которые можно встретить в природе. Это зна-
чит, что все уравнения должны оставаться неизменными, если мы
изменим положение всех частиц относительно друг друга. Такой
подход в точности описывает симметрия суперструны, называемая
суперсимметрией^[12]. Это единственный вид симметрии, который
позволяет менять местами все известные физикам субатомные части-
цы. Такая симметрия является идеальным претендентом на место
симметрии, которая организует все частицы Вселенной в единое,
изящное целое.

Если рассматривать все взаимодействия и частицы Вселенной,
то мы увидим, что, в зависимости от спина, все они делятся на две
категории — «фермионы» и «бозоны». Они ведут себя как волчки,
которые могут вращаться с различными скоростями. К примеру,

спин фотона, частицы, являющейся носителем электромагнитного
взаимодействия, равен единице. Гравитон, частица гравитации,
имеет спин, равный двум. Все частицы, обладающие спином, выра-
жающимся целым числом, называют бозонами. Подобным образом,
частицы вещества описываются при помощи субатомных частиц,
спин которых выражается полуцелыми значениями — 1/2, 3/2, 5/2
и так далее. (Частицы с полуцелыми значениями спина называют
фермионами. К ним относятся электрон, нейтрино и кварки.) Таким
образом, суперсимметрия изящно выражает дуализм, возникающий
между бозонами и фермионами, между взаимодействиями и веще-
ством.

В теории, основанной на суперсимметрии, у каждой частицы есть
напарник: каждый фермион находится в паре с бозоном. Хотя мы ни-
когда не наблюдали этих суперсимметричных партнеров в природе,
физики окрестили партнера электрона «сэлектроном», который об-
ладает спином, равным нулю. (Физики добавляют «с» для описания
суперпартнера какой-либо частицы.) Слабые взаимодействия вклю-
чают в себя частицы, называемые лептонами: их суперпартнеров
называют слептонами. Подобным образом и у кварка может быть
партнер с нулевым спином, который называется скварком. В целом,
партнеры всех известных частиц (кварков, лептонов, гравитонов,
фотонов и так далее) называются счастицами, или суперчастицами.
Эти счастицы нам еще только предстоит обнаружить при помощи
ускорителей частиц (возможно, наше оборудование еще не достаточ-
но мощное, чтобы мы могли получить эти частицы).

Но поскольку все субатомные частицы являются либо ферми-
онами, либо бозонами, то в теории суперсимметрии содержится
потенциал объединения всех известных субатомных частиц одной
простой симметрией. Теперь у нас есть достаточно обширная сим-
метрия, которая включит в себя целую Вселенную.

Представьте себе снежинку. Пусть каждый из шести ее кончиков
представляет субатомную частицу, при этом бозоны расположены
через один и за каждым бозоном следует фермион. Красота этой
«суперснежинки» состоит в том, что при вращении она остается
неизменной. Таким образом, эта суперснежинка объединяет все
частицы и их счастицы. Поэтому, если мы попытаемся построить
гипотетическую единую теорию поля, в которой есть лишь шесть

частиц, то вполне естественно, что лучшим претендентом на эту роль
явится суперснежинка.

Суперсимметрия помогает устранить все оставшиеся бесконеч-
ности, которые для других теорий оказывались роковыми. Ранее мы
уже упоминали о том, что большая часть отклонений устраняется
благодаря топологии струны — то есть, поскольку струна обладает
конечной длиной, силы не стремятся к бесконечности при прибли-
жении к самой струне. При рассмотрении оставшихся отклонений
мы видим, что они делятся на два типа, исходя из взаимодействий бо-
зонов и фермионов. Однако два типа действий, производимых этими
частицами, всегда имеют противоположный знак, а потому действие
фермиона всегда компенсируется действием бозона! Иными слова-
ми, поскольку действия бозона и фермиона всегда имеют противопо-
ложный знак, то оставшиеся в теории противоречия взаимоустраня-
юхся. Таким образом, суперсимметрия — это не просто витринное
крашение. Это не только симметрия, которая дарит эстетическое
удовольствие, — это неотъемлемый элемент для устранении откло-
нений в струнной теории.

Вспомним аналогию конструирования гладкой ракеты, в кото-
рой вибрации могут возрасти настолько, что в конечном счете у нее
оторвет крылья. Одним из решений этой проблемы является приме-
нение силы симметрии для корректировки конструкции крыльев —
таким образом, чтобы вибрации, возникающие в одном крыле,
компенсировали вибрации в другом. Когда одно крыло вибрирует по
часовой стрелке, второе крыло должно вибрировать против часовой
стрелки, что уравновешивает вибрацию первого крыла. Таким об-
разом, симметрия ракеты — казалось бы, всего лишь искусственный
художественный элемент — имеет ключевое значение в устранении
и балансировке нагрузок на крылья ракеты. Подобным образом и су-
персимметрия устраняет отклонения благодаря тому, что бозонная и
фермионная части полностью компенсируют действие друг друга.

(Суперсимметрия также решает ряд сложных технических
проблем⁽¹³⁾, фатальных для ТВО. Для устранения математических
противоречий в ТВО необходима суперсимметрия.)

Хотя суперсимметрия несет в себе очень мощную идею, в настоя-
щее время не существует никаких экспериментальных доказательств
ее истинности. Это может объясняться тем, что суперпартнеры из-

вестных нам электронов и протонов могут попросту обладать слиш-
ком большой массой, чтобы мы могли получить их на современных
ускорителях частиц. Однако существует очень даже привлекательное
доказательство существования суперсимметрии. Мы знаем, что три
квантовых взаимодействия различны по силе. В сущности, при малых
энергиях сильное взаимодействие в 30 раз сильнее слабого взаимо-
действия и в сотню раз сильнее электромагнетизма. Однако так было
не всегда. Мы предполагаем, что в момент Большого Взрыва все три
взаимодействия были равны по силе. Возвращаясь назад во времени,
физики могут вычислить силы трех взаимодействий в начале времен.
Анализируя Стандартную модель, физики обнаружили, что силы
трех взаимодействий, видимо, стремились к равенству в момент
Большого Взрыва. Но они не в точности равняются друг другу. Зато
когда мы добавляем суперсимметрию, то все три взаимодействия
в точности совпадают друг с другом по силе, а это именно то, что
предполагается в единой теории поля. И хотя этот факт не является
прямым доказательством в пользу суперсимметрии, он все же пока-
зывает, что суперсимметрия, по крайней мере, вписывается в рамки
известной физики.