Сможет ли БАК проверить теорию струн?
Теория струн, та самая окончательная теория, является мифическим арбитром истины, предвещающим конец науки. Восхваляемая за свою красоту и элегантность, теория струн, как ни одна теория до нее, привлекает внимание не только физиков, но и общественности. Теоретики струн смело пошли туда, где не ступала еще нога человека: исследовать дивные новые миры, 10^500 их или около того, большинство из которых непригодны для жизни. Они вернули дополнительные измерения, суперсимметрию и обещание примирить общую теорию относительности Эйнштейна со Стандартной моделью. Более того, не просто обещание, а сам факт: они говорят, что сделали это. Единственное, что осталось, это проверить их правоту.
Большой адронный коллайдер (БАК) работает в диапазоне энергий, долгое время остававшихся недоступными для человека, и после небольшого перерыва снова ныряет в неизвестность. Новый запуск - это беспрецедентная возможность изучить структуру элементарной материи на мельчайших расстояниях, вплоть до одной тысячной фемтометра. Поможет ли это подтвердить правоту струнных теоретиков, что все состоит из струн, что всюду невидимые нам петельки квантовой гравитации?
Как это часто бывает в науке, ответ таков: зависит от того, чего вы просите.
Теория струн началась с попытки описать сильное ядерное взаимодействие в 80-х годах. И хотя ее быстро обошла более успешная теория квантовой хромодинамики (кварки, глюоны и все такое), струны все еще играют важную роль в описании сильного взаимодействия. «Струнная модель Лунда», названная в честь шведского города, где ее зачали, описывает взаимодействие глюонов с помощью потоковых трубочек - струн. Растяните их - и струны рассыпятся душем вторичных частиц. Эта так называемая «фрагментация струн» является неотъемлемой частью многих компьютерных моделей, которые необходимы для получения точных прогнозов событий рассеяния на БАК.
Струнную модель Лунда давно используют, и никто особо не ожидает, что данные БАК расскажут что-нибудь новенькое о ней. Помимо того, что она имеет дело со струнами, у этой модели мало общего с теорией струн, которую мы знаем и любим. Лунд-модель - это приближение, которое дополняет стандартную модель взаимодействия частиц; она не имеет ничего общего с объединением гравитации и стандартной модели, она не использует дополнительные измерения и суперсимметрию.
Так как насчет окончательной теории, которая постулирует, что все наши частицы являются струнами с определенной вибрацией, теории с дополнительными измерениями и суперсимметрией, и бесконечных споров о ее превосходстве над петлевой квантовой гравитацией?
Струны могут возбуждаться до более высоких мод, это предсказание характерно для теории струн и в принципе наблюдаемо. Энергия, необходимая для этих возбуждений, зависит от радиуса дополнительных измерений теории струн: чем меньше радиус, тем большая энергия необходима для возбуждение струн. Самый естественный сценарий помещает радиус дополнительных измерений в пределах струны: это примерно 10^19 ГэВ. В таком случае теория струн безнадежно вне радиуса поиска БАК, который набирает максимум 10^4 ГэВ, даже с учетом последнего апгрейда.
В случае, если дополнительные измерения теории струн довольно большие и находятся в диапазоне, уловимым на БАК, они могут быть вполне заметны. Производство крошечных черных дыр - один из прогнозов. Этот процесс возможен, поскольку дополнительные измерения делают гравитацию на коротких дистанциях сильнее, чем предсказывает общая теория относительности с тремя пространственными измерениями. По этой же причине и производство гравитонов, квантов гравитации, может стать возможным на БАК, если дополнительные измерения будут большими. Эти явления могут привести к определенным наблюдаемым эффектам, которые были рассчитаны в хороших деталях.
Дополнительные измерения сами по себе не говорят нам, что теория струн верна, поскольку это лишь один ингредиент полной теории. Тем не менее, если мы сможем найти доказательства дополнительных измерений, это будет мощным аргументом в пользу теории струн и появления истинной феноменологии струн, которая может проявиться в струнных шарах или в чем-нибудь еще. Дополнительные измерения - лучший способ проверить теорию струн на БАК.
Физики тщательно проверяли предыдущие запуски БАК на предмет появления черных дыр или гравитонов, которые могли бы сказать свое слово в пользу дополнительных измерений. И не нашли ровным счетом ничего. Остается возможность, что эти явления покажут себя при более высоком энергетическом вложении, но ученых, которые верят в это, остается все меньше и меньше.
Суперсимметрия является еще одним следствием теории струн, которое в случае обнаружения станет веским словом в пользу, но не окончательным подтверждением теории струн. Суперсимметрия предсказывает, что у всех частиц есть пары. Поскольку мы не нашли суперсимметричных партнеров известных нам частиц, суперсимметрия должна быть нарушена таким образом, что частицы-партнеры слишком тяжелые, чтобы их можно было наблюдать.
Перед тем, как БАК начал работу, широко были распространены аргументы, что партнеры-частицы будут доступны уже в ходе первых запусков. Основаны они были по большей чести на технической красоте идеи, самой гипотезы. Но ничего так и не нашли. Как и в случае с дополнительными измерениями, остается надежда, что дальнейшая работа БАК все же сможет выявить следы неведомых частиц.
Вы, наверное, хотите знать, каковы шансы того, что БАК обеспечит поддержку теории струн? Встречный вопрос: если вы запали на Ксюшу, а она говорит, что освободится после работы, около восьми вечера, но не показывается и в десять, каковы шансы, что она придет в 10:05? Вот. Хотя дополнительные измерения никогда не обещали появиться, надеяться стоит на худшее.
Струнные теоретики уже не ждут окончательной теории. Они считают теорию струн инструментом, который позволяет производить сложные вычисления в стандартной модели, получая ранее неизвестные данные. И работы у них валом.
Видите ли, знание Стандартной модели и теория на бумаге - это одно. Быть в состоянии фактически решить уравнения, описывающие конкретные системы, это совсем другое. Методы, обычно используемые физиками-теоретиками, плохо работают в ситуациях, когда много частиц сильно взаимодействуют, вроде кварк-глюонной плазмы, созданной в процесс столкновений в больших атомных ядрах (тяжелых ионах) на БАК. Но в таких ситуациях разработанные в струнной теории методы предлагают новые решения.
Струнная теория помогает описать кварк-глюонную плазму, используя так называемую калибровочно-гравитационную дуальность, которая проявляется как частное проявление более общей дуальности в теории струн. Калибровочно-гравитационную дуальность можно использовать для отображения сложных и тесно сопряженных систем в качестве совершенно другой системы, с которой намного проще работать. По факту, эта дуальность уже использовалась для предсказаний с кварк-глюонной плазмой на БАК, в частности потери энергии частиц, проходящих через кварк-глюонную плазму.
Получается, научная история движется по спирали. Струнная теория снова используется для описания ядерных взаимодействий.
К сожалению, предсказания струнных теоретиков не очень хорошо согласуются с данными. Кварк-глюонная плазма оказалась не настолько сильно связанной, как полагали, поэтому вышла за пределы хорошей работы калибровочно-гравитационной дуальности. Таким образом, БАК фактически проверил теорию струн.
В следующем запуске тяжелых ионов, который, по всей видимости, состоится ближе к концу этого года, появится больше данных, которые позволят физикам лучше изучить кварк-глюонную плазму. Ситуация не так четко выделяется, как могло бы показаться, на данный момент, но только потому, что в физике тяжелых ионов вообще сложно что-нибудь выделить четко. Поэтому, кто знает, может быть, калибровочно-гравитационная дуальность получит второе дыхание.
Может ли использование теории струн для описания сильно связанных состояний вещества сказать что-нибудь о ней как о кандидате на теорию всего? На первый взгляд, нет. Это совершенно разные проблемы: разные системы, разные испытания, разные выводы. Тем не менее многие теоретики струн считают, что поскольку теория струн является теорией, которая может описать квантовую гравитацию, уже это наводит на мысли, что теория струн будет корректной теорией для описания всей природы целиком. Заключение нелогичное, но ученые не сдаются и верят, что теория струн найдет подтверждение в каком-нибудь эксперименте. Если не на БАК, так где-нибудь еще.
Как учат нас любовные романы, пока вы мечтаете о суперсимметричной принцессе, ваша судьба может жить по соседству с вами, в виде девушки, которая помогает вам решить сложные проблемы. Может быть, физики когда-нибудь наладят стабильные отношения с теорией струн, когда реальность наконец вытеснит мечты. И тогда БАК сможет проверить прочность новых отношений и насколько серьезно это новое увлечение.
