массы и не вступить в противоречие с экспериментом, но тогда сама теория становится настолько вычурной и искусственной, что к ней трудно относиться серьезно.
Теории, объединяющие сильные и электрослабые взаимодействия, часто называют теориями великого объединения. Конкретные варианты таких теорий предлагались Джогешем Пати и Абдусом Саламом, Говардом Джорджи и Шелдоном Глэшоу, и многими другими.
Речь идет о работе, написанной Говардом Джорджи, Элен Квинн и мной.
Точнее, предсказывается ровно одно отношение этих констант. Когда в 1974 г. предсказание было сделано, оно поначалу казалось ошибочным: теория предсказывала значение 0,22, а из опытов по рассеянию нейтрино следовало, что значение отношения равно 0,35. С течением времени экспериментальное значение этой величины уменьшалось, и сейчас оно очень близко к предсказываемой величине 0,22. Однако измерения и теоретические расчеты достигли сейчас такой точности, что мы можем различать расхождение между ними на уровне нескольких процентов. Мы увидим далее, что существуют теории (подчиняющиеся новому типу симметрии, известной как суперсимметрия), которые естественным образом объясняют это остающееся расхождение.
Суперсимметрия была предложена как захватывающая возможность Юлиусом Вессом и Бруно Зумино в 1974 г., но с тех пор интерес к суперсимметрии проявлялся только в связи с решением проблемы иерархии. (Другие варианты суперсимметрии были предложены в более ранних работах Ю.А. Гольфанда и Е.П. Лихтмана, а также Д.В. Волкова и В.П. Акулова, но в этих работах не раскрывалось физическое значение суперсимметрии, так что они не привлекли внимания. По крайней мере частично, Весс и Зумино были вдохновлены работами 1971 г. по теории струн П. Рамона, А. Неве и Дж. Шварца и Ж.-Л. Жервэ и Б. Сакиты.)
До возникновения суперсимметрии считалось, что никакая симметрия не может запретить такие массы. Отсутствие масс у таких частиц, как кварки и электроны, фотон, W– и Z-частицы и глюоны, в уравнениях первоначальной версии стандартной модели неразрывно связано с тем, что у этих частиц есть спин. (Знакомое явление поляризации света есть прямое следствие наличия спина фотона.) Однако для того, чтобы поле имело ненулевое вакуумное среднее, нарушающее электрослабую симметрию, это поле должно быть бесспиновым. В противном случае, вакуумное среднее будет нарушать также симметрию вакуума по отношению к изменению направлений, что грубо противоречит наблюдениям. Суперсимметрия решает проблему, устанавливая связь между бесспиновым полем, вакуумное среднее которого нарушает электрослабую симметрию, и различными полями со спином, которым электрослабая симметрия запрещает иметь массы, входящие в полевые уравнения. У суперсимметричных теорий много своих проблем: суперпартнеры известных частиц не обнаружены, следовательно, они должны быть намного тяжелее, и поэтому сама суперсимметрия должна нарушаться. Существует ряд интересных предложений о механизме нарушения суперсимметрии, причем некоторые из них включают гравитационное взаимодействие, однако, вопрос все еще открыт.
В той версии стандартной модели, которая основана на введении нового сверхсильного взаимодействия (техницвета), можно обойти проблему иерархий, поскольку массы вообще не входят в уравнения, описывающие физику при энергиях много меньше планковской. Вместо этого шкала масс частиц W и Z, а также других элементарных частиц стандартной модели, определяется тем, как изменяются с энергией константы техницветового взаимодействия. Считается, что техницветовое взаимодействие, а также сильное и электрослабое взаимодействия, имеют общую константу при энергии, близкой к энергии Планка. С уменьшением энергии константа будет расти очень медленно, так что цветовое взаимодействие будет недостаточно сильным, чтобы нарушить любую симметрию, пока энергия не уменьшится до величины, намного меньше планковской энергии. Вполне вероятно, что без всякой тонкой настройки параметров теории, техницветовое взаимодействие будет расти с уменьшением энергии чуть быстрее, чем обычное цветовое взаимодействие, так что оно породит массы W– и Z-частиц, близкие к наблюдаемым, в то время как обычное цветовое взаимодействие, действуя в одиночку, породит в тысячу раз меньшие массы этих частиц.
Суперсимметрия сопоставляет всем известным кваркам, фотонам и т.д. «суперпартнеров» другого спина. Хотя ни одна из этих частиц не наблюдалась, теоретики не замедлили дать им имена: суперпартнеры (нулевого спина) частиц типа кварков, электронов и нейтрино, называются скварками, сэлектронами и снейтрино, а суперпартнеры (полуцелого спина) фотона, W, Z и глюонов называются фотино, вино, зино и глюино. Я как-то предложил называть этот местный жаргон «лангино»40), но Гелл-Манн предложил лучший термин «сязык». Совсем недавно идея суперсимметрии получила мощный толчок от экспериментов по распаду Z-частицы в ЦЕРНе. Как отмечалось выше, эти эксперименты сейчас настолько точны, что можно говорить о небольшом (порядка 5 %) расхождении между предсказанным в 1974 г. отношением констант, равным 0,22, и наблюдаемым значением. Интересно, что расчеты, учитывающие существование скварков и глюино, а также всех остальных требуемых суперсимметрией новых частиц, приводят к таким изменениям констант взаимодействия, которые вполне достаточны, чтобы привести к согласию между теорией и экспериментом.
