Суперсимметрия. От бозона Хиггса к новой физике

Суперсимметрия

BASIC BOOKS
A Member of the Perseus Books Group
New York

REVISED EDITION

SUPERSYMMETRY
and Beyond

From the Higgs Boson
to the New Physics

Gordon Kane

Foreword by 
Edward Witten

Гордон Кейн
Предисловие Эдварда Уиттена

От бозона Хиггса 
к новой физике

Перевод с английского
и научная редакция канд. физ.-мат. наук
 
Е. А. Литвиновича

 2-Е ИЗДАНИЕ, ЭЛЕКТРОННОЕ

Москва
Лаборатория знаний
2020

СУПЕР
СИММЕТРИЯ

УДК 514.84 + 539.12
ББК 22.382
К33

Кейн Г.
К33
Суперсимметрия. От бозона Хиггса к новой физике / Г. Кейн ;
предисловие Э. Уиттена ; пер. с англ. и научная редакция
Е. А. Литвиновича. — 2-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020. — 235 с. — Систем. требования: Adobe Reader XI ;
экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-806-3
Книга, написанная известным физиком-теоретиком, работающим в области элементарных частиц и теории струн, посвящена гипотетической
симметрии между частицами вещества и частицами-переносчиками взаимодействий — суперсимметрии. Если эксперименты подтвердят, что природа
действительно суперсимметрична, то, значит, существует новый класс
частиц, которые называют суперчастицами. Из этой книги читатель узнает
о том, как суперчастицы и суперсимметрия помогут ученым в создании
завершенной физической картины мира. Окончательная теория не только
будет описывать все наблюдаемые явления, но и сможет ответить на вопрос,
почему мир устроен именно так. Написанное в жанре научно-популярной
литературы данное издание не требует от читателя специальной подготовки.
Для широкого круга читателей, интересующихся вопросами мироустройства на субатомном уровне.
УДК 514.84 + 539.12
ББК 22.382

Деривативное издание на основе печатного аналога: Суперсимметрия.
От бозона Хиггса к новой физике / Г. Кейн ; предисловие Э. Уиттена ;
пер. с англ. и научная редакция Е. А. Литвиновича. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 232 с. : ил. — ISBN 978-5-9963-1676-2.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-806-3

c○ 2013 by Gordon Kane
Публикуется с разрешения издательства
Basic Books, подразделением
Perseus Books, LLC, дочерней компании
Hachette Books, New York, USA.
Все права защищены.

c○ Лаборатория знаний, 2015

4

Оглавление

Предисловие  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Предисловие к русскому изданию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Глава 1. К большим вопросам…  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Чтобы понять природу, мы должны знать частицы, 
взаимодействия и правила    Развивающиеся 
области знаний    Уравнения?    Предсказание, 
«послесказание» и проверка    Где находятся 
суперпартнеры?    Границы науки сдвигаются

Глава 2. Немного о Стандартной модели 
физики частиц. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Взаимодействия: масса, распады, кванты  
 Частицы: знаем ли мы фундаментальные 
кирпичики мироздания?   Частицы и поля    
Число частиц еще больше: античастицы, нейтрино, 
другие кварки и лептоны, бозон(ы) Хиггса    Новые 
идеи и отличительные предсказания Стандартной 
модели    Экспериментальные основания 
Стандартной модели    Спин, фермионы и бозоны  
  За пределами Стандартной модели 

Глава 3. Почему физика — самая легкая наука: 
эффективные теории  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Упорядочивание эффективных теорий по шкале 
расстояний    Суперсимметрия тоже эффективная 
теория    Физика на масштабе Планка  Масштаб 
человека

Оглавление

Глава 4. Суперсимметрия и суперчастицы: 
что добавляет суперсимметрия  . . . . . . . . . . . . . . . 82

Суперсимметрия как симметрия пространства–
времени: суперпространство    Скрытая, или 
«нарушенная», суперсимметрия

Глава 5. Поиски и изучение суперсимметрии  . . . . . . . . . . 105

Детекторы и коллайдеры    Узнавая частицысуперпартнеры   Суперчастицы и их свойства, 
фоны и сигнатуры    Будущие коллайдеры?   
Можем ли мы осуществить эксперименты, 
которые необходимо сделать?

Глава 6. Из чего состоит Вселенная?  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Какие частицы есть во Вселенной?    Является ли 
легчайший суперпартнер холодной темной 
материей Вселенной?

Глава 7. Почему физика Хиггса является 
столь волнующей и важной?. . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Поле Хиггса, механизм и бозон    Бозон Хиггса 
не из Стандартной модели

Глава 8. М/струн теории!  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Что такое М/струн теории?    Скрытая, нарушенная 
или частичная суперсимметрия    Роль данных

Глава 9. Как много мы можем понять?. . . . . . . . . . . . . . . . . 156

Проверяя теорию струн и окончательную теорию  
Практические пределы?    Антропные принципы 
и теория струн    Космологическая постоянная    
Роль дополнительных измерений    Конец науки?

Приложение. Предсказание массы бозона Хиггса 
на основе компактифицированной М-теории  . . . . . . . . . . . 178

Словарь терминов (глоссарий). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

Рекомендуемая литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

Предметный указатель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

Оглядываясь на конец ХХ в., испытываешь потрясение от 
того, сколь сильно изменилось наше понимание физики за 
последние сто лет. Вне всякого сомнения, великими озарениями начала  ХХ в. стали теория относительности и квантовая механика. Из специальной теории относительности 
Эйнштейна мы узнали о странном поведении быстро движущихся объектов, а с помощью его еще более удивительной 
общей теории относительности сумели переосмыслить гравитацию в терминах вызываемого массой искривления пространства и времени.  Квантовая  механика нам показала, что 
факт в мире атомов подчас гораздо удивительнее  выдумки.
Специальная теория относительности и квантовая механика слились в квантовую теорию поля. Самое примечательное предсказание этой теории, которое было проверено 
экспериментально в 1930-х гг. с использованием   космических лучей, это существование «антивещества». 
Последние пятьдесят лет были восхитительным периодом экспериментальных открытий, в числе которых нейтрино и кварки, «странные частицы», нарушение симметрии между левым и правым, прошлым и будущим  и пр. 
При помощи аппарата квантовой теории удалось  построить 
Стандартную модель физики  частиц, которая собирает под 
одну крышу большую часть наших знаний  о фундаментальной физике и единым образом описывает электромагнетизм, слабое  (ответственное среди прочего за ядерный бетараспад)  и сильное взаимодействия. 
Приближается ли это полное открытий путешествие 
к концу? Буквально в последние месяцы газеты были переполнены заметками о бесспорном открытии в лаборатории 
ЦЕРН, близ Женевы,  частицы Хиггса. Это открытие значительно проясняет наше понимание физики частиц и помога
Предисловие

Предисловие

ет объяснить,  почему проявления  двух  фундаментальных 
взаимодействий в мире элементарных частиц — электромагнитного и слабого — столь различны в нашем повседневном опыте. Оно также предлагает доступный экспериментальной проверке прототип новых полей,  необходимых 
для объединения взаимодействий и более ясного понимания 
ранней Вселенной в теории космической «инфляции». 
 Тем временем  в экспериментах проверяются странные 
свойства нейтрино и подтверждается, что «маленькая нейтральная частица» Ферми обладает крошечной, но все же 
ненулевой массой. Астрономы обнаружили новые волнующие свидетельства того, что общая теория относительности, 
возможно, требует корректировки введением «космологической постоянной» Эйнштейна — энергии вакуума. В новых изобретательных поисках частиц темной материи уже 
ведется прощупывание невидимой части Вселенной.  Изучение  с помощью спутников  флуктуаций излучения, испущенного в  результате  Большого взрыва,  может в ближайшие годы изменить  наше понимание ранней  Вселенной.
 Но одним из крупнейших приключений является поиск 
«суперсимметрии». Суперсимметрия это аппарат  теоретической физики,  при помощи которого ученые стремятся 
найти ответы на некоторые вопросы, остающиеся открытыми в рамках Стандартной модели физики частиц. Например, Стандартная модель не объясняет происхождения 
у частиц массы. Если бы частицы имели огромные массы, 
что допускает Стандартная модель, то Вселенная была бы 
совсем другой. В ней не было бы звезд, планет и людей, потому что объединение вместе более чем нескольких элементарных  частиц тут же приводило бы к их коллапсу в черную 
дыру. Тонкие  физические эффекты типа  искривления  пространства–времени, образования  черных дыр и квантовой 
гравитации  были бы обычным делом в повседневной жизни, за исключением того, что не было бы самой повседневной жизни.
 Если в природе есть суперсимметрия, то она является 
частью квантовой структуры пространства и времени. В повседневной жизни мы характеризуем  пространство и время 
числами: «Сейчас три часа дня, высота двести метров над 

Предисловие 
9

уровнем моря» и т. д. Число — это классическое понятие, 
известное людям задолго до создания в начале ХХ в. квантовой механики. Она  изменила  наше понимание почти всего 
в физике, но фундаментальный способ описания пространства и времени остался незатронутым.
 Доказательство суперсимметрии природы изменило бы и 
его, открыв перед нами квантовое измерение пространства 
и времени, которое не описывается обычными числами. Это 
квантовое измерение ясно бы проявилось в существовании 
новых элементарных частиц, которые могли бы рождаться 
на ускорителях и чье поведение подчинялось бы законам  суперсимметрии. Эксперименты указывают на то, что требуемая для рождения новых частиц энергия ненамного больше 
той, которая достигается сегодня на современных ускорителях. Если суперсимметрия играет в физике ту роль, которую мы от нее ожидаем, то очень вероятно, что эти частицы 
будут открыты на Большом адронном  коллайдере (БАК) 
или его модификациях в ЦЕРНе (Женева).
 Когда Эйнштейн в 1905 г. представил миру специальную, а в 1915 г. — общую теорию относительности,  квантовая механика была еще далеко в будущем, и он полагал, 
что пространство и время можно характеризовать обычными числами. Эйнштейновская концепция пространства и 
времени была подходящей для тех открытий, которые делались до сих пор, но открытие суперсимметрии приведет к 
переработке идей Эйнштейна в свете квантовой механики.
 В самом деле, суперсимметрия это одно из основных требований «теории струн», которая является тем аппаратом, 
при помощи которого теоретики  уже добились некоторого 
прогресса в объединении гравитации с другими фундаментальными взаимодействиями. Открытие суперсимметрии 
придаст  невероятный импульс развитию теории струн. Поис к суперсимметрии это одно из величайших представлений на арене современной физики. Данная книга выносит 
на рассмотрение широкой публике это развертывающееся 
на наших глазах действо!
 Эдвард Уиттен
 Принстон, 20 ноября 2012 г.

Перед вами удивительная книга. Ее автору, известному 
американскому физику-теоретику Гордону Кейну, удалось 
доступно и просто рассказать о, возможно, самых сложных 
разделах современной теоретической и математической физики — суперсимметрии и теориях струн. Книга написана 
таким образом, что позволяет читателю почувствовать себя 
ученым, ищущим понимания мира природы. Без привлечения математики в ней рассказывается о том, что такое 
Стандартная модель физики частиц и вообще физическая 
теория, из чего состоит Вселенная, что такое симметрия законов природы.
Физическая картина мира на микроуровне формулируется сегодня при помощи Стандартной модели. Это обширная 
область знаний, в рамках которой описываются эффекты и 
особенности электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий элементарных частиц. Стандартная модель предоставляет удивительно изящное и многократно проверенное 
в экспериментах описание мира элементарных частиц, но 
она не говорит, почему мир устроен именно так. В поисках 
объединения взаимодействий физика стремится к созданию 
так называемой окончательной теории, которая вберет 
в себя Стандартную модель и все многообразие явлений для 
всех возможных энергий, расстояний и масс. Стандартная 
модель обязательно будет расширена. Теории струн и суперсимметрия представляют один из путей ее расширения.
К моменту написания этой книги в двух экспериментах 
ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) 
в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) был 
обнаружен бозон Хиггса — единственная фундаменталь
Предисловие 
к русскому изданию

«...Мир остается вечным,
может быть постижимым,
но все-таки бесконечным.»
Иосиф Бродский. Пилигримы