Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

В отличие от моделей с большими дополнительными измерениями, модели, основанные на геометрии свернутого пространства, не заменяют прежнюю загадку (проблему иерархии) новой (почему дополнительные измерения настолько велики?). В свернутой геометрии дополнительные измерения вовсе не велики, а большие числа возникают в результате экспоненциального масштабирования пространства и времени. Экспоненциальное масштабирование делает отношение размеров — и масс — объектов громадным даже в тех случаях, когда эти объекты очень близки друг к другу в многомерном пространстве.

Экспоненциальная функция не придумана нами. Она возникает из уникального решения уравнений Эйнштейна в предложенном нами сценарии. Мы с Раманом вычислили, что в свернутой геометрии отношение сил гравитационного и слабого взаимодействий экспоненциально зависит от расстояния между двумя бра- нами. Если промежуток между ними измеряется разумной величиной — что‑нибудь вроде нескольких десятков единиц в терминах гравитационной шкалы, — то верное иерархическое соотношение между массами и силами взаимодействий возникает вполне естественно.

В свернутой геометрии гравитация в нашем мире слаба не потому, что «растекается» по большим дополнительным измерениям, а потому, что сконцентрирована в другом месте: на другой бране. Наша гравитация — всего лишь «хвост» того, что в других регионах многомерного мира проявляется как очень интенсивное взаимодействие.

Мы не видим другой вселенной, потому что наши браны объединяет лишь сила гравитационного взаимодействия, а гравитация здесь слишком слаба, чтобы передавать легко наблюдаемые сигналы. Вообще говоря, этот сценарий можно рассматривать как единственный пример мультивселенной, в которой содержимое и элементы нашего мира взаимодействуют очень слабо — а иногда и совсем не взаимодействуют — с содержимым другого мира. Большинство подобных построений проверить невозможно. В конце концов, если какое‑то вещество находится так далеко, что его свет не достигнет нас даже за все время жизни Вселенной, мы никак не сможем убедиться в его существовании. Предложенный нами сценарий мультивселенной необычен тем, что общее для двух миров гравитационное взаимодействие имеет экспериментально проверяемые следствия. Мы не рассчитываем непосредственно добраться до второй вселенной, но частицы, путешествующие в многомерном пространстве, могут попасть и в наш мир.

Самым очевидным следствием многомерности мира при отсутствии детальных исследований — таких, какие будут проводиться на БАКе, —является объяснение иерархии масштабов масс, в котором нуждается любая теория физики элементарных частиц, чтобы успешно описывать наблюдаемые явления.

Мы надеемся, что высокие энергии, которые планируется получить на БАКе, помогут нам понять, что представляет собой дополнительное пространственное измерение — всего лишь причудливую идею или реальный факт бытия Вселенной. Если наша теория верна, то следует ожидать, что на БАКе будут получены моды Калуцы — Клейна. Из‑за связи с проблемой иерархии масштаб энергий, на котором при таком сценарии следует искать КК–моды, примерно соответствует тому масштабу, который будет исследоваться на БАКе в рабочем режиме. Считается, что КК–моды в этом случае должны обладать массой порядка 1 ТэВ, то есть масштаба слабого взаимодействия. Эти тяжелые частицы, возможно, возникнут, как только на БАКе будут достигнуты достаточно высокие энергии. Обнаружение КК–частиц послужило бы ключевым доказательством нашей идеи и позволило бы заглянуть в огромный непознанный мир.

Заметим, что КК–моды свернутой геометрии обладают важной отличительной чертой. Если сам гравитон взаимодействует с окружающим необычайно слабо — в конце концов, он передает чрезвычайно слабое гравитационное взаимодействие, — то КК- моды гравитона взаимодействуют гораздо активнее и сильнее, почти на уровне так называемого слабого взаимодействия, которое в триллионы раз сильнее гравитации.

Причина того, что КК–гравитоны взаимодействуют с такой удивительной силой, заключается в особенностях свернутой геометрии, по которой они путешествуют. Из‑за сильной искривленности пространства–времени взаимодействия КК–гравитонов намного сильнее, чем взаимодействия самого гравитона, переносящего то самое гравитационное взаимодействие, которое мы испытываем. В свернутой геометрии масштабируются не только массы, но и гравитационные взаимодействия. Расчеты показывают, что в свернутой геометрии взаимодействия КК–гравитонов сравнимы по силе с взаимодействием частиц масштаба слабого взаимодействия.

Это означает, что, в отличие от суперсимметричных моделей, а также маловероятных моделей с большими дополнительными измерениями, для экспериментального доказательства этого сценария не придется искать и измерять недостающую энергию на месте интересных частиц, сумевших ускользнуть незамеченными. Вместо этого у нас будут гораздо более четкие и простые для распознавания сигнатуры в виде частиц, которые внутри детектора будут распадаться на частицы Стандартной модели, оставляющие видимые следы (см. пример на рис. 69, где КК–частица рождается и распадается на электрон и позитрон).

РИС. 69. В моделях Рэндалл — Сандрама КК–гравитон может родиться и распасться внутри детектора на видимые и легко обнаружимые частицы, такие как электрон и позитрон

Именно так, кстати говоря, открывались все новые тяжелые частицы. Непосредственно они не видны, но можно наблюдать те частицы, на которые они распадаются. Такие наблюдения принципиально дают намного больше информации, чем можно получить путем измерения недостающей энергии. Путем изучения свойств продуктов распада экспериментаторы могут многое узнать и о свойствах первоначальной частицы.

Если сценарий со свернутой геометрией соответствует действительности, мы скоро увидим пары частиц, рождающихся при распаде КК–мод гравитона. Измерив энергии, заряды и другие свойства частиц конечного состояния, экспериментаторы смогут определить по ним массу и другие свойства КК–частиц. Эти идентифицирующие признаки наряду с относительными частотами распада в разные конечные состояния должны помочь экспериментаторам определить, открыли ли они в самом деле КК–гравитон или какую‑нибудь иную новую экзотическую сущность. Модель говорит нам о природе частицы, которую предстоит обнаружить, если эта модель верна, и предсказания, сформулированные на основе этих данных, должны помочь физикам различить возможные варианты.

Один мой друг–сценарист никак не может взять в толк, почему я, зная о потенциальных последствиях возможных в ближайшее время открытий, не сгораю от нетерпения в ожидании новых экспериментальных данных. При каждой нашей встрече он настойчиво спрашивает: «Ну, разве результаты этих исследований не изменят нашу жизнь? Они ведь могут подтвердить ваши теории? Почему вы не в Женеве и не общаетесь постоянно с тамошними иссл ед ов ателями? »

Конечно, в чем‑то он прав. Но экспериментаторы уже знают, что нужно искать и на что обращать внимание, так что большая часть теоретической работы уже проделана. Когда у нас появляются новые идеи о том, что можно поискать, мы, естественно, с ними связываемся. Для этого нам не обязательно лететь в Европейский центр ядерных исследований и общаться лично. Да и ученых можно найти где угодно — как на территории США, так и почти в любом уголке мира. Телекоммуникации сегодня очень развиты и прекрасно работают, отчасти благодаря тому открытию, которое много лет назад в том же CERN привело Тима Бернерса–Ли к созданию Интернета.