Пока гравитационные взаимодействи
я вообще не входят в Стандартную Модель, но считается, что в Стандартную М
одель входят сильные взаимодействия, электромагнитные и слабые. Так вот
электромагнитные взаимодействия уже входят в Стандартную Модель некот
орым объединённым образом…
Э.Б. Со слабыми взаимодействиями.
И.В. Со слабыми взаимодействиями, да, и эти взаимодействия пол
учили название электрослабых. Поэтому Стандартная Модель Ц это уже как
ой-то шаг по пути объединения, и желательно двигаться дальше в этом напра
влении.
Э.Б. Всё зависит от того энергетического масштаба, на котором
мы смотрим на эти силы. То понятие, которое нам потребуется сегодня Ц это
ГэВ. ГэВ Ц это 10 в 9-й электрон-Вольт. И, в частности, в этих единицах измеряю
тся массы протона и нейтрона, это грубая оценка, но, тем не менее, она вполн
е достаточна для нас.
И.В. Масса протона и нейтрона Ц это примерно один вес.
Э.Б. Массы протона и нейтрона примерно одинаковые, это пример
но один ГэВ. Кварки и лептоны Ц это те составляющие кирпичики, из которых
весь наш мир построен, и из этой схемы видно, что кварки и лептоны делятся
на три поколения. Я замечу, что все эти частицы, которые указаны в таблице,
уже были открыты экспериментально. Всё это не просто разговоры, всё это п
омеряно и найдено в конкретных экспериментах. В частности, последний ТОП
, или Т-кварк с массой 175 ГэВ, это 175 протонов, грубо говоря. Только в отличие от
ядра Стандартной Модели размер этого Т-кварка пока не разрешён. Он, по кр
айней мере, 10 в минус 18-й сантиметра, или что-то в этом духе. И никакой структ
уры не имеющий.
А.Г. То есть, вот эти символы, которыми здесь изображаются лепт
оны и кварки, не должны вводить нас в заблуждение. Потому что здесь это нек
ие шарики, почти твёрдые тела, а на самом деле это далеко не так.
И.В. Просто мы пытались так представить их относительные масс
ы.
Э.Б. Так мы пытались представить относительные массы, но не ра
змеры. С точки зрения размеров в Стандартной Модели всё это точечноподоб
ные частицы. И это тоже, на самом деле, одна из загадок Стандартной Модели.

Как понять, что Т-кварк с одной стороны имеет массу 175, а это чуть меньше мас
сы ядра золота, но при этом остаётся точечным объектом? В то время как в яд
ре золота собраны 190 протонов и нейтронов, и это весьма и весьма большое об
разование. Вот вкратце структура.
Но может быть, стоит упомянуть об этом открытии Т-кварка? Просто чтобы инф
ормацию дать, потому что это совсем недавнее открытие, оно состоялось в 95-
м году на американском коллайдере «Тэватрон» в Брукхейвене, в Фермилабе
. На этом коллайдере сталкивались пучки протонов и антипротонов. Может б
ыть, картинку номер три нам покажут? Вот видите, здесь изображено, как прот
он с зарядом плюс единица сталкивается с антипротоном с зарядом минус ед
иница. Тогда те кварки и глюоны, которые образуют этот протон, сталкивают
ся между собой, и в результате рождается пара кварков Т и анти-Т. Эта пара к
варков Т и анти-Т распадается в W-бозон и B-кварк, в W-бозон и анти B-кварк, кото
рые дальше распадаются соответственно в дубль W плюс или дубль W минус боз
оны (это переносчики слабых взаимодействий) и в один из лептонов или квар
ков, указанных выше.
Лептон регистрируется, нейтрино проявляется как недостающая энергия в
детекторе, а лёгкий кварк проявляется как так называемая «струя», узеньк
ий пучок частиц, летящих в определённом направлении, это тоже регистриру
ется соответствующим детектором. Благодаря соответствующим энергетич
еским измерениям получена масса Т-кварка. На сегодняшний день масса Т-кв
арка известна с достаточно приличной точностью Ц 175 ± 5 ГэВ, этот объект хо
рошо установлен и обнаружен.
А.Г. Но он не стабилен?
Э.Б. Он нестабилен, крайне нестабилен. И в этом, кстати, тоже его
фундаментальное отличие от других объектов, поскольку все другие кварк
и образуют адроны, соединяясь с другими кварками. Т-кварк адронов не обра
зует, потому что он тяжёлый, и он распадается до того, как с кем-то ещё соеди
ниться, как говорят, в связное состояние, в какой-то нуклон. Для этого не хв
атает времени, он вначале распадается, образуя в частности, B-мезон с этим B
-кварком. Но это просто для иллюстрации Ц как был обнаружен последний из
этих кварков. Это было сделано в Америке, но двумя крупнейшими междунаро
дными коллаборациями, в которых, в частности, российские институты прини
мают активное участие.
А.Г. Мы можем сегодня утверждать, что Т-кварк Ц самый массивны
й, и другого, более массивного, найдено не будет?
Э.Б. Очень хороший вопрос. Есть утверждение, что все кварки объ
единены в поколения. На сегодняшний день поколений Ц три. Вообще говоря,
почему не быть четвёртому поколению? Сейчас известно, что было бы очень т
рудно сделать четвёртое поколение лептонов, в котором было бы лёгкое чет
вёртое нейтрино. Потому что уже были поставлены эксперименты (это было с
делано на другом коллайдере, ЛЭП, в ЦЕРНе, который совсем недавно закончи
л свою работу), и один из последних результатов был такой, что четвёртого п
околения быть не может. Число поколений, строго говоря, это число нейтрин
о, и если нейтрино массивное, то тогда таких ограничений не возникает, а во
т если оно лёгкое, то четвёртого поколения не может быть.
Но вообще говоря, можно устроить четвёртое поколение, и есть такие схемы,
конечно. В принципе, априори нет никакого запрета, нельзя сказать: нет, так
ое невозможно.
И.В. Может быть, просто будут тяжёлые фермионы, но они не будут
кварками. Тяжёлые фермионы вполне могут быть, и в частности, это тоже може
т быть связано с существованием дополнительных измерений.
Э.Б. И, может быть, последний кирпичик Стандартной Модели (кото
рый не очень-то, может быть, был изображён на этой схеме, это на самом деле о
дно из наиболее тонких мест в Стандартной Модели, с одной стороны, и наибо
лее интересных, с другой стороны), это ещё одна частица, так называемый боз
он Хиггса Ц это скалярное поле или скалярная частица, которая пока не об
наружена. Единственный объект в Стандартной Модели, который пока не найд
ен Ц это бозон Хиггса, и он, собственно говоря, ответствен за то, чтобы сде
лать эту формальную схему настоящей теоретико-полевой конструкцией с т
еми правилами, которые приняты в квантовой теории поля.
А.Г. Он предсказан теорией, но в эксперименте…
Э.Б. Он предсказан теорией, но в эксперименте пока не обнаруже
н. Стандартная Модель, правда, сама по себе не предсказывает значения мас
сы этой частицы. Масса этой частицы неизвестна, но уже существуют доволь
но жёсткие ограничения Ц какой она не может быть, и какие интервалы для н
её остались.
В частности, была совершенно замечательная история. В конце работы ускор
ителя ЛЭП-2, незадолго до её окончания, было найдено указание на то, что ест
ь некий небольшой резонансик, количество событий там превышало уровень
фона, что указывало на то, что, возможно, есть Хиггс с массой порядка 115 ГэВ. Э
тот вопрос очень широко обсуждался в научной среде, а в результате дирек
торат ЦЕРНа должен был принять решение: продлевать ли работу ЛЭП-2 дальше
, потому что единственное, чего не хватало, это статистики. То есть нужно б
ыло больше событий, чтобы подтвердить результат более достоверно.
А.Г. Уйти от шума.
Э.Б. Уйти от шума, совершенно верно. Но для этого, по оценкам спе
циалистов, нужно было ещё поработать год. Но если поработать год, тогда су
щественно затягивался запуск следующего ускорителя, который планирует
ся в ЦЕРНе, так называемого «Large Hadron Collider», огромного коллайдера. И затяжка на го
д здесь приводила к тому, что пуск этого коллайдера мог затянуться на оче
нь долгие годы.
А.Г. И они решили отложить…
Э.Б. И поэтому в итоге обнаружение было отложено.
И.В. Я думаю, что мы очень хорошо рассказали о Стандартной Моде
ли…
А.Г. Да, я всё понял, теперь о проблемах.
И.В. Проблем много. Очень хорошая модель, но проблем, конечно, м
ного.
Э.Б. На самом деле Стандартная Модель Ц это некая схема и она,
по существу, не отвечает ни на один фундаментальный вопрос «почему?» Соб
ственно говоря, почему три поколения (вы задали совершенно справедливый
вопрос)? почему есть аналогия между лептонами и кварками, так называемая
кварк-лептонная аналогия?
И.В. Но не полная. Пока нейтрино безмассовое, это не полная анал
огия.
Э.Б. Да, и потом ещё с такой большой разницей масс у поколений. К
огда 0,5 МэВ (МэВ Ц это 10^-3 ГэВ) масса у электрона, с одной стороны, и 175 ГэВ Ц мас
са Т-кварка. Много-много порядков разница в массах Ц это тоже необъяснён
ный факт. Он, в общем-то, параметризуется через механизм Хиггса, но это, ско
рее, просто описание без глубокого понимания, почему так произошло. Такж
е лептоны и кварки обладают разными квантовыми числами, такими как лепто
нный заряд, барионный заряд, электрический заряд.
И.В. Почему, например, у кварков дробный электрический заряд, в
то время как у лептонов целочисленный Ц это тоже вопрос, на который Стан
дартная Модель не отвечает. Ну, и наконец, почему гравитационные взаимод
ействия остаются в стороне, почему взаимодействия Стандартной Модели т
ак сильно отличаются по своей силе от гравитационного взаимодействия? Д
аже и трудно себе представить, как можно их сблизить.
Э.Б. И одна из наиболее серьёзных (в какой-то степени, может быт
ь, технических, но с другой стороны, и фундаментальных) проблем Стандартн
ой Модели Ц это объяснение или, точнее, отсутствие объяснения в этой мод
ели: собственно говоря, почему Хиггс-бозон, если он есть, почему он может б
ыть таким лёгким, как 175 или 115, например, ГэВ. Дело в том, что массе Хиггса можн
о задать такое значение, но Стандартная Модель Ц это квантовая теория п
оля, а в квантовой теории поля есть радиационные поправки к любой величи
не.
Так вот, радиационные поправки к массе Хиггса приводят к тому, что они мог
ут быть очень большими. У нас фундаментальный масштаб здесь Ц это велич
ина порядка сотни ГэВ. Если следующий фундаментальный масштаб Ц это мас
са Планка (10^-19 ГэВ), то тогда, в общем-то, не видно особых причин, почему этот Х
иггс туда радиационными поправками не будет отодвигаться. Связь между э
тими масштабами и почему они настолько сильно отличаются Ц это называе
тся проблемой иерархии масштабов. А проблема с массой Хиггса (почему она
может быть такой маленькой) Ц это так называемая проблема натуральност
и Стандартной Модели. То есть должен быть какой-то механизм или симметри
я, которая не позволяла бы этой массе уходить так далеко. Или теория должн
а как-то видоизмениться.
А.Г. То, что мы представляем себе для величин астрофизических,
то есть почему звёзды расположены относительно масштабов Солнечной си
стемы так редко, а вообще-то, равномерно и повсеместно? Почему чёрная дыра
, обладая маленьким объёмом, обладает огромной массой? Это всё мы предста
вляем в этих сверхвеличинах, и теперь нужно найти ответы, которые бы объя
сняли, как одно с другим соединить.
Э.Б. И мы тоже обсуждали этот вопрос. Обычно люди обсуждают тео
рии типа суперструн, которые начинаются на масштабах Планка, где-то 10^-19 Гэ
В, и потом делается редукция и смотрится, что же можно получить на масштаб
ах примерно 100 ГэВ Ц это очень сложный переход, до конца никем не понятый.

И.В. Корректно не проделанный.
Э.Б. Корректно не проделанный, тут очень много вопросов. И пред
сказательная сила в результате становится не такой большой. Мы думали, ч
то пойдём с другой стороны от тех проблем, которые есть на этих 100 ГэВах, и к
ак можно было бы продвинуться, сделать шаг туда…
А.Г. Учитывая, что дополнительного времени нам никто не даст в
этой программе, расскажите, пожалуйста, о ваших путях.
И.В. Существует много путей выхода за рамки Стандартной Модел
и. Необходимо всё это анализировать, потому что в планируемых эксперимен
тах новые события нужно каким-то образом оценивать, нужно попытаться по
нять в пользу какой теории они свидетельствуют, и существует много разны
х гипотез, находящихся за рамками Стандартной Модели. Многие просто разв
ивают логику Стандартной Модели, продолжают дальше так называемый кали
бровочный принцип, который лежит в её основе.
Но может быть, один из наиболее радикальных способов Ц это гипотеза о су
ществовании дополнительных измерений пространства-времени. Гипотеза
очень старая. Высказана оно была в начале 20-х годов прошлого века Томасом
Калуцей. Причём, интересно, что к этой гипотезе некоторое отношение, с сам
ого её рождения, имел Альберт Эйнштейн, потому что работа Томаса Калуцы, б
ыла представлена в Прусскую Академию наук именно Альбертом Эйнштейном.
Работа называлась «О проблеме единства физики», и эта работа фактически
была второй попыткой построения объединённых теорий.
В начале 20-го века было известно только два взаимодействия Ц гравитацио
нное и электромагнитное Ц те взаимодействия, которые присутствуют в ма
кроскопическом мире. И, конечно, физики пытались объединять эти взаимоде
йствия в некоторые универсальные. Первая попытка была сделана Вейлем в 1918
-м году, там была сложная теория, но четырехмерная. И вот, по-видимому, под в
лиянием идеи Вейля, Калуца в 1921-м году объединил, как он считал, гравитацию
и электромагнетизм в рамках пятимерной теории гравитации. А именно Ц он
заметил, что если рассматривать чистую гравитацию в пятимерном простра
нстве, и предположить, что гравитационное поле не зависит от координаты
пятого дополнительного измерения, то оказывается, что такая теория с точ
ки зрения четырехмерного наблюдателя, будет представлять собой четыре
хмерную теорию гравитации плюс электромагнетизм. Вот такая замечатель
ная вещь.
А.Г. Введение пятого измерения позволяет объединить эти два в
заимодействия.
И.В. Да, Калуца считал, что введение пятого измерения позволяе
т объединить эти два взаимодействия. При этом вектор-потенциал электром
агнитного поля возникает из смешанных компонентов метрического тензор
а, которые отвечают и четырехмерному пространству, и дополнительному из
мерению. Это так называемый вектор-потенциал. И вот Калуца обратил на это
внимание.
В 20-х годах прошлого века был ещё ряд работ на эту тему, разные физики об эт
ом писали, и, по-видимому, идея имела даже широкий общественный резонанс,
потому что, если помните, в романе Булгакова «Мастер и Маргарита» бал Вол
анда проходил именно в дополнительном измерении. Как московская кварти
ра могла всё это вместить, не представляет труда понять тому, кто хорошо з
наком с теорией пятого измерения. По-видимому, это волновало умы людей уж
е и в то время.
Ещё одна интересная работа была тоже в 20-х годах, тоже посвящённая теории
Калуцы Ц работа Оскара Клейна. В этой работе он впервые попытался объед
инить принципы квантовой механики с гипотезой о существовании дополни
тельного измерения. Он пришёл к интересному выводу, что если существует
дополнительное измерение, то зависимость волновой функции от координа
ты дополнительного измерения должна определяться массами частиц. В общ
ем, это правильный вывод, который позже подтвердился, но не в такой форме,
как предполагал этой Клейн.
Но в 20-е годы так и не смогли решить проблему, почему же это дополнительное
измерение не наблюдаемо, то есть если есть дополнительные измерения, то
почему же мы…
А.Г. Продолжаем жить в четырехмерном?
И.В. Продолжаем жить в четырех измерениях, а не расширяем наш м
ир, или наши квартиры, совершенно безгранично в это пятое измерение.
Э.Б. Как у фантастов это было широко принято.
И.В. Как у писателей-фантастов, да. Так вот ответ на этот вопрос
дал опять же Эйнштейн. Вы знаете, что в 30-х годах Эйнштейн работал над едино
й теорией поля. Он пытался создать единую теорию поля разными способами,
у него были разные подходы, и в какой-то момент он обратился к гипотезе Ка
луцы, которую он, конечно же, отлично знал, и тоже попытался объединить гра
витацию с электромагнетизмом Ц также, как делал это Калуца.
Но он обратил внимание на очевидную проблему: что же делать с ненаблюдае
мостью пятого измерения? И вот в 1938-м году Эйнштейн вместе с Бергманом напи
сал работу, в которой фактически предложил идею, определившую развитие т
еории с дополнительными измерениями на многие годы вперёд. А именно они
предположили, что дополнительное измерение ненаблюдаемо потому, что св
ёрнуто в окружность и имеет очень маленькие размеры. Поэтому для таких м
акроскопических существ, какими мы с вами являемся, оно ненаблюдаемо.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29