Великие теории объединения, которыми физики кокетничают с журналистами уже полвека, тащат за собой скелет такого размера, что его впору назвать слоном — и зовут этого слона проблемой дублет-триплетного расщепления.
Драма, которую вам не показали в учебнике
В научпопе всё всегда красиво. Сначала была одна Сила, потом она расщепилась, потом физики придумали, как склеить её обратно — и вот оно, торжество разума, окей, сходим за Нобелевкой. Но если открыть капот этой блестящей машины, там обнаруживается такое количество скотча, проволоки и молитв, что становится неловко за всю профессию.
Главный позор лежит ровно в той точке, где Стандартная модель пытается породниться с Теориями Великого Объединения — сокращённо ТВО, по-английски GUT, что переводится как «кишки», и это, ей-богу, самый честный физический термин за последние сто лет. Потому что когда ты лезешь в эти кишки, ты находишь там одну конкретную опухоль, которую не вырезали ни Джорджи, ни Глэшоу, ни их многочисленные интеллектуальные наследники.
Опухоль зовётся расщеплением дублета и триплета. И суть её до неприличия простая: природа каким-то чудом сделала одну часть хиггсовского поля смехотворно лёгкой, а другую — чудовищно тяжёлой. Без всякой видимой причины. Просто потому, что иначе вся реальность к утру разваливалась бы на кварковую кашу. А раз не разваливается — значит, природа знает что-то, чего не знают физики. И вот это вот «знает что-то» бесит теоретиков уже сорок с лишним лет.
Зачем вообще понадобилось это Великое Объединение
Чтобы понять масштаб конфуза, придётся отступить на шаг. В Стандартной модели у нас есть три фундаментальные силы — электромагнитная, слабая и сильная — и каждая описывается своей собственной симметрией. Электрослабая склеивается из SU(2)×U(1), сильная сидит на SU(3). Три отдельных хозяйства, три набора констант связи, три набора заряда. Бухгалтерия, прямо скажем, для маленькой ремесленной мастерской, а не для Создателя Вселенной.
Физикам с эстетическим воспитанием это казалось дико некрасивым. Они посмотрели на то, как поведение этих трёх констант сходится в одной точке где-то на энергиях порядка десяти в шестнадцатой степени гигаэлектронвольт — и решили: ага, вот же оно, на этой шкале все три силы — одно и то же существо в трёх масках. Так и родилась идея запихнуть всё в одну большую группу симметрии, типа SU(5) у Джорджи и Глэшоу, или SO(10) у тех, кому пятёрки было мало.
И в этом, надо сказать, есть очаровательное обещание: одна группа, одна константа, одна формула — и при этом из неё естественно вылезает квантование заряда, объясняется, почему у электрона и протона заряды равны по модулю с такой неприличной точностью, и даже проскакивает заманчивое предсказание про распад протона.
Распад протона! Вот где собака и зарыта. Потому что протон, голубчик, как раз должен жить очень-очень долго. Не вечно, но достаточно, чтобы вы успели дочитать эту статью, не превратившись по дороге в облако пионов. И вот тут начинается самое интересное.
Семейка Хиггсов: один лёгкий, другой смертельный
Вот теперь главное блюдо. В Стандартной модели у нас есть хиггсовский бозон — тот самый, которого с помпой откопали в ЦЕРНе в 2012 году. Технически это не одна частица, а электрослабый дублет, дуэт из четырёх компонент, три из которых съедаются W- и Z-бозонами, а одна остаётся болтаться на всеобщее обозрение. Масса у него — каких-то жалких 125 ГэВ. Лёгкий, почти ручной.
Но когда вы запихиваете Стандартную модель внутрь SU(5), хиггсовский дублет не может болтаться сам по себе. По правилам группы он обязан тащить с собой ещё и триплет — три цветных собрата, которые сидят с ним в одном мультиплете, как родственники на свадьбе, от которых не отвертишься. Это как купить квартиру, а в нагрузку получить трёх дядюшек-алкоголиков, которые отказываются съезжать.
И вот эти триплетные дядюшки — твари серьёзные. У них есть нехорошее свойство: они переносят взаимодействие, превращающее кварки в лептоны. То есть, простите, протон распадается — на позитрон и пион, например. Если триплет будет лёгким, как и его братец-дублет, то протоны во Вселенной разваливались бы за миллиардные доли секунды, и вы бы сейчас не читали этот текст, потому что ни вас, ни текста, ни даже атомов углерода не существовало бы в принципе.
Решение очевидное: сделать триплет супертяжёлым. Грубо говоря, на масштабе Великого Объединения, то есть в десять-в-четырнадцатой степени раз тяжелее дублета. Но вот фокус: оба они вылезают из одного и того же поля, описываемого одной и той же группой симметрии, и единственный естественный сценарий — чтобы массы у них были примерно равны. А они не равны. Они различаются в сто триллионов раз. И что-то ведь должно это различие удерживать. Иначе квантовые поправки за один росчерк пера всё уравняют — и привет, протон, ты распался.
Костыли, подпорки и магические заклинания
Теоретики, естественно, не сидели сложа руки. Они перепробовали всё. Сначала придумали механизм недостающего партнёра — суть в том, чтобы триплет имел партнёра, с которым можно сделать тяжёлую пару, а у дублета такого партнёра не было. Звучит элегантно, пока не видишь, какие выкрутасы приходится делать с представлениями групп, чтобы это работало. Это как объяснять, почему один близнец вдруг стал баскетболистом, а второй — карликом, ссылаясь на разные диеты.
Потом подоспели сдвигающиеся синглеты, орбифолды, GUT-теории на дополнительных измерениях, где триплет и дублет аккуратно разводят по разным углам пятого, шестого или седьмого измерения, лишь бы они друг друга не видели. В суперсимметричных версиях добавляют отдельные правила симметрии, по которым триплет приобретает массу, а дублет — нет, и эти правила надо специально ввести руками, потому что сама теория их не предлагает.
А ещё есть антропный аргумент: мол, в той Вселенной, где триплет лёгкий, протоны распались, наблюдателей нет, а раз вы наблюдаете — значит, вам повезло родиться в правильной части мультиверса. Это, простите, не физика, а гороскоп. Если завтра у меня сломается машина, я тоже могу объяснить это тем, что в параллельной Вселенной она работает, а я просто проиграл лотерею.
И финальный гвоздь — тонкая настройка. Просто берёшь и подкручиваешь параметры теории с точностью до четырнадцатого знака после запятой, чтобы дублет получился лёгким. Этакая физика прецизионных часовщиков, где ремень-генератор Вселенной приходится крутить с точностью атомарного хирурга. Беда в том, что любая мелкая квантовая поправка эту настройку обнуляет. Это всё равно что балансировать карандашом на острие иглы во время землетрясения — и при этом делать вид, что так и было задумано.
Тонкая настройка как новая религия
И вот тут пора задать неудобный вопрос, который физикам задавать не принято. А что, если эта самая дублет-триплетная драма — не баг ТВО, а её намекающее банкротство? Что, если природа всем своим видом показывает: ребята, вы просто упёрлись не в ту стенку?
Потому что давайте начистоту. Когда ты строишь теорию, в которой объяснение наблюдаемой реальности требует тонкой настройки двадцати пяти параметров до четырнадцатого знака — это уже не теория. Это аппроксимация под факты. Та же самая пляска бубнами, которую устраивали астрономы перед Коперником, добавляя эпициклы к эпициклам, чтобы спасти геоцентрическую модель.
И вот суперсимметрия, которую так долго рекламировали как лекарство — она же тоже до сих пор не нашлась в ускорителях. Большой адронный коллайдер обыскали сверху донизу, по карманам пошарили — никаких суперпартнёров. А именно суперсимметрия должна была стабилизировать иерархию между дублетом и триплетом, защищая лёгкость дублета от квантовых поправок. Без неё — голый король, машет ручкой.
Получается забавная картинка: чтобы спасти ТВО, нужны магические дополнительные принципы, которые сами по себе не наблюдаются и не предсказываются. Это богословие в физическом обличии. Сначала постулируется красивая идея, потом для её защиты постулируется ещё одна, потом ещё одна, и через двадцать лет ты обнаруживаешь, что у тебя теория с восьмьюдесятью свободными параметрами, которая всё равно не предсказывает массу хиггса с первой попытки.
И что нам со всем этим делать
Может, вообще пора признать: ТВО в их классическом виде — мёртвая лошадь, на которой удобно сидели сорок лет, потому что слезать страшно. И дублет-триплетная проблема — это не мелкая техническая загвоздка, которую завтра решит какой-нибудь пытливый аспирант. Это симптом. Симптом того, что мы пытаемся натянуть симметрию на реальность, а реальность упирается всеми лапами.
Возможно, природа не любит ТВО. Возможно, унификация на масштабе десять-в-шестнадцатой не происходит вообще, и красивое сходящееся «тройное копьё» констант — это просто оптическая иллюзия, удачное совпадение, эффект экстраполяции на тринадцать порядков по энергии без единой проверки. Возможно, истина лежит в чём-то совершенно другом — в композитности хиггса, в многомерных бранах, в безумной голографии, или в том, что хиггса как такового вообще нет, а есть динамическая иллюзия, как и сама масса.
А пока физики молятся на свою тонкую настройку и пишут статьи о том, что антропный принцип — это, оказывается, тоже вид объяснения, реальный мир продолжает невозмутимо хранить протоны от распада. Без всякой ТВО. Без суперсимметрии. Без четырнадцати знаков после запятой. Просто потому, что у природы свои правила, и она нам их пока не показала. А может, и не покажет — пока мы не перестанем притворяться, будто уже всё поняли.