Открывая новые размерности на LHC.

(CERN Courier, 2000,  2)

     Новый LHC коллайдер ЦЕРНа, который намечено запустить в действие в 2005 году, должен найти долгожданную "частицу Хиггса ",  обеспечивающую другие частицы массой. В полностью новом энергетическом интервале и при его специальных экспериментальных возможностях LHC мог бы также обнаружить и другие новые эффекты физики.
      Почему гравитация так слаба? Традиционный ответ --- потому что фундаментальный масштаб гравитационного взаимодействия (то есть энергия, при которой гравитационные эффекты станут сопоставимыми с другими) равен планковскому масштабу --- около $10^{19}$ ГэВ, что гораздо больше, чем для других взаимодействий. Однако, это только поднимает другой вопрос: каково происхождение этого огромного неравенства между фундаментальным масштабом гравитации и  других взаимодействий?
       Возможное объяснение, в настоящее время завоевывающее доверие в теоретических кругах, состоит в том, что фундаментальный масштаб гравитации, в действительности, не является планковским, а только кажется нам таковым. Согласно этой школе мысли, фактически происходит то, что гравитация является уникальной среди всех сил и действует в дополнительных размерностях. Это означает, что большая часть гравитационного потока невидима для нас, запертых в наши три измерения пространства и одно -- времени.
       Рассмотрим, по аналогии, что двумерные флатландцы (flatlanders) сделали бы из трехмерного электромагнетизма. Для них силовые линии между двумя зарядами  казались бы  расположенными в их плоском мире, тогда как в действительности мы знаем, что большинство линий  распространяется через третье измерение, таким образом ослабляя силу между двумя зарядами.
        Конечно, если бы это третье измерение было бесконечных размеров, как  в нашем мире, то флатландцы увидели бы  закон $1/r^2$ зависимости для силы между зарядами, вместо закона $1/r$, который они предскажут для электромагнетизма, ограниченного плоскостью. Если, с другой стороны, дополнительное третье пространственное измерение имеет конечные размеры, скажем, это будет круг  радиуса $R$, то для расстояний больших, чем $R$, линии потока не смогут больше распространяться в третьем измерении, и закон силы стремится асимптотически к тому, который ожидал бы флатландский физик: $1/r$.
       Однако, начальное распространение линий потока в третье измерение дает существенный эффект: сила кажется флатландцу более слабой,  чем она есть на самом деле, так же как гравитация кажется слабой  нам.
        Возвращаясь к гравитации,  модели дополнительных размерностей произошли из теоретических исследований в теории (мем)бран, многомерных наследников  теорий струн (см. CERN Courier,  апрель 1999, p.13).  Замечательным свойством этих моделей является то, что  они показывают,  что   для электромагнетизма, слабой силы и силы, действующей между кварками, является весьма естественным и последовательным быть ограниченными браной, в то время как гравитация действует в большем числе пространственных измерений.
        Требование правильного воспроизведения  константы Ньютона, $G$, на дальних расстояниях ведет к связи между величиной дополнительных размерностей, в которых гравитация  свободна действовать,  и числом этих дополнительных размерностей. Если бы имелась только одна дополнительная размерность, то модель говорит, что она должна иметь порядок $10^{13}$ м, тогда динамика Солнечной  Системы была бы радикально отличной, и нам преподавали бы в школе закон Ньютона $1/r^3$,  вместо закона $1/r^2$, который мы знаем и любим.
        Так что одна дополнительная размерность не работает. С двумя дополнительными размерностями, масштаб понижается до числа, слегка меньшего  1 мм,  и хотя он столь мал, но сначала кажется удивительным, что дополнительные размерности такого размера до сих пор не были замечены. Однако, поскольку дополнительные размерности затрагивают только гравитацию, наиболее прямые ограничения возникают из экспериментов по измерению $G$ на коротких расстояниях, и порывшись в исторической литературе по данному предмету, мы обнаруживаем, что никаких измерений $G$ на субмиллиметровой шкале никогда не делалось.
         Команда во главе с Ароном Капитульником в Стэнфорде в настоящее время занята точными измерениями $G$ на субмиллиметровых масштабах,  впервые используя настольный эксперимент. Для более чем двух дополнительных размерностей их размер начинает становиться весьма маленьким:  например, $1$ ферми для шести дополнительных размерностей, это вне области даже улучшенных субмиллиметровых экспериментов по гравитации. Однако, модель дает еще множество драматических предсказаний. Если гравитация имеет в своем распоряжении дополнительные размерности, они должны проявиться на LHC протонном коллайдере ЦЕРНа, который намечено ввести в действие в 2005 году, независимо от того, каково число дополнительных размерностей. Это происходит, потому что фундаментальный масштаб гравитационного взаимодействия должен быть порядка нескольких тераэлектрон-вольт, так что при TeV-ных энергиях гравитационные эффекты станут сопоставимы с электрослабыми эффектами. Следовательно, гравитоны будут рождаться так же обильно, как фотоны, с той разницей, что фотоны останутся в наших знакомых измерениях, в то время как многие из гравитонов убегут в дополнительные размерности, унося с собой энергию.
         Еще более драматично, что LHC мог бы производить фундаментальных струнных родственников наших знакомых частиц, типа родственников электронов или фотонов с  более высоким спином. Имеется также возможность, что, вследствие теперь намного более сильного гравитационного взаимодействия,  могли бы рождаться крошечные черные дыры с поразительными свойствами.
         К счастью, такие маленькие черные дыры нисколько не опасны, являясь намного более подобными экзотическим частицам, чем большие астрофизические черные дыры, и они распадаются весьма быстро в результате излучения Хоукинга. С недавней вспышкой идей в этих направлениях стало ясно, что экстраординарные открытия в LHC могут оказаться прямо за углом (дополнительной размерности).

(Перевод В.О. Соловьева)