Это те самые вибрирующие мембраны, которые теоретики суперструн, включая Джо Ликкена (Joe Lykken) из Фермилаба, изобрели за последние пять лет, чтобы описать, как наша знакомая трехмерная вселенная (Universe) могла бы вписываться в многомерную "Megaverse", с целыми 11-ю - сосчитайте-ка! - измерениями, большинство которых столь закручены и компактифицированы, что мы не смогли обнаружить их здесь, на нашей собственной, маломерной 3-бране.
Теория Суперструн, с ее бранами, струнами и дополнительными размерностями, представляет собой последовательный способ достичь долго-лелеемой цели физиков: объединения теории гравитации - теории Эйнштейна, общей теории относительности, - и Стандартной Модели - уже потрепаной книжки-игрушки (playbook) физики элементарных частиц, которая дает нам электромагнитные, слабые и сильные силы.
Самое лучшее - это почти слишком хорошо, чтобы быть правдой, с точки зрения лаборатории физики элементарных частиц - теория суперструн проверяема экспериментом. Грэг Ландсберг, пользователь DZERO Фермилаб из Университета Браун, разъясняет охоту за доказательствами дополнительных размерностей в своем эксперименте на Теватроне Фермилаба.
by Greg Landsberg
Д
ополнительные размерности? Какие там еще дополнительные размерности? Восток есть восток, и запад есть запад, Bronx вверху и Battery внизу. North на северо-западе. Юг. Дополнительные размерности? Разве нам все еще недостаточно?Фактически, мы действительно не знаем, сколько измерений имеет наш мир. Все, что нам известно из наших сегодняшних наблюдений - это что мир вокруг нас является, по меньшей мере, 3+1-мерным. (Четвертое измерение - время. Хотя время отличается от знакомых нам пространственных измерений, Лоренц и Эйнштейн показали в начале 20-го столетия, что пространство и время взаимосвязаны.) Идея относительно дополнительных пространственных измерений появилась из теории струн, пока единственной самосогласованной теории квантовой гравитации. Эта теория говорит нам, что последовательное описание гравитации требует большего, чем 3+1 измерение, и что действительно мир вокруг нас мог иметь до 11 пространственных измерений.
Одиннадцать? Как это возможно?
Если дополнительные размерности существуют, мы не чувствуем их в нашей каждодневной жизни, потому что они сильно отличаются от тех трех измерений, которые нам известны. Согласно теории суперструн, возможно, что наш мир прикреплен к 3-мерному листу (так называемой "бране"), который, в свою очередь, расположен в высокомерном пространстве.
Представьте себе муравья, ползающего по листу бумаги. Для муравья, "вселенная" - для всех его намерений и целей - двумерна, так как он не может сойти с поверхности бумаги. Муравей отличает север от юга и восток от запада, но верх и низ не имеют никакого значения, пока он должен оставаться на листе. Почти таким же образом, мы можем быть ограничены трехмерным миром, который, фактически, является частью более сложной многомерной вселенной.
Теоретики говорят нам, что эти дополнительные пространственные измерения, если они существуют, свернуты, или "компактифицированы". В примере с муравьем, мы можем представить себе сворачивание листа бумаги в трубочку, чтобы cформировать цилиндр. Если бы муравей полз в направлении скручивания, он, в конечном счете, возвратился бы туда, откуда начал - это пример компактифицированного измерения. Если муравей поползет в направлении, параллельном оси цилиндра, он никогда не вернется к прежнему месту (предполагая, что цилиндр достаточно длинный, так что муравей никогда не достигнет края) - это пример "плоского" измерения. Согласно теории суперструн, мы живем во вселенной, где три наших знакомых измерения пространства "плоские", но есть и дополнительные измерения, свернутые так сильно, что они имеют чрезвычайно маленький радиус: 10^(-30) cm или меньше.
Существенно ли для нас, что Вселенная имеет больше трех пространственных измерений, если мы не можем их чувствовать? Фактически, замечательно, что мы могли бы "почувствовать" эти дополнительные размерности через их воздействие на гравитацию. В то время как силы, которые удерживают наш мир вместе (электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия) ограничены 3+1 "плоскими" измерениями, гравитационное взаимодействие заполняет всю "megaverse", позволяя чувствовать эффекты дополнительных размерностей. Однако, так как гравитация - очень слабая сила, и радиус дополнительных размерностей крошечен, было бы чрезвычайно трудно увидеть любые эффекты, если бы не существовало механизма, который усиливает гравитационное взаимодействие. Как раз такой механизм был недавно предложен теоретиками Nima Arkani-Hamed (SLAC), Savas Dimopoulos (Стэнфорд) и Georgi Dvali (Нью-Йоркскский университет), см. hep-ph/9803315. Они поняли, что дополнительные размерности могли бы иметь размеры порядка одного миллиметра и все еще оставаться незамеченными экспериментаторами, в их поисках понимания того, как работает Вселенная.
Если бы дополнительные размерности действительно имели размеры порядка миллиметра, законы гравитации должны были бы измениться на расстояниях, сопоставимых с размерами дополнительных размерностей. Почему тогда мы не видим этого эффекта в экспериментах?
Нам очень хорошо известно, как работает гравитация для больших расстояний (известный закон Ньютона говорит, что сила тяготения между двумя телами уменьшается как квадрат расстояния между ними). Однако, никто не проверял, насколько хорошо это работает для расстояний, меньших, чем, приблизительно, 1 mm. Cложно изучать гравитационные взаимодействия на маленьких расстояниях. Объекты, помещенные так близко друг к другу, должны быть очень маленькими и очень легкими, что делает их гравитационные взаимодействия также малыми и трудными для обнаружения. Хотя новое поколение гравитационных экспериментов, чтобы проверить закон Ньютона на коротких расстояниях (до нескольких микронов), находится в процессе разработки, наши текущие знания о гравитации кончаются на расстояниях около 1 mm. Мы не знаем, имеются ли, или не имеются, возможные дополнительные размерности, меньшие, чем 1 mm.
Здесь в игру входит DZERO.
Пока все хорошо, но какое это имеет отношение к физике элементарных частиц и к эксперименту Фермилаб DZERO? На самом деле, имеется прямая связь. Частицы, которые мы ускоряем в Фермилабе, очень энергичны, и мы можем легко зондировать расстояния всего 10^(-19) cm, изучая продукты их столкновений. Плохо то, что, поскольку частицы в этих столкновениях являются столь легкими, гравитационное взаимодействие между ними чрезвычайно слабо. Хорошо то, что в теории, предложенной Arkani-Hamed, Dimopoulos и Dvali, гравитационное взаимодействие сильно возрастает, когда сталкивающиеся частицы имеют достаточно высокую энергию. Этот рост происходит из-за так называемых "Kalusa-Klein" мод гравитона - переносчика силы тяготения - из-за закручиваний гравитона вокруг компактифицированных дополнительных размерностей. Если гравитон достаточно энергичен, он может перемещаться - "закручиваться" вокруг компактифицированных измерений по многу раз. Каждый раз это вызвает небольшую дополнительную силу тяготения между сталкивающимися частицами. Если гравитон сделает достаточно вращений вокруг вьющихся дополнительных размерностей, то гравитационное взаимодействие чрезвычайно усилится.
Как самый высокоэнергетический ускоритель частиц в мире, Tevatron - самое подходящее место, где следует искать дополнительные размерности: чем выше энергия сталкивающихся частиц, тем сильнее ожидаемое усиление гравитационного взаимодействия. Физики, занимающиеся DZero, искали эффекты гравитационных взаимодействий между парами электронов или фотонов, рожденных в высокоэнергетических столкновениях. Если гравитационное взаимодействие между этими двумя электронами или двумя фотонами будет достаточно большим, свойства такой системы в конечном состоянии изменятся. Будет присутствовать большее количество пар с двумя частицами большой массы и угловое распределение этих частиц будет более равномерным, чем ожидаемое в случае достаточно слабой гравитации, которая может игнорироваться.
Когда экспериментаторы DZERO тщательно проанализировали данные, которые они собрали в 1992-1996, они не нашли никаких таких повышений. Данные очень хорошо согласуются с предсказаниями известных физических процессов, и гравитационное взаимодействие, кажется, не играет существенной роли при энергиях, которых мы способны достигнуть. Пока никакого доказательства существования бран в DZERO найдено не было.
Мы только начали...
Хотя экспериментаторы DZERO не видели дополнительных размерностей, они оказались способными установить более строгие пределы на их размеры, чем установленные до сих пор гравитационными экспериментами или экспериментами на более низкоэнергетических ускорителях. Эти новые пределы также дают существенные ограничения на теорию Arkani-Hamed, Dimopoulos и Dvali.
Поиск дополнительных размерностей не закончен. Фактически, дело только началось. Наши коллеги по кольцу, c родственного DZERO эксперимента CDF, ищут свои данные для подтверждения дополнительных размерностей, и мы ожидаем их результатов. Коллаборации ищут эффекты дополнительных размерностей в столкновениях, которые производят различные типы частиц, вроде кварков. Они также ищут события, где гравитоны рождаются в столкновениях, а затем оставляют наш трехмерный мир, перемещаясь в одно из других измерений. Такое отклонение привело бы, с точки зрения нашего трехмерного мира, к очевидному несохранению энергии.
Со следующего сеанса Tevatron'a, намеченного на 2001 год, который, вероятно, должен дать в 200 раз больше данных, чем накоплено теперь, эксперименты коллайдера Фермилаба будут иметь замечательно высокую чувствительность к большим дополнительным размерностям. Они могли бы очень хорошо видеть их!
Если же они не будут столь удачливы, то ускоритель следующего поколения, Большой Адронный Коллайдер, сооружаемый в ЦЕРНе, в Европе, позволит физикам зондировать теорию больших дополнительных размерностей, и, или найдет их, или покажет, что идея неправильна. Но нам придется подождать еще лет шесть, или около того, прежде чем мы со всем этим разберемся.