Суперсимметрия в теории струн

Первоначальный вариант теории струн, начало которой было положено работой Венециано в конце 1960-х гг., содержал все виды симметрии, которые обсуждались в первых пунктах этой главы, но не включал суперсимметрию (которая в то время еще не была открыта). Эта первая теория, базировавшаяся на концепции струн, называлась теорией бозонных струн. Слово бозонная указывает на то, что все моды колебаний бозонной струны обладали целочисленным спином: в этой теории не было фермионных мод, т. е. мод, спин которых отличался бы от целого числа на половину единицы. Это приводило к двум проблемам.

Во-первых, если назначением теории струн было описание всех взаимодействий и всех видов материи, она должна была каким-то образом включать фермионные моды колебаний, поскольку все известные частицы вещества имеют спин 1/2. Вторая, гораздо более серьезная проблема была связана с существованием в теории бозонных струн еще одной моды колебаний, масса которой (или, точнее, квадрат массы) была отрицательной, — так называемого тахиона. Возможность того, что в дополнение к более привычным частицам с положительными массами наш мир может содержать тахионы, изучалась физиками еще до появления теории струн, однако их работы показали, что создать непротиворечивую теорию, включающую тахионы, чрезвычайно трудно, если вообще возможно. Аналогичным образом физики испробовали самые фантастические способы, пытаясь придать смысл экзотической идее тахионной моды в контексте теории струн, но все попытки оказались безуспешными. Эти две проблемы показали, что хотя теория бозонных струн была весьма интересна, в ней определенно не хватало каких-то существенных элементов.

Глава 7. «Супер» РІ суперструнахВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВВ 125

Р’ 1971 Рі. Пьер Рамон РёР· университета штата Флорида РїСЂРёРЅСЏР» вызов Рё модифицировал теорию бозонных струн, включив РІ нее фермионные РјРѕРґС‹ колебаний. Его работа Рё результаты, полученные позднее Шварцем Рё РђРЅРґСЂРµ Невье, положили начало РЅРѕРІРѕР№ версии теории струн. РљРѕ всеобщему удивлению, РІ эту РЅРѕРІСѓСЋ теорию бозонные Рё фермионные РјРѕРґС‹ колебаний входили парами. Для каждой Р±РѕР·РѕРЅРЅРѕР№ РјРѕРґС‹ существовала соответствующая фермионная, Рё наоборот. Рљ 1977 Рі. работы Фердинандо Льоцци РёР· университета РўСѓСЂРёРЅР°, Р° также работы Шерка Рё Дэвида Олива РёР· Имперского колледжа, показали истинный смысл этого группирования РІ пары. Новая теория струн включала суперсимметрию, Рё то, что бозонные Рё фермионные РјРѕРґС‹ колебания входили парами, было отражением высокой степени симметрии этой теории. Р’ этот момент родилась суперсимметричная теория струн — теория суперструн. Работы Льоцци, Шерка Рё Олива дали еще РѕРґРёРЅ очень важный результат: РѕРЅРё показали, что вызывавшая беспокойство тахионная РјРѕРґР° колебаний бозонных струн РЅРµ свойственна суперструнам. Части конструкции теории струн постепенно вставали РЅР° СЃРІРѕРё места.

Однако изначально РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРµ влияние работы Рамона, Невье Рё Шварца оказали РЅРµ РЅР° теорию струн. Рљ 1973 Рі. физики Джулиус Весс Рё Бруно Р—СѓРјРёРЅРѕ осознали, что суперсимметрия — новый РІРёРґ симметрии, появившийся РїСЂРё изменении формулировки теории струн, — применима Рё Рє теориям, основанным РЅР° точечной модели частиц. РћРЅРё быстро предприняли важные шаги РІ направлении включения суперсимметрии РІ систему квантовой теории поля, основанной РЅР° точечной модели частиц. Рђ поскольку РІ это время квантовая теория поля была основным объектом исследования специалистов РїРѕ физике элементарных частиц (РїСЂРё этом теория струн РІСЃРµ более прочно занимала место РЅР° переднем краю исследований), Р·Р° достижениями Весса Рё Р—СѓРјРёРЅРѕ последовало РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ количество исследований РІ области, которая получила название суперсимметричной квантовой теории поля. Суперсимметричная стандартная модель, которую РјС‹ обсуждали РІ предыдущем разделе, была РѕРґРЅРёРј РёР· главных теоретических достижений РІ этом направлении. Таким образом, благодаря зигзагам РЅР° пути развития теории струн, РІ большом долгу перед ней оказалась даже теория, основанная РЅР° точечной модели частиц.

С возрождением теории суперструн в середине 1980-х гг. суперсимметрия вновь вернулась в лоно, где она была впервые открыта. И в этом контексте свидетельства в пользу суперсимметрии выходят далеко за пределы того, о чем говорилось в предыдущем разделе. Теория струн представляет собой единственный известный нам способ объединения общей теории относительности и квантовой механики. При этом только суперсимметричная версия теории струн позволяет избежать фатальной тахионной проблемы и содержит фермионные моды колебаний, соответствующие частицам вещества, составляющим окружающий нас мир. Таким образом, суперсимметрия идет рука об руку с теорией струн и тем, что она дает для квантовой теории гравитации и для решения грандиозной задачи великого объединения всех видов взаимодействия и всех частиц материи. Физики полагают, что если теория струн верна, то верна и идея суперсимметрии.

Однако до середины 1990-х гг. в суперсимметричной теории струн была одна весьма серьезная проблема.