Поиски больших дополнительных измерений на коллайдере

Коллайдеры частиц больших энергий хорошо приспособлены для открытия частиц КК, происходящих из больших дополнительных измерений, даже если таких измерений больше двух. В моделях АДД больших дополнительных измерений КК-партнеры гравитона всегда невероятно легкие. Если предположение о больших измерениях применимо к реальному миру, КК-партнеры гравитона должны быть достаточно легкими, чтобы рождаться на ускорителях, независимо от того, сколько имеется дополнительных измерений. Отсюда следует, что даже если размеры измерений меньше миллиметра, современные и будущие поиски на ускорителях должны быть способны их открыть. Современные коллайдеры производят более чем достаточное количество энергии, чтобы создать такие частицы малой массы. На самом деле, если бы единственной существенной величиной была энергия, частицы КК уже рождались бы в изобилии.

Однако здесь возникает загвоздка. КК-партнеры гравитона взаимодействуют чрезвычайно слабо, на самом деле, настолько же слабо, как сам гравитон. Так как взаимодействия гравитона столь пренебрежимо малы, что гравитоны никогда не рождались или детектировались на коллайдерах с измеримой вероятностью, это тем более относится к КК-партнеру гравитона.

Но возможности детектирования частиц КК из дополнительных измерений на самом деле значительно более перспективны, чем это могло показаться вам из сделанной унылой оценки. Дело в том, что если предложение АДД верно, должно быть так много легких КК-партнеров гравитона, что вместе они могут оставить детектируемое свидетельство своего существования. Если сценарий больших измерений верен, то, несмотря на очень редкое рождение отдельных частиц КК, вероятность рождения одной из большого количества легких частиц КК будет измеримо велика. Например, если существует два дополнительных измерения, примерно сто миллиардов триллионов мод КК будут достаточно легкими для того, чтобы рождаться на коллайдере, работающем на энергии порядка ТэВ. Вероятность рождения хотя бы одной из этих частиц будет достаточно велика, даже если вероятность рождения любой отдельно взятой частицы будет очень малой.

Дело обстоит так, как будто вам был сделан намек на что-то в такой тонкой манере, что когда вы в первый раз его услышали, вы не приняли его близко к сердцу. Но после этого пятьдесят человек повторили то же самое. Даже если вы не придали большого значения услышанному в первый раз сообщению, на пятидесятый раз сообщение отложилось у вас в мозгу. Аналогично, хотя легкие частицы КК достаточно легки, чтобы рождаться на современных ускорителях, они взаимодействуют столь слабо, что мы не можем заметить каждую отдельную частицу. Однако, когда ускоритель достигает достаточно высокой энергии, чтобы рождать много таких частиц КК, они оставляют за собой наблюдаемые сигналы.

Если идея АДД верна, то Большой адронный коллайдер (БАК), который будет изучать энергии масштаба ТэВ, сможет рождать частицы КК с измеримой вероятностью. Это может звучать, как счастливое совпадение, — почему, собственно, энергия порядка ТэВ должна иметь отношение к вероятностям рождения частиц КК, когда ни массы частиц КК, ни масса, определяющая интенсивность взаимодействия частиц КК (т. е. МPl), не равны ТэВ? Ответ состоит в том, что энергия порядка ТэВ определяет интенсивность гравитации в пространстве с дополнительными измерениями, а эта гравитация в конце концов определяет, что будет производить коллайдер. Так как взаимодействия многих КК-партнеров гравитона эквивалентны взаимодействию одного гравитона в пространстве с дополнительными измерениями, а такой гравитон сильно взаимодействует при энергиях порядка ТэВ, сумма всех вкладов всех частиц КК должна быть также важной на этом масштабе.

Экспериментаторы уже ищут частицы КК на Тэватроне в Фермилабе. Хотя Тэватрон не достигает энергий, которые будут доступны БАК, он достигает энергий, при которых имеет смысл начать поиск. Но БАК сделает это лучше, и имеет значительно больше шансов обнаружить АДД-частицы КК, если они существуют.

Как будут выглядеть эти частицы? Ответ состоит в том, что соударения, порождающие КК-партнеров гравитона, будут выглядеть как обычные для коллайдера события, за исключением того, что будет казаться, что теряется энергия. На БАК, где сталкиваются два протона, может произойти рождение частицы Стандартной модели и КК-партнера гравитона. Например, частицей Стандартной модели может быть глюон; протоны испытают соударение, образуя виртуальный глюон, а этот виртуальный глюон может, в свою очередь, превратиться в реальный физический глюон и КК-партнер гравитона.

Однако любая индивидуальная частица КК будет взаимодействовать слишком слабо для того, чтобы ее можно было обнаружить; напомним, что КК-партнеры гравитона взаимодействуют очень слабо, и их можно обнаружить только потому, что их очень много. Но поскольку детектор зарегистрирует глюон, или, более аккуратно, струю (см. гл. 7), окружающую глюон, событие, в котором родится КК-партнер гравитона, будет записано, даже если сам КК-партнер гравитона не будет зафиксирован. Ключ к идентификации события, как произошедшего в пространстве с дополнительными измерениями, будет состоять в том, что невидимый КК-партнер унесет энергию в дополнительные измерения, так что будет казаться, что энергия потерялась. Изучая события с одиночными струями, в которых энергия испущенного глюона меньше, чем начальная энергия соударения, экспериментаторы могут заключить, что они родили КК-партнера гравитона (рис. 77). Это аналогично тому, как Паули предсказал существование нейтрино (см. гл. 7).

Так как все, что мы знаем о новой частице, — это тот факт, что она уносит энергию, в действительности мы не можем быть уверены, что ускоритель произвел частицу КК, а не какую-то другую частицу, также слишком слабо взаимодействующую для того, чтобы быть зарегистрированной. Однако, произведя детальные исследования событий с потерянной энергией, например, то, как вероятность образования частиц зависит от энергии, экспериментаторы могут надеяться определить, верна ли интерпретация события как рождение частицы КК.

Частицы КК были бы наиболее доступными посланниками дополнительных измерений в нашем четырехмерном мире, так как они больше всего годятся

на роль легчайших объектов, которые могут сигнализировать о наличии дополнительных измерений. Но, если нам повезет, помимо них могут появиться и другие знаки модели АДД, включающие еще более экзотические объекты. Если АДД правы, гравитация в дополнительных измерениях станет сильной в области порядка ТэВ, что является значительно более низкой энергией, чем та, которая была бы верна в обычном четырехмерном мире. Если дело обстоит именно так, в области энергий порядка ТэВ могли бы рождаться черные дыры, и такие черные дыры из пространства дополнительных измерений открыли бы дорогу к лучшему пониманию классической гравитации, квантовой гравитации и формы вселенной. Если же соответствующие предложению АДД энергии достаточно малы, рождение черных дыр может стать неизбежным; они могут рождаться на БАК.