Что такое секвестр в физике?

В контексте физики секвестрирование является предлагаемым средством, с помощью которого определенные частицы и силы могут быть ограничены дополнительными измерениями, предотвращая или минимизируя их взаимодействие с частицами и силами, которые составляют Стандартную модель. Идея, которая имеет особое отношение к теории струн, М-теории и суперсимметрии (SUSY), была разработана физиками-теоретиками Лизой Рэндалл и Раманом Сундрумом. Секвестрирование может решить некоторые основные проблемы в физике элементарных частиц. В частности, он предлагает решение так называемой «проблемы иерархии» путем нарушения суперсимметрии, избегая при этом еще одной проблемы, известной как «нарушение вкуса».

Физики долго искали Великую Объединенную Теорию (GUT), которая объединяет четыре силы природы - электромагнитную силу, сильные и слабые ядерные силы и гравитацию - а также объясняет свойства всех элементарных частиц. Большая проблема, которую должна решать любая такая теория, - это очевидная несовместимость общей теории относительности с квантовой теорией и Стандартной моделью. Теория струн, в которой самые фундаментальные единицы материи, такие как электроны и кварки, рассматриваются как чрезвычайно крошечные одномерные струноподобные объекты, является одной из попыток такой теории. Это было развито в M-теорию, в которой последовательности могут быть расширены в двух- и трехмерные «браны», плавающие в пространстве более высокого измерения, известном как «объем».

В дополнение к проблемам, связанным с внесением гравитации в картину, существует проблема с самой Стандартной моделью, известная как проблема иерархии. Проще говоря, проблема иерархии сводится к тому, почему гравитационная сила чрезвычайно слабее, чем другие силы природы, но она также включает в себя предсказанные значения для масс некоторых гипотетических несущих силу частиц, которые сильно отличаются друг от друга. Одна гипотетическая частица, в частности, частица Хиггса, предсказана относительно легкой, в то время как кажется, что квантовые вклады от виртуальных частиц должны сделать ее чрезвычайно массивной, по крайней мере без исключительной степени тонкой настройки. Это считается крайне маловероятным для большинства физиков, поэтому для объяснения различий используется некий основной принцип.

Теория суперсимметрии (SUSY) дает одно возможное объяснение. Это говорит о том, что для каждого фермиона - или частицы, образующей материю, - есть бозон - или несущая силу частица - и наоборот, так что каждая частица в Стандартной модели имеет суперсимметричного партнера или «суперпартнера». Поскольку эти суперпартнеры имеют не наблюдалось, это означает, что симметрия нарушена, и что суперсимметрия существует только при очень высоких энергиях. Согласно этой теории, проблема иерархии решается тем, что массовые вклады виртуальных частиц и их суперпартнеров компенсируются, устраняя очевидные расхождения в Стандартной модели. Однако существует проблема с суперсимметрией.

Частицы, образующие фундаментальную материю, такие как кварки, бывают трех поколений или «ароматов» с разными массами. Когда суперсимметрия нарушается, кажется, что может происходить целый ряд взаимодействий, некоторые из которых могут изменить вкус этих частиц. Поскольку эти взаимодействия не наблюдаются экспериментально, любая теория нарушения суперсимметрии должна каким-то образом включать механизм, предотвращающий так называемые нарушения вкуса.

Именно здесь начинается секвестрирование. Возвращаясь к концепции трехмерных бран, плавающих в объемном пространстве большего размера, можно секвестрировать, нарушая суперсимметрию, в отдельную брану от той, на которой находятся частицы и силы Стандартной модели. Эффекты разрушения суперсимметрии могут быть переданы бране Стандартной модели несущими силу частицами, которые могут перемещаться в объеме, но в противном случае частицы Стандартной модели будут вести себя так же, как и при непрерывной суперсимметрии. Частицы в объеме, которые могут взаимодействовать как с браной, нарушающей симметрию, так и с браной Стандартной модели, будут определять, какие взаимодействия могут происходить, и могут исключать взаимодействия, меняющие вкус, которые мы не наблюдаем. Теория хорошо работает, если гравитон - гипотетическая сила тяжести, несущая силу, - играет эту роль.

В отличие от многих других идей, относящихся к теории струн и М-теории, представляется возможным проверить секвестрированную суперсимметрию. Он делает предсказания для масс суперпартнеров бозонов - несущих силу частиц - которые находятся в диапазоне энергий, достижимых Большим адронным коллайдером (LHC). Если эти частицы наблюдаются на LHC, их массы могут быть сопоставлены с тем, что предсказано. Однако по состоянию на 2011 год эксперименты на LHC не смогли обнаружить этих суперпартнеров при энергиях, при которых они должны были появиться, результат, который, как представляется, исключает простейшую версию SUSY, хотя и не некоторые более сложные версии. Даже если SUSY окажется ошибочным, идея секвестрации все же может найти полезное применение в отношении других проблем и загадок в физике.