От бозона Хиггса
к новой физике

Гордон Кейн

Предисловие Эдварда Уиттена

Суперсимметрия

BASIC BOOKS
A Member of the Perseus Books Group
New York

REVISED EDITION

SUPERSYMMETRY
and Beyond

From the Higgs Boson
to the New Physics

Gordon Kane

Foreword by 
Edward Witten

Гордон Кейн
Предисловие Эдварда Уиттена

От бозона Хиггса 
к новой физике

Перевод с английского
и научная редакция канд. физ.-мат. наук
 
Е. А. Литвиновича

 2-Е ИЗДАНИЕ, ЭЛЕКТРОННОЕ

Москва
Лаборатория знаний
2020

СУПЕР
СИММЕТРИЯ

УДК 514.84 + 539.12
ББК 22.382
К33

Кейн Г.
К33
Суперсимметрия. От бозона Хиггса к новой физике / Г. Кейн ;
предисловие Э. Уиттена ; пер. с англ. и научная редакция
Е. А. Литвиновича. — 2-е изд., электрон. — М. : Лаборатория зна-
ний, 2020. — 235 с. — Систем. требования: Adobe Reader XI ;
экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-806-3
Книга, написанная известным физиком-теоретиком, работающим в об-
ласти элементарных частиц и теории струн, посвящена гипотетической
симметрии между частицами вещества и частицами-переносчиками взаи-
модействий — суперсимметрии. Если эксперименты подтвердят, что природа
действительно суперсимметрична, то, значит, существует новый класс
частиц, которые называют суперчастицами. Из этой книги читатель узнает
о том, как суперчастицы и суперсимметрия помогут ученым в создании
завершенной физической картины мира. Окончательная теория не только
будет описывать все наблюдаемые явления, но и сможет ответить на вопрос,
почему мир устроен именно так. Написанное в жанре научно-популярной
литературы данное издание не требует от читателя специальной подготовки.
Для широкого круга читателей, интересующихся вопросами мироустрой-
ства на субатомном уровне.
УДК 514.84 + 539.12
ББК 22.382

Деривативное издание на основе печатного аналога: Суперсимметрия.
От бозона Хиггса к новой физике / Г. Кейн ; предисловие Э. Уиттена ;
пер. с англ. и научная редакция Е. А. Литвиновича. — М. : БИНОМ. Лабо-
ратория знаний, 2015. — 232 с. : ил. — ISBN 978-5-9963-1676-2.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-806-3

c○ 2013 by Gordon Kane
Публикуется с разрешения издательства
Basic Books, подразделением
Perseus Books, LLC, дочерней компании
Hachette Books, New York, USA.
Все права защищены.

c○ Лаборатория знаний, 2015

4

Оглавление

Предисловие  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Предисловие к русскому изданию . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Введение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Глава 1. К большим вопросам…  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Чтобы понять природу, мы должны знать частицы, 
взаимодействия и правила    Развивающиеся 
области знаний    Уравнения?    Предсказание, 
«послесказание» и проверка    Где находятся 
суперпартнеры?    Границы науки сдвигаются

Глава 2. Немного о Стандартной модели 
физики частиц. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Взаимодействия: масса, распады, кванты  
 Частицы: знаем ли мы фундаментальные 
кирпичики мироздания?   Частицы и поля    
Число частиц еще больше: античастицы, нейтрино, 
другие кварки и лептоны, бозон(ы) Хиггса    Новые 
идеи и отличительные предсказания Стандартной 
модели    Экспериментальные основания 
Стандартной модели    Спин, фермионы и бозоны  
  За пределами Стандартной модели 

Глава 3. Почему физика — самая легкая наука: 
эффективные теории  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Упорядочивание эффективных теорий по шкале 
расстояний    Суперсимметрия тоже эффективная 
теория    Физика на масштабе Планка  Масштаб 
человека

Оглавление

Глава 4. Суперсимметрия и суперчастицы: 
что добавляет суперсимметрия  . . . . . . . . . . . . . . . 82

Суперсимметрия как симметрия пространства–
времени: суперпространство    Скрытая, или 
«нарушенная», суперсимметрия

Глава 5. Поиски и изучение суперсимметрии  . . . . . . . . . . 105

Детекторы и коллайдеры    Узнавая частицы-
суперпартнеры   Суперчастицы и их свойства, 
фоны и сигнатуры    Будущие коллайдеры?   
Можем ли мы осуществить эксперименты, 
которые необходимо сделать?

Глава 6. Из чего состоит Вселенная?  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Какие частицы есть во Вселенной?    Является ли 
легчайший суперпартнер холодной темной 
материей Вселенной?

Глава 7. Почему физика Хиггса является 
столь волнующей и важной?. . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Поле Хиггса, механизм и бозон    Бозон Хиггса 
не из Стандартной модели

Глава 8. М/струн теории!  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Что такое М/струн теории?    Скрытая, нарушенная 
или частичная суперсимметрия    Роль данных

Глава 9. Как много мы можем понять?. . . . . . . . . . . . . . . . . 156

Проверяя теорию струн и окончательную теорию  
Практические пределы?    Антропные принципы 
и теория струн    Космологическая постоянная    
Роль дополнительных измерений    Конец науки?

Приложение. Предсказание массы бозона Хиггса 
на основе компактифицированной М-теории  . . . . . . . . . . . 178

Словарь терминов (глоссарий). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

Рекомендуемая литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

Предметный указатель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

Оглядываясь на конец ХХ в., испытываешь потрясение от 
того, сколь сильно изменилось наше понимание физики за 
последние сто лет. Вне всякого сомнения, великими озаре-
ниями начала  ХХ в. стали теория относительности и кван-
товая механика. Из специальной теории относительности 
Эйнштейна мы узнали о странном поведении быстро движу-
щихся объектов, а с помощью его еще более удивительной 
общей теории относительности сумели переосмыслить гра-
витацию в терминах вызываемого массой искривления про-
странства и времени.  Квантовая  механика нам показала, что 
факт в мире атомов подчас гораздо удивительнее  выдумки.
Специальная теория относительности и квантовая ме-
ханика слились в квантовую теорию поля. Самое примеча-
тельное предсказание этой теории, которое было проверено 
экспериментально в 1930-х гг. с использованием   космиче-
ских лучей, это существование «антивещества». 
Последние пятьдесят лет были восхитительным перио-
дом экспериментальных открытий, в числе которых ней-
трино и кварки, «странные частицы», нарушение симме-
трии между левым и правым, прошлым и будущим  и пр. 
При помощи аппарата квантовой теории удалось  построить 
Стандартную модель физики  частиц, которая собирает под 
одну крышу большую часть наших знаний  о фундаменталь-
ной физике и единым образом описывает электромагне-
тизм, слабое  (ответственное среди прочего за ядерный бета-
распад)  и сильное взаимодействия. 
Приближается ли это полное открытий путешествие 
к концу? Буквально в последние месяцы газеты были пере-
полнены заметками о бесспорном открытии в лаборатории 
ЦЕРН, близ Женевы,  частицы Хиггса. Это открытие значи-
тельно проясняет наше понимание физики частиц и помога-

Предисловие

Предисловие

ет объяснить,  почему проявления  двух  фундаментальных 
взаимодействий в мире элементарных частиц — электро-
магнитного и слабого — столь различны в нашем повсе-
дневном опыте. Оно также предлагает доступный экспери-
ментальной проверке прототип новых полей,  необходимых 
для объединения взаимодействий и более ясного понимания 
ранней Вселенной в теории космической «инфляции». 
 Тем временем  в экспериментах проверяются странные 
свойства нейтрино и подтверждается, что «маленькая ней-
тральная частица» Ферми обладает крошечной, но все же 
ненулевой массой. Астрономы обнаружили новые волную-
щие свидетельства того, что общая теория относительности, 
возможно, требует корректировки введением «космологи-
ческой постоянной» Эйнштейна — энергии вакуума. В но-
вых изобретательных поисках частиц темной материи уже 
ведется прощупывание невидимой части Вселенной.  Изуче-
ние  с помощью спутников  флуктуаций излучения, испу-
щенного в  результате  Большого взрыва,  может в ближай-
шие годы изменить  наше понимание ранней  Вселенной.
 Но одним из крупнейших приключений является поиск 
«суперсимметрии». Суперсимметрия это аппарат  теорети-
ческой физики,  при помощи которого ученые стремятся 
найти ответы на некоторые вопросы, остающиеся откры-
тыми в рамках Стандартной модели физики частиц. На-
пример, Стандартная модель не объясняет происхождения 
у частиц массы. Если бы частицы имели огромные массы, 
что допускает Стандартная модель, то Вселенная была бы 
совсем другой. В ней не было бы звезд, планет и людей, по-
тому что объединение вместе более чем нескольких элемен-
тарных  частиц тут же приводило бы к их коллапсу в черную 
дыру. Тонкие  физические эффекты типа  искривления  про-
странства–времени, образования  черных дыр и квантовой 
гравитации  были бы обычным делом в повседневной жиз-
ни, за исключением того, что не было бы самой повседнев-
ной жизни.
 Если в природе есть суперсимметрия, то она является 
частью квантовой структуры пространства и времени. В по-
вседневной жизни мы характеризуем  пространство и время 
числами: «Сейчас три часа дня, высота двести метров над 

Предисловие 
9

уровнем моря» и т. д. Число — это классическое понятие, 
известное людям задолго до создания в начале ХХ в. кванто-
вой механики. Она  изменила  наше понимание почти всего 
в физике, но фундаментальный способ описания простран-
ства и времени остался незатронутым.
 Доказательство суперсимметрии природы изменило бы и 
его, открыв перед нами квантовое измерение пространства 
и времени, которое не описывается обычными числами. Это 
квантовое измерение ясно бы проявилось в существовании 
новых элементарных частиц, которые могли бы рождаться 
на ускорителях и чье поведение подчинялось бы законам  су-
персимметрии. Эксперименты указывают на то, что требуе-
мая для рождения новых частиц энергия ненамного больше 
той, которая достигается сегодня на современных ускорите-
лях. Если суперсимметрия играет в физике ту роль, кото-
рую мы от нее ожидаем, то очень вероятно, что эти частицы 
будут открыты на Большом адронном  коллайдере (БАК) 
или его модификациях в ЦЕРНе (Женева).
 Когда Эйнштейн в 1905 г. представил миру специаль-
ную, а в 1915 г. — общую теорию относительности,  кван-
товая механика была еще далеко в будущем, и он полагал, 
что пространство и время можно характеризовать обычны-
ми числами. Эйнштейновская концепция пространства и 
времени была подходящей для тех открытий, которые де-
лались до сих пор, но открытие суперсимметрии приведет к 
переработке идей Эйнштейна в свете квантовой механики.
 В самом деле, суперсимметрия это одно из основных тре-
бований «теории струн», которая является тем аппаратом, 
при помощи которого теоретики  уже добились некоторого 
прогресса в объединении гравитации с другими фундамен-
тальными взаимодействиями. Открытие суперсимметрии 
придаст  невероятный импульс развитию теории струн. По-
ис к суперсимметрии это одно из величайших представле-
ний на арене современной физики. Данная книга выносит 
на рассмотрение широкой публике это развертывающееся 
на наших глазах действо!
 Эдвард Уиттен
 Принстон, 20 ноября 2012 г.

Перед вами удивительная книга. Ее автору, известному 
американскому физику-теоретику Гордону Кейну, удалось 
доступно и просто рассказать о, возможно, самых сложных 
разделах современной теоретической и математической фи-
зики — суперсимметрии и теориях струн. Книга написана 
таким образом, что позволяет читателю почувствовать себя 
ученым, ищущим понимания мира природы. Без привле-
чения математики в ней рассказывается о том, что такое 
Стандартная модель физики частиц и вообще физическая 
теория, из чего состоит Вселенная, что такое симметрия за-
конов природы.
Физическая картина мира на микроуровне формулирует-
ся сегодня при помощи Стандартной модели. Это обширная 
область знаний, в рамках которой описываются эффекты и 
особенности электромагнитного, сильного и слабого взаимо-
действий элементарных частиц. Стандартная модель предо-
ставляет удивительно изящное и многократно проверенное 
в экспериментах описание мира элементарных частиц, но 
она не говорит, почему мир устроен именно так. В поисках 
объединения взаимодействий физика стремится к созданию 
так называемой окончательной теории, которая вберет 
в себя Стандартную модель и все многообразие явлений для 
всех возможных энергий, расстояний и масс. Стандартная 
модель обязательно будет расширена. Теории струн и супер-
симметрия представляют один из путей ее расширения.
К моменту написания этой книги в двух экспериментах 
ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) 
в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) был 
обнаружен бозон Хиггса — единственная фундаменталь-

Предисловие 
к русскому изданию

«...Мир остается вечным,
может быть постижимым,
но все-таки бесконечным.»
Иосиф Бродский. Пилигримы

Предисловие  к русскому изданию 
11

ная частица Стандартной модели, которая до того момента 
времени существовала лишь «на бумаге». Это величайшее 
достижение физики высоких энергий утвердило так назы-
ваемый механизм Хиггса в качестве инструмента, при по-
мощи которого кварки, лептоны и W- и Z-бозоны приоб-
ретают массы. Уже после того, как вышла эта книга, было 
объявлено о присуждении Нобелевской премии по физике 
за 2013 г. Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру, которые внес-
ли значительный вклад в развитие теории Стандартной мо-
дели в области хиггсовского сектора. В сообщении Нобелев-
ского комитета отмечалось, что премия присуждается «за 
теоретическое открытие механизма, который вносит вклад 
в понимание происхождения масс субатомных частиц и ко-
торый был недавно подтвержден благодаря открытию в экс-
периментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллай-
дере предсказанной фундаментальной  частицы».
Экспериментальное обнаружение бозона Хиггса знаме-
нует собой окончание очередного этапа в построении описа-
ния мира природы. При помощи инструмента теорий струн 
масса бозона Хиггса была точно предсказана, однако рас-
пределение интенсивностей сигнала по различным каналам 
распада оказалось не таким, каким его ждали ученые. В на-
стоящий момент в ЦЕРНе проводится модернизация БАК, 
так что энергии сталкивающихся пучков и светимость бу-
дут увеличены. Впереди большая работа и новые экспери-
ментальные данные.
Выступая в ноябре 2013 г. в Лондоне на открытии вы-
ставки, посвященной БАК, известный астрофизик и попу-
ляризатор науки Стивен Хокинг рассказал о заключенном 
им и Гордоном Кейном пари, что бозон Хиггса не будет об-
наружен. Стивен Хокинг проиграл пари, а вашему внима-
нию предлагается замечательная книга Гордона Кейна о бо-
зоне Хиггса, суперсимметрии и новой физике за пределами 
Стандартной модели.

Апрель 2014 г.
Е. А. Литвинович