Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира - Шон Кэрролл

Не трудно догадаться, что если существует методика под названием «прямое обнаружение», должна быть и другая – «косвенное обнаружение». Идея ее заключается в том, чтобы подождать, пока вимпы из нашей или других галактик столкнутся друг с другом и аннигилируют. Среди частиц, рожденных в таком взаимодействии, будут гамма-лучи (фотоны высокой энергии), которые можно зарегистрировать с помощью спутниковых обсерваторий. В настоящее время гамма-лучевой космический телескоп НАСА «Ферми» сканирует небо в поисках гамма-лучей и накапливает базы данных разных высокоэнергетических явлений. И опять встает серьезная проблема выделения сигнала из шума. Астрономы упорно трудятся над тем, чтобы понять, какого рода гамма-лучевые события могут происходить при аннигиляции частиц темной материи, надеясь, что сумеют их выделить из множества обычных астрофизических процессов, в которых тоже возникает этот вид излучения. Кроме того, вероятно, темная материя способна аннигилировать с образованием бозона Хиггса (вместо того, чтобы превратиться в другие частицы, пройдя промежуточную стадию образования бозона Хиггса). Этот сценарий, естественно, уже окрестили «Хиггс в космосе».

Наконец, мы можем представить себе создание темной материи прямо здесь, дома – на БАКе. Если бозон Хиггса взаимодействует с темной материей, а ее частицы не слишком тяжелы, одним из способов распада бозона Хиггса будет распад непосредственно на вимпы. Мы, конечно, не увидим вимпов, так как они слабо взаимодействуют со всем, и любой родившийся вимп тотчас улетит из детектора, так же как это делает нейтрино, но мы можем просуммировать все наблюдаемые распады бозона Хиггса и сравнить их с ожидаемым количеством. Если мы получим меньше распадов, чем ожидалось, это будет означать, что время от времени бозон Хиггса распадается на невидимые частицы. Выяснение природы этих частиц, конечно, займет некоторое время.

Темная материя представляет собой веский аргумент в пользу того, что нам нужно строить физику за рамками Стандартной модели. В этом вопросе обнаруживается самое главное расхождение между теорией и экспериментом, а физики привыкли иметь дело именно с такими противоречиями. Есть также и другого рода аргументы в пользу того, что новая физика необходима – сама Стандартная модель требует доработки.

Чтобы определить какую-либо теорию вроде Стандартной модели, мы должны привести список полей, которые она описывает (поля кварков, лептонов, калибровочных бозонов, поле Хиггса), и набор различных чисел – параметров теории, включающих массы частиц, а также величины всех взаимодействия. Например, величина электромагнитного взаимодействия определяется числом, называемым «постоянной тонкой структуры», это знаменитая физическая константа, примерно равная 1/137. В начале XX века некоторые физики пытались придумать хитрые нумерологические формулы, объясняющие, почему она имеет именно такое значение. В наши дни мы просто принимаем это как данность и считаем ее частью Стандартной модели, хотя еще есть надежда, что более совершенная теория фундаментальных взаимодействий позволит нам вычислить ее из первых принципов.

Хотя все эти параметры мы, в принципе, можем пойти и измерить, физики до сих пор верят, что у физических характеристик есть «естественные» значения, поскольку измеряемые нами значения, как учит нас квантовая теория поля, представляют собой сложные комбинации различных процессов. По сути, чтобы получить окончательный ответ, нужно просуммировать вклады от разных видов виртуальных частиц. Когда мы измеряем заряд электрона по рассеянию фотона на нем, в процессе участвует не только электрон. Этот электрон – колебание поля, на которое накладываются квантовые флуктуации всех других полей, они складываются, и перед нами предстает то, что мы воспринимаем как «физический электрон». Каждая конфигурация виртуальных частиц вносит определенный вклад в окончательный ответ, и иногда их сумма бывает довольно большой.

Поэтому было бы большой неожиданностью, если бы наблюдаемое значение некоторой величины оказалось гораздо меньше, чем вклады отдельных процессов, участвующих в ее образовании. Это означало бы, что большой положительный вклад сложился с большим отрицательным вкладом, и в результате возник крошечный конечный результат. Такое, конечно, можно себе представить, но это не то, что хотелось бы получить. Если измеренный параметр оказывается гораздо меньше, чем мы ожидали, мы объявляем, что существует «проблема тонкой настройки» параметра, и говорим, что теория «неестественная». В конечном счете, конечно, не мы, а природа решит, что естественно, а что – нет. Но если теория оказывается «неестественной», это, возможно, первый намек на то, что нужно подумать над новой теорией.

По большей части параметры Стандартной модели вполне естественные. Есть два явных исключения: значение поля Хиггса в пустом пространстве и плотность энергии пустого пространства, которую иначе называют «энергией вакуума». Оба значения намного меньше, чем это следует из Стандартной модели. Обращаем внимание, что они оба связаны со свойствами пустого пространства, или «вакуума». Это интересное обстоятельство, но оно еще никому не помогло.

Обе проблемы – слишком маленькие поле Хиггса и энергия вакуума – очень похожи. Определение обеих величин можно начать с любого понравившегося вам значения, а затем к нему нужно добавить все расчетные дополнительные вклады от взаимодействий с виртуальными частицами. В обоих случаях в результате учета этих вкладов результат будет все время увеличиваться. В случае поля Хиггса грубая оценка показывает, что этот результат будет в 1016 (десять квадриллионов) раз больше, чем то, что есть на самом деле. Если честно, мы не можем слишком уверенно говорить о том, что «будет», так как у нас нет единой теории всех взаимодействий. Наша оценка исходит из того, что за счет виртуальных частиц поле Хиггса будет увеличиваться, но у него есть физический предел, до которого оно может подняться – так называемый масштаб Планка – энергия, равная примерно 1018 ГэВ, при которой уже становится важной квантовая гравитация, и само понятие пространство-время утрачивает какой-либо определенный смысл.

Эта гигантская разница между ожидаемым значением поля Хиггса в пустом пространстве и его наблюдаемым значением называется «проблемой иерархии». Энергетический масштаб, характеризующий слабые взаимодействия (значение поля Хиггса – 246 ГэВ), и тот, который характеризует гравитацию (энергия Планка – 1018 ГэВ), очень сильно различаются (проблема иерархии, о которой мы уже кпоминали). Это уже достаточно странно, но мы должны помнить, что именно квантово-механические взаимодействия с виртуальными частицами стремятся поднять масштаб слабых взаимодействий до масштаба Планка. Почему же они все-таки настолько разные?

Как бы ни была трудна проблема иерархии, проблема энергии вакуума еще хуже. В 1998 году астрономы, изучающие скорости далеких галактик, сделали удивительное открытие: Вселенная не просто расширяется, она расширяется ускоренно! Галактики не только удаляются от нас, они разбегаются все быстрее и быстрее. Существуют различные возможные объяснения этого явления, но есть простое, которое отлично подходит к имеющимся в настоящее время данным: расширяться Вселенную заставляет энергия вакуума, введенная в 1917 году Эйнштейном в виде «космологической постоянной».