В ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАКе) до сих пор не открыты новые фундаментальные частицы, кроме бозона Хиггса. Это сделало особенно актуальным решение проблемы сильного отличия масс элементарных частиц от энергий ранней Вселенной. Важность этой задачи сравнима с проблемой малости космологической постоянной. Все чаще физики видят решение перечисленных вопросов в рамках концепции естественности, которая предполагает, что масса бозона Хиггса и космологическая постоянная зависят от специального параметра. Подробнее — в материале «Ленты.ру».
В сценарии, рассмотренном японскими физиками Хироки Мацуи и Еши Мацумото, наблюдаемые значения массы бозона Хиггса и космологической постоянной возникают естественным образом, то есть не требуют введения новых частиц, в особенности суперсимметричных, когда у каждой появляется как минимум один более тяжелый партнер. Между тем новая модель предполагает введение новых взаимодействий с гравитацией.
Для начала напомним, с чем связаны проблемы иерархии масс и космологической постоянной. Первая проявляется, в широком смысле, в большом разрыве между экспериментально наблюдаемыми массами элементарных частиц и масштабами энергий ранней Вселенной. Масса самой тяжелой частицы Стандартной модели, топ кварка, равна примерно 173,1 гигаэлектронвольта, тогда как планковская масса, являющаяся верхним пределом для масс частиц и характерным масштабом квантовой гравитации и теории струн, — на 16 порядков выше.
Проблема космологической постоянной, иначе — лямбда-члена, проявляется еще острее. Константа фигурирует в уравнениях общей теории относительности и описывает минимально возможную, то есть нулевую энергию физического вакуума. В большинстве моделей эта постоянная остается неизменной в пространстве-времени. Проблема заключается в том, что ее теоретически вычисленное значение оказывается в 10 в 120-й степени раз больше величины, следующей из астрономических наблюдений. Ученые не знают причину такого расхождения, однако ясно, что его природа связана с несовместимостью общей теории относительности и квантовой механики, проявляющей себя на планковских масштабах.
Авторы рассмотрели сценарии космологического механизма релаксации, основанные на эволюции хиггсовского и аксионоподобного поля, которая началась после инфляционной стадии развития Вселенной, когда за ничтожно малое время размеры мира увеличились на 50 порядков.
Если частицей первого поля является бозон Хиггса, то второго — аксион. Последний впервые появился в 1977 году в работах Роберто Печчеи и Хелен Квинн в качестве попытки решения сильной CP-проблемы. Она заключается в том, что в экспериментах по квантовой хромодинамике — теории, описывающей сильные взаимодействия, не наблюдаются нарушения неизменности ее уравнений при одновременном зеркальном отражении и замене частиц на античастицы. Между тем теоретически в квантовой хромодинамике такое нарушение возможно, а экспериментально оно наблюдается в электрослабых взаимодействиях.
Спиральная галактика
Изображение: JPL / NASA
Возможное решение проблемы иерархии масс ученые продемонстрировали на примере электрослабого взаимодействия, характерный масштаб которого имеет порядок массы бозона Хиггса, то есть около 125 гигаэлектронвольт. Действие, описывающее новую теорию, содержит два слагаемых. Первое связано с бозоном Хиггса, второе — с аксионоподобным полем, взаимодействующим на планковском масштабе с гравитацией.
Конформное, иначе — масштабное преобразование вводит в теорию параметр, связанный с аксионным полем, который сильно снижает массу бозона Хиггса и космологическую постоянную. В этом смысле их значения контролируются аксионным полем и определяются параметром конформного преобразования.
В настоящее время существуют три варианта объяснения проблемы иерархии частиц. Первый связан с существованием других, еще не открытых экспериментально тяжелых частиц. На их роль претендуют, в частности, суперсимметричные частицы и темная материя. К сожалению, эксперименты на БАКе пока не подтверждают реалистичность существования первых.
Второе объяснение не предполагает новых частиц и сводится к так называемому антропному принципу: Вселенная такая, какая есть, с заданным набором описывающих ее природу параметров, поскольку иначе не существовало бы человека, задающего подобные вопросы — в частности, об иерархии масс. Третий вариант предполагает существование мультивселенной — множества параллельных миров, характеризуемых уникальными наборами фундаментальных констант, масс частиц и взаимодействий между ними. Набирающие популярность теории естественности, вероятно, можно считать четвертым возможным решением проблемы иерархии частиц.