«Расслабляющий аксион»: новая теория может объяснить массу Хиггса

Одна из величайших загадок физики может решить «матрасоподобное» аксионное поле, которое пронизывает пространство и время. Трое физиков, сотрудничавших в области залива Сан-Франциско последние три года, разработали новое решение вопроса, который беспокоил их научную сферу более 30 лет. Эту глубокую загадку, с помощью которой приводились в действие эксперименты на мощнейших ускорителях частиц и рождались противоречивые гипотезы мультивселенных, может сформулировать даже ученик младших классов: каким образом магнит поднимает скрепку вопреки гравитационном притяжению всей планеты.

Несмотря на мощь, стоящую за движением звезд и галактик, сила гравитации в сотни миллионов триллионов триллионов раз слабее магнетизма и других микроскопических сил природы. Это несоответствие проявляется в физических уравнениях в абсурдной разнице между массой бозона Хиггса, открытой в 2012 году частицы, которая управляет массами и силами известных других частиц, и ожидаемым диапазоном масс пока еще не открытых гравитационных состояний материи.

В отсутствие доказательств с Большого адронного коллайдера, поддерживающих любую из ранее предложенных теорий, которые объяснили бы эту нелепую иерархию масс — в том числе соблазнительно элегантную «суперсимметрию» — многие физики начали сомневаться в самой логике законов природы. Нарастает беспокойство, что наша Вселенная может быть случайным, скорее странным нагромождением среди бесчисленного числа других возможных вселенных — и это означает конец поискам последовательной теории природы.

В этом месяце БАК начал долгожданную работу во втором запуске с почти удвоенной операционной энергией, продолжая поиск новых частиц или явлений, которые решили бы проблему нашей иерархии. Однако вполне реальна возможность того, что за углом не будет никаких новых частиц, и физики-теоретики встретят свой «кошмарный сценарий». Также это заставит их задуматься.

Дэвид Каплан

«Именно в моменты кризиса рождаются новые идеи», — говорит Жан Джудис, теоретический физик частиц из лаборатории CERN возле Женевы, где находится БАК.

Новое предложение предлагает возможный выход. Троица ученых «супер взволнована», говорит Дэвид Каплан, 46-летний физик-теоретик из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, который разработал эту модель с Питером Грэмом, 35 лет, из Стэнфордского университета и Сарджитом Радженраном, 32 лет, из Калифорнийского университета в Беркли.

Их решение прослеживает иерархию между гравитацией и другими фундаментальными силами обратно к взрывному рождению космоса, когда, по мнению ученых, две переменных, развивавшихся в тандеме, внезапно намертво остановились. В этот момент гипотетическая частица «аксион» заперла бозон Хиггса в его нынешней массе, намного ниже гравитационных масштабов. Аксион появился в теоретических уравнениях еще в 1977 году и, скорее всего, существует. Пока что не обнаружили ни одного аксиона, но ученые считают, что аксионы могут быть так называемыми «релаксионами» (от relax — расслабляться), решая проблему иерархии путем «расслабления» значения массы Хиггса.

«Это очень, очень умная идея, — говорит Раман Сундрум, физик-теоретик из Университета Мэриленда, не принимавший участия в ее разработке. — Возможно, именно так в некоторой степени устроен мир».

В течение нескольких недель после того, как работа появилась в Сети, образовалась «новая площадка», заполнившаяся исследователями, которые хотели изучить слабые стороны идеи и в целом пощупать ее, говорит Натаниэль Крейг, физик-теоретик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

«Все это кажется чертовски простой возможностью, — говорит Раджендран. — Мы не пытаемся прыгнуть выше головы. Это просто хочет работать».

Однако ряд экспертов отмечает, что в своей нынешней форме эта идея не лишена недостатков, которые необходимо тщательно продумать. И даже если она переживет эту критику, могут потребоваться десятки лет, чтобы проверить ее экспериментально.

Неестественный баланс

При всем ажиотаже, который окружал открытие бозона Хиггса в 2012 году, завершившего Стандартную модель физики частиц и принес Питеру Хиггсу и Франсуа Энглерту Нобелевскую премию по физике 2013 года, это открытие стало небольшим сюрпризом; существование частицы и измеренная масса в 125 ГэВ согласовались с годами косвенных доказательств. Однако не это оставило экспертов БАК в недоумении. Не было ничего, что могло бы примирить массу Хиггса с предсказанным масштабом массы, связанной с гравитацией, который лежит за пределами экспериментально достижимых показателей на 10 000 000 000 000 000 000 ГэВ.

«Проблема в том, что в квантовой механике все влияет на все, — объясняет Джудис. Сверхтяжелые гравитационные состояния должны квантово-механически смешиваться с бозоном Хиггса, делая мощный вклад в значение его массы. Тем не менее бозон Хиггса каким-то образом остается легковесным. Это как если бы невероятные факторы, влияющие на его массу — некоторые положительные, другие отрицательные, но все в десятки знаков величиной — волшебным образом отменяются, оставляя чрезвычайно малую величину. Тонко настроенная отмена всех этих факторов кажется «подозрительной», говорит Джудис. Кажется, будто должно быть что-то еще.

Эффекты часто сравнивают тонко настроенную массу Хиггса с карандашом, который стоит вертикально на кончике, подталкиваемый воздушными потоками и настольными вибрациями, но тем не менее остающийся в идеальном равновесии. «Это не состояние невозможности, это состояние маловероятности, — говорит Савас Димопулос из Стэнфорда. Если вы подойдете к такому карандашу, «вы сначала проведете рукой над карандашом, чтобы проверить, нет ли лески, которая привязывает его к потолку. Затем вы подумаете, что кто-то прилепил карандаш на жвачку».

Физики точно так же искали естественное объяснение проблемы иерархии с 1970-х годов, убежденные, что этот поиск приведет их к более полной теории природы, возможно, даже пролив свет на частицы «темной материи», невидимого вещества, которое наполняет галактики. «Естественность была основным лейтмотивом этих исследований», говорит Джудис.

С 1980-х годов наиболее популярным предложением была суперсимметрия. Она решает проблему иерархии, постулируя пока не обнаруженных близнецов для каждой элементарной частицы: для электрона — селектрон, для каждого кварка — скварк и так далее. Близнецы противоположным образом влияют на массу бозона Хиггса, делая его невосприимчивым к эффектам сверхтяжелых частиц гравитации (они сводятся на нет эффектами своих близнецов).

Никаких доказательств суперсимметрии или каких-либо конкурирующих идей — вроде техниколора или «искривленных дополнительных измерений» — не появилось во время первого запуска БАК с 2010 по 2013 годы. Когда коллайдер закрылся на модернизацию в начале 2013 года, не найдя ни единой «с-частицы» или других признаков физики за пределами Стандартной модели, многие эксперты начали думать, что качественной альтернативы нет. Что если масса Хиггса, а значит, и законы природы неестественны? Расчеты показали, что если бы масса бозона Хиггса была всего в несколько раз больше, а все остальное осталось бы таким же, то протоны не смогли бы собираться в атомы, и не было бы сложных структур — звезд или живых существ. Что, если наша Вселенная на самом деле случайным образом тонко настроена, подобно карандашу, балансирующему на своем кончике, вырванная из бесчисленного числа пузырьковых вселенных внутри практически бесконечной мультивселенной просто потому, что жизнь требует именно такого безумного, вопиющего, возмутительного случая?

Эта гипотеза мультивселенной, которая вырисовывалась в ходе обсуждения проблемы иерархии с конца 90-х, большинством физиков рассматривается как очень мрачная перспектива. «Я просто не знаю, что с ней делать, — говорит Крейг. — Мы не знаем правил». Другие пузыри множественной вселенной, если они существуют, лежат за границами световой достижимости, навсегда ограничивая теории о мультивселенных, которые мы сможем экспериментально наблюдать из нашего одинокого пузыря. А без какого-либо способа определить, где на отрезке бесконечно возможных данных мультивселенной лежат отведенные нам данные, становится сложно или невозможно построить аргументы на основе мультивселенной о том, почему наша Вселенная именно такая. «Я не знаю, в какой момент мы будем достаточно убеждены. Как определить нужный момент? Откуда вам знать?».

Хиггс и релаксион

Каплан посетил Залив прошлым летом, чтобы поработать с Грэмом и Раджендраном, которых он знал, поскольку все трое работали в разное время на Димопулоса, который был одним из ключевых разработчиков суперсимметрии. За прошедший год трио разделило свое время между Беркли и Стэнфордом, обмениваясь «эмбриональными битами идеи», как говорит Грэм, и постепенно развивали новую оригинальную идею для законов физики частиц.

Вдохновленные попыткой Ларри Эбботта 1984 года обратиться к проблеме различной естественности в физике, они стремились пересмотреть массу Хиггса как развивающийся параметр, который мог динамически «расслабиться» до своего крошечного значения во время рождения космоса, а не начать с фиксированной и, казалось бы, невероятной константы. «Хотя потребовалось полгода, чтобы избавиться от тупиков и глупых моделей и очень сложных вещей, мы пришли к весьма простой картинке», — говорит Каплан.

Согласно их модели, масса Хиггса зависит от численного значения гипотетического поля, которое пронизывает пространство-время: аксионное поле. Чтобы представить его картину, «мы думаем о всеобъемности космоса как такого трехмерного матраса», говорит Димопулос. Значение в каждой точке поля зависит от того, насколько сжаты пружины матраса. Долгое время считалось, что существование этого матраса — и его вибраций в форме аксионов — может решить две глубоких загадки: во-первых, аксионное поле должно объяснить, почему большинство взаимодействий между протонами и нейтронами протекает как вперед, так и назад, решая так называемую «сильную CP-проблему». Во-вторых, из аксионов может состоять темная материя. Решение иерархической проблемы будет третьим важным достижением.

История этой новой модели начинается, когда космос был набитой энергией точкой. Аксионный матрас был под чрезвычайным давлением, что делало массу Хиггса огромной. По мере расширения Вселенной пружины расслаблялись, будто их энергия перетекала от пружин к новообразованному пространству. По мере рассеяния энергии, уменьшалась и масса Хиггса. Когда масса дошла до своей настоящей величины, соответствующая переменная упала ниже нуля, переключившись на поле Хиггса, похоже на патоку поле, которое дает массу частицам вроде электронов и кварков, проходящим через него. Массивные кварки, в свою очередь, взаимодействовали с аксионным полем, создавая гребни метафорического холма, по которому скатывалась энергия. Аксионное поле застыло, как и хиггсова масса.

Сундрум называет это радикальным отходом от моделей прошлого: новая модель показывает, как современная иерархия масс могла слепить себя с момента рождения космоса. Димопулос отмечает поразительный минимализм этой модели, которая задействует в основном ранее устоявшиеся идеи. «Люди вроде меня, которые немного вложились в другие подходы к проблеме иерархии, были бы приятно удивлены, что не придется далеко ходить. Находившееся на заднем дворе Стандартной модели решение было недалеко. Нужны были молодые умные люди, которые бы это поняли».

«Это поднимает цену акций аксиона, — добавляет он. Не так давно Axion Dark Matter eXperiment в Университете Вашингтона в Сиэтле начал искать редкие превращения аксионов темной материи в частицы света внутри мощных магнитных полей. Теперь, говорит Димопулос, «нам придется смотреть еще пристальнее, чтобы найти это».

Однако, как и многие эксперты, Нима Аркани-Хамед из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, отмечает, что это предположение только-только появилось. Хотя оно «безусловно разумное», говорит он, его текущая реализация остается надуманной. К примеру, чтобы аксионное поле застряло на хребтах, созданных кварками, а не прокатилось через них, космическая инфляция должна была прогрессировать намного медленнее, чем допускает большинство космологов. «Вы добавляете 10 миллиардов лет инфляции».

И даже если аксион был бы обнаружен, одно только это не доказало бы, что он «релаксион» — что он релаксирует, расслабляет значение массы Хиггса. И когда волнение в Заливе прошло, вместе с Грэмом и Раджендраном Каплан начали разрабатывать идеи относительно того, как проверить свою модель. В конце концов, возможно, колеблющееся аксионное поле может повлиять на массу ближайших элементарных частиц через массу Хиггса. «Вы могли бы увидеть, что масса электрона колеблется», говорит Грэм.

Так проверить предположение ученых получится еще нескоро. (Эта модель не предсказывает новых явлений, которые мог бы обнаружить БАК). И опять же, шансов у нее немного. Так много умных предположений обломались за все эти годы, что ученые настроены довольно скептично. Однако интригующая новая модель все же вселяет долю оптимизма.

«Мы думали, что передумали уже все и что нет ничего нового под солнцем, — говорит Сундрум. — Эта теория показывает, что люди все еще остаются умными созданиями и остается много пространства для новых прорывов».