Мультивселенный тупик: Новая теория масштаба

Хотя галактики выглядят больше атомов, а слоны перевешивают муравьев, некоторые физики начали подозревать, что различия в размерах иллюзорны. Возможно, фундаментальное описание Вселенной не включает понятия «масса» и «длина», подразумевая, что в своей основе природа не имеет чувства масштаба.

Эта малоизученная идея, известная как масштабная симметрия, представляет собой радикальный отход от давних предположений о том, как элементарные частицы приобретают свои свойства. Но недавно она стала общей темой многочисленных докладов и публикаций уважаемых физиков-ядерщиков. Когда их область деятельности застряла в неприятном тупике, исследователи вернулись к основным уравнениям, которые описывают известные частицы и их взаимодействия, и задались вопросом: что происходит, когда вы стираете термины в уравнениях, имеющих отношение к массе и длине?

Природа на самом глубоком уровне не может различать масштабы. С симметрией масштаба физики сталкиваются начиная с базового уравнения, которое устанавливает безмассовую совокупность частиц, каждая из которых является уникальным слиянием характеристик, таких как материя или антиматерия, и имеет положительный или отрицательный электрический заряд. По мере того, как эти частицы притягиваются и отталкиваются друг от друга, и эффекты их взаимодействий каскадируются, как домино, путём вычислений, симметрия масштаба «ломается», а массы и длины возникают спонтанно.

Подобные динамические эффекты генерируют 99% массы видимой Вселенной. Протоны и нейтроны — это смеси, каждая из которых представляет собой трио легких элементарных частиц, называемых кварками. Энергия, используемая для удержания кварков вместе, дает им суммарную массу, которая примерно в 100 раз больше, чем сумма отдельных частей. «Большая часть массы, которую мы видим, генерируется таким образом, поэтому нам интересно посмотреть, возможно ли создать всю массу подобным образом», — сказал Альберто Сальвио (Alberto Salvio), физик элементарных частиц в Мадридском автономном университете и соавтор недавней статьи о масштабно-симметричной теории природы.

В уравнениях «стандартной модели» физики элементарных частиц только одна частица, открытая в 2012 году, называемая бозоном Хиггса, имеет первоначальную массу. Согласно теории, разработанной 50 лет назад британским физиком Питером Хиггсом и его коллегами, эта частица распределяет массу на другие элементарные частицы посредством взаимодействия с ними. Электроны, W и Z бозоны, отдельные кварки и так далее: все их массы, как полагают, происходят от бозона Хиггса — и, в обратном эффекте, они одновременно набирают массу Хиггса вверх или вниз.

Новый подход масштабной симметрии переписывает начало этой истории.

«Идея заключается в том, что, возможно, даже массы Хиггса на самом деле не существует», — говорит Алессандро Струмия (Alessandro Strumia), физик частиц из Пизанского университета в Италии. — «Это можно понять с некоторой динамикой».

Эта концепция кажется надуманной, но она вызывает интерес во время широкого самоанализа в этой области. Когда Большой адронный коллайдер в лаборатории CERN в Женеве закрылся для модернизации в начале 2013 года, его столкновения не дали ни одной из десятков частиц, которые многие теоретики включали в свои уравнения более 30 лет. Грандиозный провал возможно означает, что исследователи вероятно ошиблись десятилетия назад в своем понимании того, как рассчитать массы элементарных частиц.

«Мы не в том положении, когда мы можем позволить себе быть весьма высокомерными в отношении нашего понимания того, как должны выглядеть законы природы», — сказал Майкл Дин (Michael Dine), профессор физики Калифорнийского университета Санта-Крус, который следит за новой работой по симметрии масштаба. — «То, к чему я мог бы скептически относиться раньше, теперь я готов принять».

Гигантская проблема Хиггса

Подход к масштабной симметрии восходит к 1995 году, когда Уильям Бардин (William Bardeen), физик-теоретик в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб) в Батавии, штат Иллинойс (США), показал, что масса бозона Хиггса и других частиц стандартной модели может быть рассчитана как следствие спонтанного нарушения масштабной симметрии. Но в то время подход Бардина не прижился. Хрупкий баланс его расчетов, казалось, легко нарушался, когда исследователи попытались включить новые, неоткрытые частицы, подобные тем, которые были созданы, чтобы объяснить тайны темной материи и гравитации.

Вместо этого исследователи тяготели к другому подходу, называемому «суперсимметрией», который естественным образом предсказывал десятки новых частиц. Одна или несколько из этих частиц могут объяснить темную материю. И суперсимметрия также обеспечила простое решение проблемы учёта, которая терзала исследователей с первых дней стандартной модели.

При стандартном подходе к вычислениям взаимодействия бозона Хиггса с другими частицами, как правило, повышают его массу к наивысшим масштабам, присутствующим в уравнениях, подтяивая за собой массы других частиц. «Квантовая механика пытается сделать всех демократичными», — объяснил это физик-теоретик Джо Ликкен (Joe Lykken), заместитель директора Фермилаб и сотрудник Бардина. —  «Частицы выравнивают друг друга через квантово-механические эффекты».

Эта демократическая тенденция не имела бы значения, если бы существовали только частицы Стандартной модели. Но физики предполагают, что далеко за пределами стандартной модели, в масштабе примерно в миллиард миллиардов раз тяжелее известной как «Планковская масса», существуют неизвестные гиганты, связанные с гравитацией. Эти тяжеловесы, как ожидается, увеличат массу бозона Хиггса — это процесс, который увеличит массу каждой другой элементарной частицы до планковского масштаба. Этого не произошло; вместо этого неестественная иерархия, по-видимому, отделяет легкие частицы стандартной модели и планковскую массу.

Проблема Иерархии. Гипотетические частицы, которые, как полагают, существуют в шкале Планка (справа), примерно в миллиард миллиардов раз тяжелее известных частиц (слева). Тенденция к выравниванию масс частиц в расчетах делает эту иерархию загадочной.

С его подходом масштабной симметрии Бардин рассчитал массы частиц Стандартной модели новым способом, который не включал их размазывание к самым высоким масштабам. С его точки зрения, легкий бозон Хиггса казался совершенно естественным. Тем не менее, неясно, как он мог включить гравитационные эффекты шкалы Планка в его расчеты.

Между тем, суперсимметрия использовала стандартные математические методы, и имела напрямую дело с иерархией между стандартной моделью и шкалой Планка. Суперсимметрия предполагает существование недостающей двойной частицы для каждой частицы, найденной в природе. Если для каждой частицы с которой сталкивается бозон Хиггса (например, с электроном), он также встречает более тяжелого близнеца этой частицы (гипотетический «сэлектрон»), то комбинированные эффекты почти сократятся, предотвращая раздувание массы Хиггса до самых высоких масштабов. Подобно физическому эквиваленту x + (–x) ≈ 0, суперсимметрия защитит малую, но ненулевую массу бозона Хиггса. Эта теория казалась идеальным недостающим ингредиентом для объяснения масс стандартной модели — настолько совершенной, что, как говорят некоторые теоретики, без неё Вселенная просто не имеет смысла.

Однако спустя десятилетия после их предсказания ни одна из суперсимметричных частиц не была найдена. «Это то, что искал Большой адронный коллайдер (БАК), но он ничего не нашёл», —  сказал Савас Димопулос (Savas Dimopoulos), профессор физики элементарных частиц Стэнфордского университета, который помог разработать гипотезу суперсимметрии в начале 1980-х годов. —  «Каким-то образом Хиггс не защищен».

БАК продолжит исследование пробных версий суперсимметрии, когда он снова заработает в следующем году, но многие физики всё больше убеждаются в том, что эта теория потерпела неудачу. Только в прошлом месяце на Международной конференции физики высоких энергий в Валенсии (Испания) исследователи, анализирующие самый большой набор данных БАК, не обнаружили признаков суперсимметричных частиц. (Данные также весьма опровергают альтернативное предложение под названием «technicolor»).

Последствия этого огромны. Без суперсимметрии масса бозона Хиггса выглядит так, как будто она уменьшается не эффектами зеркального изображения, а случайными и невероятными сокращениями между несвязанными числами — по сути, начальная масса Хиггса, по-видимому, точно уравновешивает огромные вклады в её массу от глюонов, кварков, гравитационных состояний и всего остального. И если Вселенная невероятна, то многие физики утверждают, что это должна быть одна Вселенная из многих: просто редкий пузырь в бесконечной пенистой «мультивселенной». Мы наблюдаем этот конкретный пузырь. Рассуждение идет не потому, что его свойства имеют смысл, а потому, что его особый бозон Хиггса способствует образованию атомов и, таким образом, расцвету Жизни. Более типичные пузырьки с бозонами Хиггса Планковского размера непригодны для жизни.

В качестве логического вывода преобладающих предположений гипотеза мультивселенной в последние годы приобрела всё большую популярность. Но этот довод кажется провальным для многих или, по крайней мере, огромным разочарованием. Вселенная, сформированная случайными прерываниями, ускользает от понимания, а существование недостижимых, чужих вселенных невозможно доказать. «И довольно неудовлетворительно использовать гипотезу мультивселенной, чтобы объяснить только то, что мы не понимаем», — говорит Грэм Росс (Graham Ross), почетный профессор теоретической физики Оксфордского университета.

Тоска по мультивселенной не может длиться вечно.

«Люди вынуждены приспосабливаться», — сказал Манфред Линднер (Manfred Lindner), профессор физики и директор Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге, который является соавтором нескольких новых работ по подходу к масштабной симметрии. Основные уравнения физики элементарных частиц нуждаются в чем-то дополнительном, чтобы обуздать бозон Хиггса, и суперсимметрия может здесь не помочь. Теоретики, такие как Линднер, начали спрашивать «есть ли другая симметрия, которая могла бы выполнить эту работу, не создавая этого огромного количества частиц, которых мы не видели?».

Борьба Призраков

Продолжая движение оттуда, где остановился Бардин, исследователи, такие как Сальвио, Струмия и Линднер, теперь считают, что масштабная симметрия может быть лучшей альтернативой для объяснения малой массы бозона Хиггса. «Для меня делать реальные вычисления более интересно, чем делать философию мультивселенной, — сказал Струмия, — даже если возможно, что эта мультивселенная может существовать».

Для того чтобы масштабно-симметричная теория работала, она должна учитывать как малые массы Стандартной модели, так и гигантские массы, связанные с гравитацией. При обычном подходе к вычислениям обе шкалы ставятся вручную в начале, и когда они соединяются в уравнениях, они пытаются уравнять друг друга. Но в новом подходе обе шкалы должны возникать динамически  —  и отдельно  —  начиная с нуля.

«Утверждение о том, что гравитация не может влиять на массу Хиггса, очень революционно», — утверждает Димопулос.

Теория, называемая «агравитацией» (для «безразмерной гравитации»), разработанная Сальвио и Струмией, может быть наиболее конкретной реализацией идеи масштабной симметрии имеющейся в настоящее время. Агравитация переплетает законы физики во всех масштабах в единую сплоченную картину, в которой масса Хиггса и масса Планка возникают через отдельные динамические эффекты. Как подробно описано в июньском номере Журнала физики высоких энергий (Journal of High-Energy Physics), аравитация также предлагает объяснение того, почему Вселенная раздувалась в первую очередь. Согласно теории, нарушение симметрии масштаба вызвало бы экспоненциальное расширение размера пространства-времени во время Большого Взрыва.

Тем не менее, теория имеет то, что большинство экспертов считают серьезным недостатком: она требует существования странных частице-подобных объектов, называемых «призраками». Призраки либо имеют отрицательную энергию, либо отрицательную вероятность существования — что сеет хаос в уравнениях квантового мира.

«Отрицательные вероятности исключают вероятностную интерпретацию квантовой механики, так что это ужасный вариант», — сказал Келли Стелл (Kelly Stelle), физик теоретических частиц в Имперском колледже в Лондоне, который впервые показал в 1977 году, что некоторые теории гравитации порождают призраки. Такие теории могут сработать, сказала Стелл, только если призраки каким-то образом отделятся от других частиц и останутся сами по себе.

Струмия и Сальвио считают, что, учитывая все преимущества агравитации, призраки заслуживают шанс на существование. «Когда частицы антиматерии впервые рассматривались в уравнениях, они казались отрицательной энергией», — сказал Струмия. —  «Они казались ерундой. Может быть, эти призраки и кажутся глупостью, но можно им найти разумную интерпретацию».

Между тем, другие группы ученых разрабатывают свои собственные масштабно-симметричные теории. Линднер и его коллеги предложили модель с новым «скрытым сектором» частиц, в то время как Бардин, Ликкен, Марсела Карена и Мартин Бауэр из Фермилаб и Вольфганг Альтманшофер из Института теоретической физики Периметр в Ватерлоо, Канада, утверждают, что шкалы Стандартной модели и силы тяжести разделены, как бы фазовым переходом. Исследователи определили массовую шкалу, в которой бозон Хиггса перестает взаимодействовать с другими частицами, в результате чего их массы падают до нуля. Именно в этой свободной от масштаба точке происходит фазовый переход. И точно так же, как вода ведет себя иначе, чем лед, различные наборы автономных законов действуют выше и ниже этой критической точки.

Чтобы обойти отсутствие масштабов, новые модели требуют методики расчета, которую некоторые эксперты считают математически сомнительной, и в целом мало кто скажет, что они на самом деле думают обо всем подходе. Это слишком новое и другое. Но агравитация и другие масштабно-симметричные модели предсказывают существование новых частиц за пределами Стандартной модели, и поэтому будущие эксперименты на модернизированном Большом адронном коллайдере помогут проверить идеи.

В то же время, есть чувство возрождающейся надежды.

«Может быть, наша математика ошибается», — говорит Дейн. —  «Если альтернативой является ландшафт мультивселенной, это довольно радикальный шаг, так что, конечно, посмотрим, что еще может быть».