Дзеркальний світ і бозон Хіггса: взаємозв'язок, що змінює наше розуміння Всесвіту

Поле Хіггса відоме своєю роллю у наданні маси іншим часткам. Однак це взаємодія не одностороння: взаємодії поля Хіггса також впливають на його власну частинку, бозон Хіггса. Через цю взаємодію деякі фізики вважають, що маса бозона Хіггса має бути приблизно рівною найбільшому масштабу маси, з яким він взаємодіє, - Планковській шкалі.

Однак, це не так. Планківська шкала відповідає величезним енергіям, на яких, як передбачається, гравітація стає такою ж сильною, як і три інші фундаментальні сили, близько 1019 гігаелектронвольт. Це набагато порядків більше, ніж реальна маса Хіггса в 125 ГеВ.

Як може бути така велика розбіжність між очікуваннями та реальністю? Чи захищає Хіггса від фізики Планківської шкали? Ця велика та несподівана різниця між цими двома масштабами відома як "проблема ієрархії".

Упродовж останніх десятиліть фізики представили безліч теорій для вирішення проблеми ієрархії, від суперсиметрії до викривлених додаткових вимірів, представляючи Хіггса як складову частинку. Однак на Великому адронному колайдері в CERN, де бозон Хіггса був відкритий у 2012 році, спроби знайти докази на підтримку цих теорій не мали успіху.

На останній зустрічі угруповання фізиків високих енергій США обговорювали інший спосіб пояснення маси Хіггса: за допомогою класу теорій, відомих як "нейтральна природність".

Що стосується вирішення проблеми ієрархії, нейтральна природність - "одна з небагатьох ідей, яка все ще є життєздатною", говорить Закарія Чако, професор фізики в Університеті штату Меріленд і один із творців цієї концепції.

Деякі вчені кажуть, що нейтральна природність може бути недостатньою ланкою, яка пояснює недоліки теорій суперсиметрії або складеного Хіггса. Для фізиків, орієнтованих на майбутнє, експерименти на ВАК та інші заплановані експерименти в майбутньому мають можливість перевірити цю теорію.

Одне із запропонованих рішень проблеми ієрархії вимагає існування гіпотетичних партнерських частинок з масами, що не сильно перевищують масу найважчої частинки Стандартної моделі, верхнього кварку. Ці частки могли "захищати" масу Хіггса від впливу високоенергетичних масштабів.

Згідно з теоріями, такими як суперсиметрія, деякі з цих партнерських частинок повинні нести так званий "кольоровий заряд". Як електромагнітна сила діє на електрично заряджені частинки, такі як електрони, сильна ядерна сила діє на кольорово заряджені частинки, такі як кварки. Де електрично заряджені частинки описуються як позитивні чи негативні, кольорово заряджені частинки описуються як червоні, зелені чи сині - чи, для античастинок - античервоні, антизелені чи антисині.

Якби теорія, така як суперсиметрія, була вирішенням проблеми ієрархії, вчені очікували б побачити докази партнерських частинок з кварковими кольоровими зарядами даних БАК до теперішнього часу. Але цього не сталося. Якщо партнерські частки існують у будь-якій формі, їх маси повинні бути достатньо високими, щоб ВАК не міг їх виробляти.

Виходячи з цього, Чако та його колеги запропонували нову теорію, в якій партнерські частки нейтральні за кольором. Отже, народилася нейтральна природність.

Було б дуже складно для фізиків виявити запропоновані нейтральні партнерські частки безпосередньо. "Коли ви зіштовхуєте протони, ви зіштовхуєте частинки, які взаємодіють із сильною ядерною силою", каже Браян Бателл, доцент фізики та астрономії в Університеті Піттсбурга. "Оскільки [партнерські частки] нейтральні, коли ми проводимо експерименти на ВАК, ми просто не будемо виробляти їх у великій кількості, тому що вони не пов'язані з сильною ядерною силою. Крім того, якщо вони не пов'язані з іншими силами Стандартної моделі, вони можуть не виявлятися в точних вимірах.

Перше запропоноване пояснення цього полягало в тому, що нейтральні частки можуть просто існувати в іншій, прихованій частині нашого Всесвіту.

Пошук нейтральної природності

У 2005 році Чако та два його колеги, Хок-Сенг Го та Роні Харнік, опублікували першу статтю про нейтральну природність, хоча вона ще не мала цієї назви. Вони назвали модель, яку представили, "близнюком Хіггса".

Модель близнюка Хіггса передбачає прихований сектор чи "дзеркальний світ", який майже ідентичний нашому. Як і наш світ, передбачуваний дзеркальний світ мав би двійників усіх частинок та сил Стандартної моделі, включаючи бозон Хіггса. Цей близнюк Хіггса був би пов'язаний з нашим Всесвітом через наш бозон Хіггса, створюючи єдиний міст між нашим світом та дзеркальним сектором. На відміну від нашого Всесвіту, частинки та поля у дзеркальному світі не несли б заряду за Стандартною моделлю. Отже, взаємодії у дзеркальному світі не могли б бути безпосередньо помічені ВАК.

Але якщо ми не можемо бачити частинки, які свідчили б про дзеркальний світ, як ми можемо перевірити нейтральну природність? Побічно, шукаючи явища, які передбачають моделі нейтральної природності.

Модель близнюка Хіггса, наприклад, прогнозує невеликі відхилення у властивостях Хіггса.

"Одне з основних завдань ВАК, а також деяких майбутніх колайдерів, які розглядаються - це дійсно ретельне тестування властивостей бозона Хіггса", говорить Бателл. Ми хочемо виміряти всі його зв'язки з іншими частинками Стандартної моделі з максимальною точністю. Якщо ми зробимо це, надія полягає в тому, що може виникнути якесь відхилення, і це може бути ознакою нейтральної природності або інших видів теорій, що виходять за рамки Стандартної моделі."

Якщо дзеркальний світ складніше, ніж передбачає оригінальна модель, інша можливість полягає в тому, що частинки дзеркального світу, народжені Хіггсом, можуть розпадатися назад в частинки Стандартної моделі, що виявляються. Експериментальні сигнали покажуть, що бозон Хіггса виробляється і розпадається невидимо, а потім далі в детекторі раптово з'являються кілька частинок. Пошук так званих "часток із тривалим терміном життя" вже є активною областю досліджень на ВАК.

Існує кілька моделей нейтральної природності, які роблять різні прогнози. Моделі "химерного маленького Хіггса" та "згорнутої суперсиметрії", наприклад, принципово відрізняються від моделі близнюка Хіггса і не включають дзеркальний світ. Натомість вони передбачають нові частинки, які, будучи нейтральними за сильною ядерною силою, заряджені електромагнітною силою.

Бател не робить ставок на те, яка модель нейтральної природності найімовірніша. "Мене ведуть ті дані, які ми маємо", каже він. "Доки ми не побачимо ці частинки якимось чином, я зберігатиму відкритий розум."

Існують недоліки моделей нейтральної природності, окрім необхідності тестувати їх побічно. Технічно нейтральна природність не є повним вирішенням проблеми ієрархії. Вона в основному вирішує "маленьку проблему ієрархії" маси Хіггса, яка нижча за найвищі енергетичні масштаби, досліджувані ВАК, на відміну від більш серйозної проблеми маси Хіггса, яка ще далі від Планківської шкали.

Моделі нейтральної природності можуть бути вбудовані теоретично суперсиметрії або складеного Хіггса, щоб вирішити велику проблему ієрархії. Однак, кольорові частинки, передбачені цими теоріями, очікуються, будуть недоступні для ВАК. "Ось чому рамка нейтральної природності є однією із цілей для будь-якої майбутньої програми колайдера", каже Чако.

Нейтральна природність може вирішити інші загадки фізики частинок та космології. Чако говорить, що модель близнюка Хіггса може бути здатна вирішити проблему сигма-8, яка пов'язана з розподілом матерії у Всесвіті, і може також грати роль у вирішенні напруги Хаббла, пов'язаного з тим, наскільки швидко розширюється Всесвіт.

Дзеркальний світ деяких моделей нейтральної природності також може містити інші невидимі компоненти нашого Всесвіту. Деякі теорії, пов'язані з темною матерією та темною енергією, також припускають прихований сектор, який вони називають темним сектором. Нейтральна природність "надає верхній стимул для ідеї темного сектора", говорить Бателл. "Ви вже бачите, що є багато нових частинок і багато нових сил [у дзеркальному світі], і, можливо, темна матерія є частиною цього сектора."

Чи відповідає природа пророцтвам нейтральної природності, залишається побачити. На даний момент теорія дає фізикам мотивацію шукати приховані частинки.

"Для мене ці моделі - це спосіб дослідити можливості, навіть на цих нижніх масштабах, про які ми, можливо, не думали так багато, тому що ми провели так багато часу, думаючи про інші великі парадигми", каже Кріс Верхарен, доцент фізики та астрономії в Університеті Бригама Янга, який написав книгу про нейтральну природність із Бателлом та іншими. "Ми вчимося, коли говоримо: 'Давайте подивимося новим способом, яким ніхто раніше не дивився'. І навіть якщо ми нічого не знайдемо, ми все одно дізнаємося про щось нове."