Новости Зеркальный мир и бозон Хиггса: взаимосвязь, меняющая наше понимание Вселенной

[NewsMaker]

Знали ли вы, что у Вселенной может быть свой 'зеркальный близнец'?

---

---

Поле Хиггса известно своей ролью в предоставлении массы другим частицам. Однако это взаимодействие не одностороннее: взаимодействия поля Хиггса также влияют на его собственную частицу, бозон Хиггса. Из-за этого взаимодействия некоторые физики считают, что масса бозона Хиггса должна быть приближенно равной самому большому масштабу массы, с которым он взаимодействует, - Планковской шкале.

Однако это не так. Планковская шкала соответствует огромным энергиям, на которых, как предполагается, гравитация становится такой же сильной, как и три другие фундаментальные силы, около 10^19 гигаэлектронвольт. Это на много порядков больше, чем реальная масса Хиггса в 125 ГэВ.

Как может быть такое большое расхождение между ожиданиями и реальностью? Защищает ли что-то Хиггса от физики Планковской шкалы? Эта большая и неожиданная разница между этими двумя масштабами известна как "проблема иерархии".

На протяжении последних десятилетий физики представили множество теорий для решения проблемы иерархии, от суперсимметрии до искривленных дополнительных измерений, представляя Хиггса как составную частицу. Однако на Большом адронном коллайдере в CERN, где бозон Хиггса был открыт в 2012 году, попытки найти доказательства в поддержку этих теорий не увенчались успехом.

На последней встрече сообщества физиков высоких энергий США обсуждали другой способ объяснения массы Хиггса: с помощью класса теорий, известных как "нейтральная естественность".

Что касается решения проблемы иерархии, нейтральная естественность - "одна из немногих идей, которая все еще жизнеспособна", говорит Закария Чако, профессор физики в Университете штата Мэриленд и один из создателей этой концепции.

Некоторые ученые говорят, что нейтральная естественность может быть недостающим звеном, которое объясняет недостатки теорий суперсимметрии или составного Хиггса. Для физиков, ориентированных на будущее, эксперименты на БАК и другие планируемые эксперименты в будущем имеют возможность проверить эту теорию.

Одно из предложенных решений проблемы иерархии требует существования гипотетических партнерских частиц с массами, не сильно превышающими массу самой тяжелой частицы Стандартной модели, верхнего кварка. Эти частицы могли бы "защищать" массу Хиггса от влияния высокоэнергетических масштабов.

Согласно теориям, таким как суперсимметрия, некоторые из этих партнерских частиц должны нести так называемый "цветной заряд". Так же, как электромагнитная сила действует на электрически заряженные частицы, такие как электроны, сильная ядерная сила действует на цветно заряженные частицы, такие как кварки. Где электрически заряженные частицы описываются как положительные или отрицательные, цветно заряженные частицы описываются как красные, зеленые или синие - или, для античастиц - антикрасные, антизеленые или антисиние.

Если бы теория, такая как суперсимметрия, была решением проблемы иерархии, ученые ожидали бы увидеть доказательства партнерских частиц с кварковыми цветными зарядами в данных БАК к настоящему времени. Но этого не произошло. Если партнерские частицы существуют в какой-либо форме, их массы должны быть достаточно высокими, чтобы БАК не мог их производить.

Исходя из этого, Чако и его коллеги предложили новую теорию, в которой партнерские частицы нейтральны по цвету. Таким образом, родилась нейтральная естественность.

Было бы чрезвычайно сложно для физиков обнаружить предложенные нейтральные партнерские частицы напрямую. "Когда вы сталкиваете протоны, вы сталкиваете частицы, которые взаимодействуют с сильной ядерной силой", говорит Брайан Бателл, доцент физики и астрономии в Университете Питтсбурга. "Поскольку [партнерские частицы] нейтральны, когда мы проводим эксперименты на БАК, мы просто не будем производить их в большом количестве, потому что они не связаны с сильной ядерной силой. Кроме того, если они не связаны с другими силами Стандартной модели, они могут не проявляться в точных измерениях."

Первое предложенное объяснение этого заключалось в том, что нейтральные частицы могут просто существовать в другой, скрытой части нашей Вселенной.

<h2> Поиск нейтральной естественности </h2> В 2005 году Чако и два его коллеги, Хок-Сенг Го и Рони Харник, Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся первую статью о нейтральной естественности, хотя она еще не имела этого названия. Они назвали модель, которую представили, "близнецом Хиггса".

Модель близнеца Хиггса предполагает скрытый сектор или "зеркальный мир", который почти идентичен нашему. Как и наш мир, предполагаемый зеркальный мир имел бы двойников всех частиц и сил Стандартной модели, включая бозон Хиггса. Этот близнец Хиггса был бы связан с нашей Вселенной через наш бозон Хиггса, создавая единственный мост между нашим миром и зеркальным сектором. В отличие от нашей Вселенной, частицы и поля в зеркальном мире не несли бы заряда по Стандартной модели. Следовательно, взаимодействия в зеркальном мире не могли бы быть непосредственно замечены БАК.

Но если мы не можем видеть частицы, которые бы свидетельствовали о зеркальном мире, как мы можем проверить нейтральную естественность? Косвенно, ища явления, которые предсказывают модели нейтральной естественности.

Модель близнеца Хиггса, например, прогнозирует небольшие отклонения в свойствах Хиггса.

"Одна из основных задач БАК, а также некоторых будущих коллайдеров, которые рассматриваются, - это действительно тщательное тестирование свойств бозона Хиггса", говорит Бателл. "Мы хотим измерить все его связи с другими частицами Стандартной модели с максимальной точностью. Если мы сделаем это, надежда заключается в том, что может возникнуть какое-то отклонение, и это может быть признаком нейтральной естественности или других видов теорий, выходящих за рамки Стандартной модели."

Если зеркальный мир сложнее, чем предсказывает оригинальная модель, другая возможность заключается в том, что частицы зеркального мира, рожденные Хиггсом, могут распадаться обратно в обнаруживаемые частицы Стандартной модели. Экспериментальные сигналы покажут, что бозон Хиггса производится и распадается невидимо, а затем, дальше в детекторе, внезапно появляются несколько частиц. Поиск так называемых "частиц с долгим сроком жизни" уже является активной областью исследований на БАК.

Существует несколько моделей нейтральной естественности, которые делают разные предсказания. Модели "причудливого маленького Хиггса" и "свернутой суперсимметрии", например, принципиально отличаются от модели близнеца Хиггса и не включают зеркальный мир. Вместо этого они предсказывают новые частицы, которые, будучи нейтральными по сильной ядерной силе, заряжены по электромагнитной силе.

Бателл не делает ставок на то, какая модель нейтральной естественности наиболее вероятна. "Меня ведут те данные, которые у нас есть", говорит он. "Пока мы не увидим эти частицы каким-то образом, я буду сохранять открытый ум."

Существуют недостатки моделей нейтральной естественности, помимо необходимости тестировать их косвенно. Технически, нейтральная естественность не является полным решением проблемы иерархии. Она в основном решает "маленькую проблему иерархии" массы Хиггса, которая ниже самых высоких энергетических масштабов, исследуемых БАК, в отличие от более серьезной проблемы массы Хиггса, которая еще дальше от Планковской шкалы.

Модели нейтральной естественности могут быть встроены в теории суперсимметрии или составного Хиггса, чтобы решить большую проблему иерархии. Однако цветные частицы, предсказанные этими теориями, ожидается, будут недоступны для БАК. "Вот почему рамка нейтральной естественности является одной из целей для любой будущей программы коллайдера", говорит Чако.

Нейтральная естественность может решить другие загадки физики частиц и космологии. Чако говорит, что модель близнеца Хиггса может быть способна решить проблему сигма-8, которая связана с распределением материи во Вселенной, и может также играть роль в решении напряжения Хаббла, связанного с тем, насколько быстро расширяется Вселенная.

Зеркальный мир некоторых моделей нейтральной естественности также может содержать другие невидимые компоненты нашей Вселенной. Некоторые теории, связанные с темной материей и темной энергией, также предполагают скрытый сектор, который они называют "темным сектором". Нейтральная естественность "предоставляет более верхний стимул для идеи темного сектора", говорит Бателл. "Вы уже видите, что есть много новых частиц и много новых сил [в зеркальном мире], и, возможно, темная материя является частью этого сектора."

Соответствует ли природа предсказаниям нейтральной естественности, остается увидеть. На данный момент теория предоставляет физикам мотивацию искать скрытые частицы.

"Для меня эти модели - это способ исследовать возможности, даже на этих нижних масштабах, о которых мы, возможно, не думали так много, потому что мы провели так много времени, думая о других больших парадигмах", говорит Крис Верхарен, доцент физики и астрономии в Университете Бригама Янга, который написал книгу о Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся с Бателлом и другими. "Мы учимся, когда говорим: 'Давайте посмотрим новым способом, которым никто раньше не смотрел'. И даже если мы ничего не найдем, мы все равно узнаем что-то новое."