Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Они не были первыми – еще в 1930-х годах швейцарско-американский астроном Фриц Цвикки показал, что в кластере галактик Кома находится гораздо больше материи, чем мы способны наблюдать с помощью телескопов, а голландский астроном Ян Оорт и в локальной окрестности нашей галактики обнаружил больше материи, чем казалось на первый взгляд. В течение долгого времени, однако, сохранялась надежда, что эту лишнюю материю просто «проглядели», и она на самом деле привычная, знакомая нам материя, но в такой форме, которую нелегко заметить. Когда ученые больше узнали о галактиках, их кластерах и Вселенной в целом, стало возможным точно измерить независимо два числа – общее количество материи во Вселенной и общее количество «обычной материи», где под обычной материей понимаются в том числе атомы, пыль, звезды, планеты и всякие разные известные частицы Стандартной модели.

И эти два числа не совпали! Общий объем обычной материи во Вселенной составляет лишь примерно одну пятую от общего количества материи. Подавляющая часть материи – это темная материя, и она не состоит из частиц Стандартной модели.

Бозон Хиггса – последний фрагмент пазла, которым является Стандартная модель, но Стандартная модель – не конец пути. Темная материя – лишь одна из множества загадок, которые еще только предстоит разгадать, а для этого потребуется новая физика. И кто знает, а вдруг Хиггс станет мостом между тем, что мы знаем, и тем, что мы только надеемся узнать. Возможно, дальнейшее изучение бозона Хиггса прольет свет на темные миры за пределами нашего собственного…

Давайте покопаемся в темной материи немного более тщательно, раз именно она предоставляет самые веские свидетельства того, что существует физика и за пределами Стандартной модели. Кроме того, на ее примере легче всего продемонстрировать, как бозоны Хиггса могут использоваться для построения новой физики.

Чтобы понять, что такое темная материя, давайте подумаем, откуда она взялась. Представьте, что у вас есть экспериментальный аппарат, построенный на базе суперпечи, то есть закрытый ящик с каким-то веществом внутри, и к нему приделана ручка, с помощью которой можно выставить какую угодно температуру – от самой высокой до самой низкой. Температура в обычной печи достигает, как правило, 250 °С, что в обычных единицах физики элементарных частиц составляет около 0,04 электронвольт. При этой температуре молекулы могут перестроиться (в быту это называется «печь пирог»), но атомы еще сохраняют свою целостность. Как только мы доведем температуру до нескольких электронвольт или выше, электроны оторвутся от своих ядер. Когда мы доведем температуру до миллионов электронвольт (МэВ), ядра сами разорвутся на куски, и образуются свободные протоны и нейтроны.

При высоких температурах происходят и другие важные процессы: столкновения между частицами становятся столь энергичными, что образуются новые пары частица-античастица – подобно тому, как это происходит в коллайдере частиц. Считается, что когда температура становится выше общей массы пары частица-античастица, такие пары будут производиться в большом количестве. А при достаточно высоких температурах уже почти не имеет значения, что было в печи в первый момент, и горячая плазма образуется всеми частицами с меньшими, чем температура печи, массами. (Напомним, что и масса, и температура могут выражаться в ГэВ.) Если же температура достигнет 500 ГэВ, наш ящик уже просто загудит от заполняющих его бозонов Хиггса, кварков и лептонов всех видов, W– и Z-бозонов и прочих частиц – не говоря уже о возможных новых частицах, которые еще не обнаружены здесь, на Земле. Если бы мы начали постепенно снижать температуру внутри этого ящика, эти новые частицы постепенно стали бы исчезать, врезаясь в свои античастицы и аннигилируя, и у нас остались бы только те частицы, с которых мы начали.

Ранняя Вселенная очень похожа на плазму внутри нашей сверхгорячей печи, только с еще одним существенным свойством: пространство тогда расширялось с невероятной скоростью. Расширение пространства приводит к двум важным следствиям. Во-первых, оно при этом остывает, как будто регулятор температуры нашей печи сначала был выставлен на максимум, а потом его быстро повернули в обратном направлении. Во-вторых, плотность вещества быстро убывает, поскольку частицы в расширяющемся пространстве удаляются друг от друга. Последнее – главное различие между ранней Вселенной и печью. Из-за уменьшения плотности часть частиц, которые родились в плазме вначале, могут не получить шанса аннигилировать – слишком трудно будет найти соответствующую анти частицу.