Физики объяснили расхождение масс частиц во Вселенной

Изображение: Lucas Taylor / CERN

Физики-теоретики из США и Японии предложили новое объяснение проблемы электрослабой иерархии в физике элементарных частиц. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters, а кратко о них в своей колонке в онлайн-издании Physics рассказал физик Майкл Дайн из Калифорнийского университета в Санта-Крузе.

В своей работе физики предложили модель, в которой, наряду с полем Хиггса из Стандартной модели (современной парадигмы физики частиц), присутствует новое поле, аналогичное аксионному. Связанная с последним полем гипотетическая частица позволяет решить сильную CP-проблему в квантовой хромодинамике — отсутствие в эксперименте нарушения инвариантности уравнений теории при одновременных зеркальном отражении и замене частиц на античастицы, когда теоретически такое нарушение возможно.

Масса бозона Хиггса в модели ученых зависит от величины аксионоподобного поля. Сразу после Большого взрыва его значение было велико, однако Вселенная постепенно эволюционировала в мир с наблюдаемыми сегодня параметрами. Модель ученых совместима с инфляционной теорией (согласно которой Вселенная после Большого взрыва находилась в стадии экспоненциального расширения), а эволюция нового поля останавливается, когда массы электрослабых бозонов принимают современные значения (после этого аксионоподобное поле начинает осциллировать).

Поведение аксионоподобного поля

Проблема иерархии масс связана с большим разрывом между экспериментально наблюдаемыми массами элементарных частиц и масштабами энергий ранней Вселенной. В частности, масса самой тяжелой частицы Стандартной модели равна примерно 173,1 гигаэлектронвольта, тогда как планковская масса (являющаяся верхним пределом для масс частиц и характерным масштабом для теории струн) равна 2,43x1018 гигаэлектронвольт. В своей работе авторы попытались объяснить не всю наблюдаемую иерархию масс, а только электрослабую. В этом случае энергетический масштаб примерно равен 246 гигаэлектронвольт (этому значению отвечает вакуумное ожидание хиггсовского поля).

В настоящее время существуют три объяснения такого разрыва. Первое связано с существованием других (еще не открытых экспериментально) частиц. На их роль претендуют, в частности, суперсимметричные частицы и темная материя. Второе объяснение не предполагает введение новых частиц и сводится к так называемому антропному принципу: Вселенная такая, какая есть (с заданным набором описывающих ее природу параметров), так как иначе не существовало бы человека, задающего такие (в частности, об иерархии масс) вопросы. Третье объяснение сводится к существованию мультивселенной.

via