Пять бозонов Хиггса: Кто больше?

Давайте вернемся к основной экспериментальной проблеме стандартной модели (СМ) – поиску хиггсовского бозона  – и рассмотрим, каким, в принципе, может быть результат эксперимента, и как его следует истолковывать.

     В простейшем варианте теории предсказывается самая простая структура хиггсовского конденсата (ХК), характеризуемая только одним энергетическим параметром – вакуумным сдвигом <Н0вак> » 245 ГэВ. Такая структура имеет только один тип возбуждений, который в эксперименте должен проявляться как электронейтральный ХБ. Его поиск планируется вести в e+e- аннигиляции:  и в протон-антипротонных соударениях, где Н0 – один из продуктов соударений. Эксперименты будут проведены на ускорителях FERMILAB и LHC в течение ближайших 3-5 лет. Надо признать, что, если эксперимент подтвердит существование только одного хиггсовского бозона (ХБ) со свойствами,  полностью соответствующими предсказаниям простейшего варианта СМ, то физика элементарных частиц, как это ни печально, попадет в тупик. Такой пессимистический вывод основан на факте существования серьезнейших проблем в СМ – проблемы поколений, выделенного статуса нейтрино, непертурбативной динамики вакуума. Мы будем лишь вновь и вновь сталкиваться с этими нерешенными проблемами, пока не получим и не осмыслим качественно новую информацию, лежащую за рамками стандартной теории. При отсутствии новой экспериментальной информации уделом физиков–теоретиков на ближайшие десятилетия останется лишь проведение все более точных расчетов, а экспериментаторов – все более точных измерений одного и того же набора параметров. Для поиска новых идей нужен экспериментальный выход за пределы СМ.

     Что же произойдет при другом исходе эксперимента? Ведь кроме простейшего варианта теории, в котором имеется только однокомпонентный ХК с одним ХБ, есть и более сложный вариант, в котором ХК описывается тремя физическими величинами, а в его спектре возбуждений уже 5 ХБ – 2 заряженных H± и 3 нейтральных: Н10, Н20 и А0. Этот вариант модели интересен не только потому, что предсказывает более сложную структуру вакуума, но и потому, что подобная структура тесно связана с одной из наиболее фундаментальных концепций теоретической физики высоких энергий – концепцией суперсимметрии (СУСИ).
Физики осознают, что поиск хиггсовских бозонов что-то затянулся! Становится очевидным, что суперструнная программа пытается построить теорию таких объектов, в реальности которых мы далеко не уверены. Не странно ли, что объект другого типа, в реальности которого мы не сомневаемся, остается за рамками теории суперструн? Это обстоятельство и заставляет анализировать и альтернативные подходы к физике вакуума.

Все, что мы знаем сегодня о физике вакуума, позволяет нам уверенно предсказать: рано или поздно в эксперименте обязательно появятся скалярные частицы, по свойствам в той или иной степени напоминающие ХБ. Вопрос лишь в том, насколько эти свойства будут соответствовать хиггсовскому бозону, содержащемуся в теории суперструн. Если соответствие свойств будет точным, то, конечно, суперструнная программа будет единственно возможной, и осмысливать место и статус кварк-глюонного конденсата (КГК) придется только в ее рамках. Но что произойдет, если свойства скалярных частиц не будут соответствовать предсказаниям теории? Тогда, с большой долей уверенности, мы сделаем следующий вывод: скалярные частицы не являются квантами фундаментального хиггсовского вакуумного поля, а имеют внутреннюю структуру.
В условиях недостатка информации мы можем оценивать ситуацию только на основе экспериментальных ограничений на массу ХБ. К сожалению, по мере того, как экспериментальная нижняя граница массы ХБ поднималась все выше (сейчас известно, что MH > 105 ГэВ), таяли наши надежды на то, что решение проблемы барионной ассиметрии Вселенной (БАВ) может быть найдено в рамках простейшей версии СМ с одним электрически нейтральным ХБ. Дело обстоит так, что при большой массе этого ХБ эффективной генерации БАВ не происходит, потому что в этом случае область электрослабого перехода сильно размыта, и хиггсовский конденсат в ней порождается непрерывно. Образно говоря, в такой модели не происходит сильный «удар» по вакууму, закрепляющий барионную асимметрию плазмы. Не следует, впрочем, оценивать этот результат пессимистично. Напротив, почва для пессимистических настроений появится в том случае, если структура вакуума на электрослабом масштабе окажется столь простой, что для ее описания будет достаточно однокомпонентного ХК. В физике частиц мы как раз надеемся обнаружить более сложную структуру вакуума, которая откроет нам пути исследования по суперструнной или преонной программам.

     Процесс теоретического исследования генерации БАВ в вариантах СМ с многокомпонентной структурой хиггсовского вакуума еще далеко не завершен. Сейчас можно сказать лишь о том, что в этих вариантах СМ картина фазовых переходов на электрослабом масштабе существенно более сложна, чем вышеописанная. Здесь имеется целая цепочка разнообразных фазовых переходов, детали которой сильно зависят от параметров теории. Об этих параметрах сегодня мы знаем совсем мало, для их установления необходимо экспериментально обнаружить и изучить, по крайней мере, 5 хиггсовских бозонов (в рамках суперструнной программы), или же обнаружить внутреннюю структуру кварков и лептонов (в рамках преонной программы).
 Мы уже отмечали, что происхождение и природа ХК связаны с регулярной деформацией слоистой структуры пространства-времени, отвечающей слабым взаимодействиям. Эта деформация осуществляется физическим полем специфической природы, которое и называется хиггсовским полем. В отличие от других полей это поле не представимо в виде взаимодействующих друг с другом квантованных волн, наложенных на пустоту. У него имеется так называемая конденсатная компонента, которую образно можно представить как однородную «жидкость», разлитую по всему пространству. Квантованные волны (хиггсовские бозоны) являются возбуждением этой «жидкости», а сама однородная «жидкость» соответствует основному вакуумному состоянию с наименьшей энергией. При анализе этой картины возникает следующий вопрос: возможно ли в этой хиггсовской «жидкости» существование возбуждений в виде уединенных стабильных волн – солитонов?

     Отметим, что этот вопрос возник на основе наших знаний об обычной жидкости. Нам известно, что если жидкость не подвергать внешним воздействиям, то ее основное состояние (с наименьшей энергией) представляет собой однородную недеформированную среду. Малые возмущения жидкости мы воспринимаем как звуковые (акустические) волны. А сильные возмущения, когда изменения плотности жидкости становятся сравнимы с самой плотностью – как ударные волны. Именно с этими типами волн мы и встречаемся в макроскопической практике. Но оказывается, что кроме этих двух типов движений есть еще один тип – солитоны. Солитон – это уединенная волна конечной амплитуды, она не является малым возмущением, но это и не ударная волна, для которой характерны разрывы в плотностях или сильная иррегулярность плотности типа разрыва, где области сильного сжатия соседствуют с областями разрежения. Солитон по величине амплитуды близок к ударным волнам, но из-за отсутствия разрывов плотности близок и к акустическим волнам. Можно сказать, что солитон есть особый тип движения, который невозможно сформировать наложением друг на друга акустических импульсов. Волновой пакет, построенный из акустических колебаний, в процессе распространения меняет форму, среди многих причин изменения формы есть и зависимость затухания акустических волн от их частоты. Так что солитон – это волновое возбуждение, которое, во-первых, не меняет своей формы в процессе распространения и, во-вторых, является практически не затухающим возбуждением. Кратко говоря, это особый тип нелинейных движений. Рождение и распространение солитонов в жидкости изучено и теоретически, и экспериментально.

     Вернемся, однако, к хиггсовской «жидкости». Возможно ли в ней существование солитонов? Оказалось, что в принципе на этот вопрос можно ответить положительно. Физически солитон в ХК представляет собой эффект локальной перестройки хиггсовского вакуума, когда некоторая ограниченная область пространства обладает иными импульсно-энергетическими свойствами по сравнению с окружающими областями, но не допускает интерпретации в виде суперпозиции квантованных волн, то есть ХБ.

Н. Н. Латыпов, В. А. Бейлин, Г. М. Верешков

ВАКУУМ, ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ВСЕЛЕННАЯ.