Группа ученых Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН и Кёльнского университета завершила цикл исследований в области космомикрофизики (синтеза космологии и физики частиц), объединяющих квантовую гравитацию, феноменологию Стандартной модели и теорию космологической инфляции с наблюдаемой крупномасштабной структурой пространства-времени. Полученные результаты предваряют ожидаемое открытие хиггсовского бозона на Большом адронном коллайдере (LHC). О работе рассказывает ведущий научный сотрудник сектора теории элементарных частиц ФИАН, доктор физико-математических наук Андрей Барвинский.

Современные исследования структуры материального мира требуют достижения все больших энергий, сообщаемых частицам материи.

Одна из ключевых задач в этом направлении – доказательство существования бозона Хиггса. Именно этот бозон, как считают физики, отвечает за существование массы у всех материальных тел. Одно это открытие полностью оправдает все надежды, возлагаемые на Большой адронный коллайдер.

Однако ускорительная техника, используемая в современной физике высоких энергий, вплотную приблизилась к пределу технических возможностей. Прогресс в коллайдерной технике сегодня обеспечивается применением новых технологий, а не увеличением физического размера ускорителей – например, Большой адронный коллайдер построен в туннеле уже существовавшего ускорителя LEP. Этот процесс имеет свой естественный предел.

Вместе с тем самый мощный «ускоритель» элементарных частиц – это ранняя Вселенная с ее Большим взрывом, стадией инфляционного расширения и ее квантовым начальным состоянием.

Идея «использовать» этот «ускоритель» лежит в основе сформулированной А.Д. Сахаровым программы космомикрофизики. Это направление исследований, приходящее на смену чисто «настольным» экспериментам по рассеянию частиц.

Программа космомикрофизики – синтез космологии с (астро)физикой частиц и их наблюдательными программами.

Современное понимание структуры микромира (Стандартной модели и ее электрослабого сектора) предполагает, что новые экспериментальные открытия можно ожидать только на планковском масштабе квантовой гравитации – 10¹⁹ ГэВ на нуклон (или на несколько более низком масштабе великого объединения, возможно, подправленного суперсимметрией, ~ 10¹⁶ ГэВ). Такие энергии частиц абсолютно недостижимы на рукотворных ускорителях. Так что

наиболее перспективным инструментом физики высоких энергий становится синтез данных, следующих из космологии и астрофизики и экспериментов на ускорителях.

Это особенно важно в связи со спутниковыми программами WMAP и Planck и введением в действие Большого адронного коллайдера LHC, на котором ожидается открытие хиггсовского бозона.

Общепризнанный в настоящее время сценарий происхождения Вселенной – Большой взрыв с последующей (начиная со времени 10^-43 сек после момента Большого взрыва до момента 10^-35 сек после момента Большого взрыва) стадией инфляции, стадией экспоненциального расширения Вселенной.

Именно на этой стадии Вселенная приобретает привычные нам и согласующиеся со всеми теперешними наблюдениями свойства: инфляция делает Вселенную плоской, однородной и изотропной, определяет ее размер и последующую эволюцию. Инфляционная теория и была придумана для того, чтобы все это объяснить.

Цикл исследований, о котором рассказывается в настоящем сообщении, начался с идеи 2008 года: именно бозон Хиггса может быть источником инфляции, тот самый бозон, который является носителем скалярного поля, отвечающего за темную энергию, составляющую примерно 74% всей энергии Вселенной. Специальная модель космологической инфляции обладает сильной неминимальной связью бозона Хиггса с кривизной пространства-времени, позволяющей считать эту частицу источником инфляционной стадии в ранней Вселенной. Квантовые эффекты тяжелых частиц Стандартной модели существенно модифицируют инфляционную динамику ранней Вселенной и влияют на характеристики наблюдаемого спектра реликтового излучения.

А знание амплитуды этого спектра на длине волны порядка 500 мегапарсек и слабого красного наклона спектра позволяет определить как значение константы вышеуказанного неминимального взаимодействия, так и основную характеристику Стандартной модели – массу ее хиггсовского бозона. Спектральный индекс космологических возмущений согласуется с наблюдениями, если хиггсовская масса M принадлежит интервалу

136 ГэВ < M < 185 ГэВ

в пределах которого и предполагается открытие хиггсовской частицы на Большом адроном коллайдере.

Обе границы этого интервала определены из экспериментальных данных спутника WMAP, а не из чисто теоретических ограничений областью применимости теории возмущений, применимости формализма и т. п.

Говорит один из авторов работы, доктор физико-математических наук Андрей Барвинский:

«Открытие бозона Хиггса в вышеуказанном интервале масс послужило бы подтверждением современной теории происхождения ранней Вселенной и ее связи со структурой материи на наиболее фундаментальном микроскопическом уровне. И показало бы единство картины мироздания, к пониманию которого исследователи двигаются с разных направлений, охватывающих космические спутниковые программы, астрономические наблюдения и коллайдерные эксперименты физики высоких энергий».

Полученный результат приводит к убедительному объединению квантовой гравитации, феноменологии Стандартной модели и теории инфляции с наблюдаемой крупномасштабной структурой пространства-времени. Он осуществляет синтез физических результатов на кардинально различных масштабах: 10^-16 см – комптоновская длина волны (размер) хиггсовского бозона, и 500 мегапарсек – длина волны анизотропии реликтового излучения, на которой измеряются характеристики первичных космологических возмущений (примерно одна десятая размера видимой части Вселенной). Связь физических явлений на столь различных масштабах становится физической основой возникновения инфляции – экспоненциально-быстрого расширения Вселенной, гигантским образом «растягивающего» физические масштабы.