Содержание:
Стандартная модель — это исключительно удачная описательная теория мира элементарных частиц. На ее основе можно делать расчеты, часто очень точные, и сравнивать их с тысячами (!) совершенно разных экспериментальных результатов. За исключением нескольких случаев, которые можно пересчитать по пальцам, согласие между Стандартной моделью и опытом поразительно хорошее.
И тем не менее у Стандартной модели есть свои трудности. Многие из них связаны с тем, что эта теория многое описывает, но не объясняет, откуда оно взялось, не позволяет его вывести из более глубоких принципов.
Происхождение хиггсовского механизма
Хиггсовский механизм электрослабой симметрии — ключевой элемент Стандартной модели, которая очень удачно описывает мир элементарных частиц. Однако Стандартная модель не дает никакого объяснения тому, почему вообще есть хиггсовское поле и почему оно обладает таким свойством — образовывать вакуумный конденсат.
Проблема иерархии
Рис. 1. Облако виртуальных частиц, окружающее реальную частицу, изменяет ее характеристики. Изображение с сайта nobelprize.org В квантовой теории элементарных частиц оказывается, что вакуум — это не абсолютная пустота, а безостановочно бурлящее море виртуальных частиц. Эти виртуальные частицы самых разных сортов появляются на короткий миг и тут же пропадают. Однако если поблизости есть какая-то реальная частица, то они словно окутывают ее и изменяют ее свойства. Все частицы, из которых состоит наш мир, и даже те частицы, которые рождаются на коллайдерах, — это уже частицы, «укутанные» в виртуальную шубу. Массы, заряды и все прочие характеристики наблюдаемых частиц — это характеристики не исходных, а укутанных частиц.
Теоретики учитывают это явление с помощью особой математической процедуры, называемой перенормировкой. Для всех частиц Стандартной модели она работает хорошо, хотя доказать это было непросто (за это в 1999 году Г. ‘т Хоофту и М. Вельтману была присуждена Нобелевская премия по физике). Однако в случае хиггсовского бозона возникает проблема: влияние виртуальных частиц оказалось в теоретических расчетах ненормально сильным и неузнаваемо меняло массу бозона. В самом простейшем варианте, если исходная масса хиггсовского бозона составляла, скажем, 100 ГэВ, то после укутывания в шубу из виртуальных частиц она возрастала в триллионы раз, и такая частица уже не могла играть роль хиггсовского бозона.
Условно говоря, с точки зрения теории, Стандартная модель, будучи предоставлена сама себе, стремится «улететь» на энергетический масштаб, на много порядков превышающий реальный масштаб электрослабых явлений (порядка 200 ГэВ). Внутри Стандартной модели нет никакого сдерживающего фактора, останавливающего рост массы хиггсовского бозона за счет виртуальных частиц. Эта трудность называется проблемой иерархии — теорию сформулировали для работы на одном масштабе, но она «предпочитает жить» на гораздо большем масштабе энергий. (Слово «иерархия» здесь понимается как исключительно сильный дисбаланс энергетических масштабов.)
Есть две точки зрения на эту проблему. Первая возможность заключается в следующем: хиггсовский бозон изначально имел ненормальные свойства, и лишь после того, как он приобрел виртуальную шубу, все ненормальности очень точно скомпенсировались. Физикам такая тонкая подстройка кажется исключительно противоестественной.
Второй выход таков. Если в природе есть какие-то другие частицы, то их — в виртуальном виде — влияние на хиггсовский бозон компенсирует друг друга. Самое важное здесь в том, что во многих моделях физики вне Стандартной модели (в том числе, некоторые неминимальные варианты хиггсовского механизма, а также суперсимметричные теории) эту компенсацию не надо подстраивать, она сама по себе возникает такая, как надо, просто по построению теории. Именно такие теории больше всего привлекают теоретиков.
Парадокс LEP
Примем ту точку зрения, что при повышении энергии Стандартная модель действительно превращается в какую-то более широкую теорию, которая и решает проблему иерархий. В большинстве конкретных примеров получается, что эта Новая физика должна полноправно вступать в свои права при энергии около 1 ТэВ, то есть современные коллайдеры вот-вот откроют новые частицы или силы. Но раз так, Новая физика должна начинать чувствоваться при гораздо меньших масштабах энергий, порядка 100 ГэВ — ведь она «включается» не резко, а постепенно, с ростом энергии.
Проблема, однако, в том, что ни электрон-позитронный коллайдер LEP (полная энергия столкновений почти 200 ГэВ), ни протон-антипротонный коллайдер Тэватрон (полная энергия столкновений 2 ТэВ, что дает типичную энергию партонных столкновений несколько сотен ГэВ) до сих пор не открыли никакого достоверного отклонения от Стандартной модели. Эту же проблему называют «парадоксом LEP»: несмотря на высокую точность данных LEP и несмотря на то, что Новая физика должна быть «за углом», никакого намека на нее LEP не увидел. Впрочем, в последний год работы Тэватрон предъявил сразу несколько результатов, требующих объяснений, однако до настоящего открытия физики за пределами Стандартной модели дело пока не дошло.
Массы фермионов
Рис. 2. Массы всех частиц Стандартной модели разбросаны в очень широком диапазоне. В Стандартной модели такая иерархия масс не получает удовлетворительного объяснения. Изображение с сайта www.ipod.org.uk Еще одной загадочной чертой Стандартной модели является очень большой разброс масс фундаментальных фермионов, то есть кварков и лептонов (см. рис. 2). Массы топ-кварка и электрона различаются в сотни тысяч раз, а если принимать во внимание нейтрино, то в триллион раз! Поскольку массы фермионов в Стандартной модели возникают за счет хиггсовского механизма, то получается, что безразмерные коэффициенты во взаимодействии хиггсовского поля с фермионами тоже разбросаны в очень широком диапазоне.
С точки зрения всего опыта теоретической физики такая ситуация тоже выглядит ненормальной. Физики пытаются понять, может ли существовать какой-то механизм, который естественным образом приводит к такому разбросу. Стандартная модель тут не поможет, но в некоторых нестандартных теориях похожая иерархия масс может возникать.
Нейтрино
Стандартная модель, в том виде, в каком она изначально и строилась, требует, чтобы нейтрино были строго безмассовые. Однако экспериментально доказано, что нейтрино имеют массу, пусть и очень маленькую. Кроме того, нейтрино очень активно смешиваются друг с другом, постоянно перетекая из одного типа в другой. Всё это наводит на мысль, что массы и смешивание нейтрино происходит не из-за хиггсовского механизма, а за счет явления какой-то иной природы. Опять же, в Стандартной модели таких явлений нет, а вот среди разнообразных вариантов Новой физики таких механизмов предостаточно.
Отсутствие частиц темной материи
В астрофизике сейчас считается общепринятым, что во Вселенной, кроме обычного вещества в виде звезд, планет, газопылевых облаков, черных дыр, нейтрино и т. п., существуют и частицы совершенно иной природы, которых мы не видим ни в каком диапазоне электромагнитных волн. Это частицы темной материи, про которые сейчас ничего не известно, кроме того лишь факта, что они движутся с малыми скоростями и практически не взаимодействуют с излучением и обычным веществом. В Стандартной модели нет ни одной частицы, подходящей на эту роль. Однако частицы-кандидаты в темную материю встречаются среди теорий вне Стандартной модели.
Преобладание вещества над антивеществом
По всей видимости, наблюдаемая часть Вселенной состоит практически целиком из вещества — отдельных планет, звезд, галактик, сделанных из антиматерии, нет. Такой дисбаланс вещества над антивеществом должен был возникнуть динамически на самых ранних этапах эволюции Вселенной. Однако расчеты показали, что Стандартная модель породить нужный дисбаланс неспособна. Фактически, само существование мира, каким мы его видим, говорит о недостаточности Стандартной модели.
