Слухи о смерти Вселенной сильно преувеличены

[rengineering]

На днях по российским СМИ прокатилась очередная околонаучная «страшилка». Новость, перепечатанная в сотне изданий, рубила наповал: мол, вычисления американского физика Джозефа Ликкена показывают, что хиггсовский бозон станет ни много ни мало причиной смерти нашей Вселенной. Занятно, что СМИ даже не особо упражнялись в выдумывании заголовков, ведь фраза «Бозон Хиггса станет причиной гибели Вселенной» уже звучит достаточно «прожарено» для большинства СМИ.

Перефразируя знаменитую фразу Марка Твена, можно сказать, что слухи о смерти Вселенной сильно преувеличены. Вот описание реального положения дел (комментарии к самим новостям СМИ для краткости опустим).

1. Сам по себе факт, что в некоторых теориях элементарных частиц бывает несколько разных вакуумов, известен более полувека, еще с тех пор, как физики начали серьезно изучать спонтанное нарушение симметрии в теории поля. Обычный хиггсовский механизм — это, кстати, тоже результат того, что вакуумы бывают разные.

«Вакуум» в квантовой теории поля — это не пустота, а просто энергетически выгодное состояние всех полей. В теориях со сложно взаимодействующими полями таких состояний может быть несколько. Одно из них самое устойчивое, остальные — устойчивы только для не слишком больших воздействий. Такие «не самые устойчивые» вакуумы (ложные вакуумы) нестабильны. При очень сильном воздействии они разрушаются, и Вселенная тогда испытывает фазовый переход из ложного в истинный вакуум. Однако в принципе Вселенная может долго находиться в состоянии с ложным вакуумом, примерно так же, как и переохлажденная вода может долго находиться в жидком состоянии даже ниже номинальной точки замерзания — в таком случае говорят про метастабильный вакуум.

Есть простая повседневная аналогия этой ситуация. Упавшее на пол тело, попрыгав немного, замрет и останется лежать на полу. «Неподвижно лежать на полу» — это состояние с наименьшей энергией для тела, этот как бы «вакуум возмущений» этого тела. В многоэтажном доме этих состояний будет много — тело может устойчиво лежать на полу на любом этаже. Однако при очень сильном внешнем воздействии (например, землетрясении, разрушившем дом), состояние покоя на верхних этажах будет неустойчивым, и тело рухнет вниз вместе с перекрытиями — произойдет переход из «ложного» вакуума в «истинный».

2. То, что в хиггсовском вакууме Стандартной модели в принципе может иметь место такая ситуация, тоже известно давным-давно. Подчеркнем — не «имеет место», а «в принципе может иметь место», в зависимости от того, какова сила взаимодействия хиггсовского поля с самим собой (то есть какова масса бозона Хиггса).

Это совершенно стандартный факт, который упоминается в любом вводном курсе про свойства хиггсовского бозона. Только подается он не в виде «Мы все умрем!», а в виде: «Масса стандартного хиггсовского бозона не может быть меньше примерно 110 ГэВ, иначе бы нынешний вакуум был бы слишком нестабильный и давно бы развалился». Заметьте, это не предсказание о судьбе Вселенной, которое зависит от слишком многих неизвестных сейчас вещей, а просто ограничение на параметры теории.

3. Поскольку сейчас масса бозона Хиггса известна, можно спросить: чему она соответствует? Вот на этот вопрос пока точного ответа дать нельзя — нынешние измерения массы бозона Хиггса и массы топ-кварка пока что недостаточно точны для этого (топ-кварк как раз играет роль дестабилизатора хиггсовского поля). В пределах экспериментальных погрешностей лежат ситуации от «полностью стабильной» до «чуть-чуть нестабильной».

Эти слова — не просто обороты речи, а имеют определенный четкий смысл. «Полностью стабильный» хиггсовский потенциал означает, что он стабилен не только в спокойном состоянии, но даже и при любом воздействии вплоть до планковских энергий (что происходит за планковскими энергиями, современная физика просто не знает). «Чуть-чуть нестабильный» означает, что он остается стабильным вплоть до очень больших энергий порядка 1010 ГэВ, которые на много порядков превосходят возможности коллайдеров.

Сейчас оценивается, что «водораздел» между полностью стабильным и не вполне стабильным вариантами проходит при массе бозона Хиггса 129 ± 6 ГэВ. Измеренное на сегодня значение в этот интервал попадает. Поэтому какой из этих вариантов правильный, можно будет узнать, лишь уточнив массу бозона Хиггса и топ-кварка.

Вообще говоря, изучению этого вопроса было посвящено несколько подробных статей в последние полтора года, по мере того как в данных LHC начал проступать хиггсовский сигнал (наиболее заметные работы arXiv:1112.3022, arXiv:1205.2893, arXiv:1205.6497, arXiv:1207.0980). Эта тема сейчас изучена вдоль и поперек, так что новые выводы, повторимся, тут можно сделать только после объявления новых данных. Трудно понять, какие новые вычисления мог бы предъявить Дж. Ликкен (его расчеты лишь докладывались на конференции и пока что недоступны даже в виде препринта).

4. Предположим, тем не менее, что будущие измерения покажут, что ситуация является «чуть-чуть нестабильной». Казалось бы, это потенциально опасно — ведь если хоть где-то во Вселенной (например, на супер-ускорителе какой-нибудь сверхцивилизации в иной галактике) случится достаточно сильная энергетическая флуктуация, это может привести к рождению «пузырька истинного вакуума», который, расширяясь, разрушит Вселенную.

Ключевая ошибка СМИ состояла в том, что этот вывод в них описывался как неизбежный. На самом деле ситуация совершенно не такая — эти опасения будут хоть отчасти справедливы, только если окажется, что Стандартная модель работает без каких-либо модификаций вплоть до этих огромных энергией. Но никто сейчас не знает, как реально устроена природа! Неизвестно, существует ли какая-то Новая физика на масштабах от энергий LHC и до 1010 ГэВ. Если там существует хоть что-то, то все предыдущие выводы относительно возможной нестабильности рушатся.

5. Ну и последнее. Предположим, что всё же Стандартная модель действительно верна вплоть до 1010 ГэВ и никакой Новой физики — ни новых частиц, ни новых взаимодействий, ни суперсимметрии, ни новых измерений, ничего — нет. Тогда в соответствии с расчетами Вселенная действительно сейчас находится в метастабильном состоянии и может распасться. Когда это произойдет?

Ответ уже давно сосчитан: для нынешних значений масс частиц время составляет порядка 1050 лет и выше. До десятка миллиардов это время жизни может уменьшиться, только если нынешние измерения массы топ-кварка по какой-то причине дают очень заниженные результаты.

Итак, выводы:

- теоретическая возможность нестабильного хиггсовского вакуума давно известна и изучена вдоль и поперек, никаких принципиально новых вычислений тут быть не может; новости тут могут быть только связаны с более точными измерениями;
- нынешние данные показывают, что хиггсовский потенциал Стандартной модели либо совсем стабилен, либо стабилен вплоть до очень больших энергией порядка 1010 ГэВ (но всё равно время до распада Вселенной на много порядков превышает ее нынешний возраст);
- всё это имеет отношение к реальности только в предположении, что никакой Новой физики в природе нет, то есть Стандартная модель справедлива вплоть до этих огромных энергий. Если есть хоть какое-то отклонение от Стандартной модели (не только при энергиях LHC, но и при энергиях в миллионы раз больших) — все эти выводы можно выкинуть.

Как реально устроена природа на таких энергиях, никто не знает. Поэтому никаких однозначных выводов о нестабильности реальной Вселенной сейчас сделать нельзя.

Источник: ЭЛЕМЕНТЫ