Новости России и Мира

27 августа






Рейтинг@Mail.ru


Теоретики критикуют гипотезу «хиггсовского взрыва»

Рис. 1. Доклад Валентина Хозе об идее «хиггсовского взрыва» (Higgsplosion), сделанный 7 ноября 2017 года на конференции Higgs couplings 2017, вызывал к жизни вполне понятные ассоциации: этот механизм предлагался как революционное решение одной из трудностей Стандартной модели — проблемы иерархий. Рисунок из доклада Valentin V. Khoze, 2017. Higgsplosion

Год назад была предложена идея «хиггсовского взрыва» — необычного механизма, который может работать прямо в рамках Стандартной модели, без какой-либо Новой физики, и который способен решить проблему иерархий. Однако на днях вышло сразу две теоретические статьи, которые обстоятельно критикуют математическую самосогласованность этой идеи.

Одна из причин, почему Стандартная модель не вызывает у физиков ощущения окончательной теории, это так называемая проблема иерархии энергетических масштабов. Заключается она в том, что хиггсовский бозон — неправдоподобно легок. Дело в том, что в квантовой теории поля естественный масштаб массы для любой фундаментальной скалярной частицы — это, как минимум, энергетический масштаб Новой физики или, в ее отсутствии, планковский масштаб масс, порядка 1019 ГэВ. Между тем, измеренная масса бозона Хиггса — всего 125 ГэВ, во много триллионов раз меньше этой наивной оценки. Что ее сдерживает на «нормальном» масштабе — неизвестно.

Рис. 2. Диаграмма, описывающая излучение и поглощение свободно летящим бозоном Хиггса своего виртуального «собрата»

Возникает эта проблема из-за влияния виртуальных частиц, которые в виде квантового облачка сопровождают скалярную частицу и неконтролируемо увеличивают ее массу (рис. 2). Для частиц материи (кварков и лептонов) и для бозонов-переносчиков взаимодействий, такой проблемы нет. За счет процедуры перенормировки, когда все величины выражаются через экспериментально измеряемые параметры, масса этих частиц держится на нужном масштабе — вне зависимости от того, какие чудеса могут происходить в нашем мире на планковских энергиях. Скалярные частицы этому правилу не подчиняются. Даже если применить к ним перенормировку и постановить без объяснений, что масса бозона Хиггса просто равна 125 ГэВ и все, это значение все равно будет аномально чувствительно к неизвестной физике на планковском масштабе. Иными словами, мы полностью теряем какую-либо предсказательную способность для массы бозона Хиггса при повышении энергии.

Оговоримся, впрочем, что приведенная выше формулировка дает очень упрощенное изложение ситуации. Реальная проблема — не в массе частицы самой по себе, а в значении хиггсовского поля, пронизывающего всю Вселенную. Именно это значение необъяснимо мало по сравнению с планковским масштабом. Масса бозона Хиггса — лишь следствие этого факта, но именно ее часто упоминают в таком контексте.

Про эту проблему физики знали давно, фактически с момента появления хиггсовского механизма как составляющего элемента Стандартной модели. Более того, многие воспринимали ее как косвенный запрет на существование фундаментальной скалярной частицы. По этой же причине в течение 1990–2000-х годах росла уверенность многих теоретиков в том, что суперсимметрия вот-вот будет открыта — ведь суперсимметрия как раз предлагает очень элегантное решение проблемы. Однако бозон Хиггса открыли, его массу измерили, суперсимметрию, наоборот, даже близко не видно, и нового решения проблемы так и не найдено. Существуют, впрочем, модели Новой физики, которые с этой проблемой отчасти справляются. Но, как и всякие гипотетические теории, они превратятся во что-то убедительное лишь после того, как будут хотя бы косвенно подтверждены экспериментом.

Однако в прошлом году было предложено новое, совершенно удивительное решение этой проблемы. Авторы работы утверждали, что прямо в рамках Стандартной модели, без какой-либо Новой физики, существует новый, незамеченный никем ранее механизм, который и устраняет проблему, а точнее, сильно смягчает ее остроту. Механизм получил название «хиггсовский взрыв» (Higgsplosion) и заключается вот в чем. Если в столкновении двух протонов исключительно большой энергии родится очень виртуальный бозон Хиггса, то он просто не сможет двигаться вперед и моментально рассыпется на многочисленные реальные бозоны Хиггса из-за экспоненциально большой ширины распада. Вариантов ветвящихся диаграмм можно нарисовать огромное количество. Хотя каждая диаграмма дает небольшой вклад, все они накладываются друг на друга в совокупности производит взрывоподобный эффект (рис. 3). Если то же самое работает и для тех сильно виртуальных хиггсовских бозонов, которые сопровождают реальный бозон Хиггса (см. рис. 2), то они уже не будут влиять на массу бозона Хиггса, и проблема самоустранится.

Рис. 3. В гипотезе «хиггсовского взрыва» виртуальный бозон Хиггса, родившийся в столкновении сверхвысокой энергии, моментально распадается на огромное количество реальных бозонов Хиггса. Рисунок из доклада Valentin V. Khoze, 2017. Higgsplosion

За последний год авторы идеи прорабатывали разные ее приложения, включая модели для частиц темной материи (Valentin V. Khoze et al., 2018. A Higgsploding Theory of Dark Matter). Однако за пределами исходной исследовательской группы мало кто подхватывал эту идею, несмотря на всю ее революционность. Кулуарно теоретики выражали свой скептицизм, но критических публикаций не было. Но недавно молчание было прервано. В архиве препринтов появились сразу две теоретические статьи (arXiv:1808.05641 и arXiv:1808.05810), которые указывают на математически некорректные допущения и прямо утверждают, что предложенный механизм не согласуется с фундаментальными принципами локальной теории поля.

Чтобы хотя бы немного раскрыть суть возражений, поясним, почему вообще в этом вычислительном вопросе возникает полемика. Разве нельзя просто взять и честно сосчитать нужные диаграммы? Ответ прост: нельзя, и никакие достижения компьютерной алгебры тут не помогут. Проблема не в том, что диаграмм очень много. Не работает сам подход, основанный на разложении на диаграммы.

В подавляющем большинстве квантовых теорий мы не можем абсолютно точно сосчитать нужные величины. Мы их графически раскладываем на все более и более усложняющиеся диаграммы и вычисляем вклад только от диаграмм первых нескольких порядков сложности, ожидая, что остальными можно пренебречь. Покуда это ожидание подтверждается, метод работает. Когда оно перестает срабатывать, т. е. когда нужно учесть сразу бесконечное число сколь угодно сложных диаграмм, — подход в лоб перестает давать адекватные результаты.

Но даже в этом случае задачу все равно иногда удается решить, если найти способ просуммировать сразу бесконечное число диаграмм определенного класса. Конечно, никто прямо не складывает результаты от первой, второй, третьей диаграммы, и так до бесконечности. Теоретики сначала находят закономерности в этих диаграммах, а потом, на основании аксиом квантовой теории поля и тематических теорем, устанавливают окончательный ответ. Одно из возражений в двух недавних статьях как раз касалось этой процедуры пересуммирования: в них показывается, что авторы исходной идеи проглядели математические тонкости и пришли к неверным выводам.

Если в процессе взаимодействия участвует большое число однотипных частиц, применяют и другой метод. Вместо отдельных частиц рассматривают сразу их макроскопическое число, в буквальном смысле крупный кусок поля. Уравнения классической теории поля решаются проще, и на основании этих решений можно попробовать угадать ответ для исходной задачи с большим числом квантовых частиц. Авторы идеи «хиггсовского взрыва» тоже прибегли к этому методу, основываясь на классических вычислениях 90-х годов. Однако недавние статьи ставят под сомнение адекватность использованных приближений.

Наконец, критикуется и переход от ситуации с большой положительной виртуальностью, как в процессе на рис. 3, к ситуации с большой по модулю отрицательной виртуальностью, которая имеет место для виртуальных частиц в петлях (рис. 2). Даже если в первом случае «хиггсовский взрыв» возьмет все под контроль, то не следует ожидать, что во втором случае будет то же самое. Более того, проблема может лишь усугубиться.

Так или иначе, эта теоретическая дискуссия еще будет продолжаться. Она служит хорошей иллюстрацией того, что потенциально интересные явления могут скрываться там, где, казалось бы, все уже истоптано. Коллективный теоретический анализ этих неожиданных тонкостей — существенная часть рабочего процесса в современных исследованиях микромира.

0 Написать комментарий Вход в систему запомнить пароль Зарегистрироваться Забыли пароль?
0
 

Коментарии:

пока нет, но вы всегда можете оставить свой.

Оставить комментарий:
captcha
Администрация оставляет за собой право удалять любые комментарии по следующим причинам:
  • Отзыв является спамом или содержит сомнительную информацию.
  • Отзыв содержит ненормативную лексику.
  • Отзыв является оскорбительным, унижающим честь и достоинство конкретных людей.
  • Сообщить о нарушении вы можете здесь