Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир - Гвидо Тонелли

Конец Вселенной

Электрослабый вакуум играет ключевую роль в эволюции Вселенной. После того как мы измерили с высокой точностью массу бозона Хиггса, в теории не осталось свободных параметров и мы можем воспользоваться Стандартной моделью и всем тем, что знаем о квантовой теории, для того, чтобы изучать эту самую эволюцию. В частности, едва только мы обнародовали первые данные относительно бозона, различные группы теоретиков спросили нас: а что бозон Хиггса с массой 125 ГэВ говорит нам об устойчивости электрослабого вакуума?

Сформулированный таким образом, этот вопрос кажется адресованным только специалистам, но в действительности он касается всех людей, потому что речь тут идет о судьбе нашей Вселенной. Спонтанному нарушению симметрии вакуума принадлежит решающая роль в регуляции механизма, определяющего правила игры фундаментальных взаимодействий и, соответственно, придающих очень специальную форму окружающей нас Вселенной. Характеристики электрослабого вакуума, при которых слабые и электромагнитные силы разделяются, можно изучать как функции многих переменных; две важнейшие из них – это массы топ-кварка и бозона Хиггса, двух самых тяжелых частиц в Стандартной модели. Теперь, хорошо зная эти две величины, стало возможно вычислить, как будет вести себя электрослабый вакуум в зависимости от энергии, и понять, как он сформировался в первые мгновения жизни Вселенной, а также сделать некоторые предположения относительно его эволюции в будущем.

Проведенные вычисления были довольно упрощенными. Предполагалось, что Стандартная модель справедлива при любых энергиях, а эта гипотеза, как мы знаем, может и не быть верна. Кроме того, не принималась в расчет та роль, которую могла играть гравитация, – а это может оказаться слишком грубым допущением, поскольку мы пока не поняли, что происходит при высоких энергиях с этим самым загадочным из взаимодействий. Тем не менее были получены весьма интригующие результаты, которые вызвали горячие споры, длящиеся до сих пор.

Используя массы топ-кварка и бозона Хиггса, можно построить своего рода диаграммы состояния электрослабого вакуума, то есть график, похожий на те, с помощью которых характеризуется физическое состояние жидкости, например воды. В самом деле: мы знаем, что в зависимости от давления и температуры вода может находиться в жидком, твердом или газообразном состоянии. В обычном состоянии, то есть при атмосферном давлении, при температуре ниже 0 °C вода замерзает, при температуре от 0 °C до 100 °C находится в жидком состоянии, а при температуре выше 100 °C переходит в газообразное состояние. Что‑то подобное происходит и с электрослабым вакуумом, состояние которого может изучаться как функция массы топ-кварка и массы бозона Хиггса, играющих роль, аналогичную той, что давление и температура играют для воды.

И тут нас поджидает сюрприз. На основании этого исследования становится ясно, что наша Вселенная какая‑то очень специальная. При существующих совершенно особых значениях массы топ-кварка и массы бозона Хиггса она оказывается в метастабильном состоянии, то есть заключенной в узком промежутке между областью устойчивого равновесия и бездной тотальной нестабильности.

Если бы массы топ-кварка и бозона Хиггса были чуть‑чуть другими, электрослабый вакуум оказался бы настолько нестабильным, что в нем была бы невозможна никакая эволюция: микроскопический разрыв в квантовом вакууме, проделанный Большим взрывом, немедленно бы затянулся, и все бы закончилось, не успев даже начаться. С этими же “совершенно особыми значениями” электрослабый вакуум, напротив, смог удержаться и закрепиться надолго, на целые миллиарды лет, позволив эволюции довести дело до появления нас с вами.

Но и стабильность при этом совсем не абсолютна. Если в какой‑то части Вселенной по какой‑то таинственной причине возникнет сгусток энергии, в миллиарды раз превосходящий ту, что мы производим в LHC, электрослабый вакуум может разрушиться. По всей вероятности, этот разрыв не будет оставаться локальным. Когда в какой‑то одной области система устремится к новому равновесию, весь избыток энергии, аккумулированный вакуумом, превратится в излучение, а весь космос – в огромный огненный шар.

Итак, мы приходим к двум возможным сценариям конца Вселенной. Если электрослабый вакуум удерживается, темная энергия будет отталкивать все от всего до тех пор, пока мрак и холод не воцарятся беспредельно. Ну, а изменение структуры вакуума (то есть космическая катастрофа) может, напротив, прервать замороженный макабрический танец темной энергии и вытолкнуть нас с этой сцены куда более решительным и значительно более эффектным пинком.

Однако у нас есть чем утешиться: оба эти сценария, судя по тому, что нам известно на сегодняшний день, в ближайшее время не реализуются. Так что мы все еще можем строить планы на летние каникулы или мечтать о пенсии. Очень вероятно, что у Вселенной есть в запасе несколько миллиардов лет относительно спокойной жизни.

Но интригует меня в этой истории вот что: метастабильное состояние нашей Вселенной, похоже, определяет связь между бренностью человеческого существования и шаткостью Вселенной в ее целокупности. Хрупкость человеческих существ, ненадежность наших тел, которые могут быть напрочь испорчены одним-единственным фрагментом ДНК, если в нем что‑то вдруг не сложится, или простым падением с лестницы, словно бы отражает космическую бренность, присущую даже окружающим нас галактикам и их скоплениям, когда‑то казавшимся нам бессмертными.

Следствия гипотез относительно стабильности электрослабого вакуума сильно подогрели интерес к теориям, в которых фигурирует мультиверсум. Если принимается та точка зрения, что наша Вселенная – одна из множества других вселенных, характеризующихся различными и случайными начальными условиями, то чего удивляться, что у нас такие исключительные значения масс у топ-кварка и бозона Хиггса? Окажись они другими, времени жизни Вселенной не хватило бы на появление живых существ, достаточно умных, чтобы задавать такие вопросы[50].

Картина становится более простой и понятной. Представим себе ребенка с завязанными глазами, вытаскивающего случайным образом фанты с номерами из вращающегося барабана, – вроде того, что используют при игре в лото. Каждый номер задает значение некоей фундаментальной константы в данной вселенной. Для бесчисленного количества вселенных эволюция окажется кратчайшей. Для везунчиков – какое‑то время продлится. Наконец, для супервезунчиков она продлится миллиарды лет, как у нас.

Дабы разобраться во всем этом, нам надо, чтобы LHC продолжал свою работу, а мы продолжали исследовать природу и строить новые ускорители. Электрон-позитронные, чтобы использовать их как фабрики миллиардов копий бозона Хиггса для дальнейшего и точного измерения всех его параметров. Протон-протонные с высочайшей энергией, чтобы исследовать подробности спонтанного нарушения электрослабой симметрии и искать новые частицы и новые взаимодействия.

Так началась охота за Новой физикой.

Глава 9

Ворота в будущее

“Это примерно столько же, сколько мы потратили на «Интер» в последнее время!”

UX5, подземная камера CMS в Чесси,

18 мая 2011 г., 16.00

На сегодня я встречался уже с