Борис Штерн - Прорыв за край мира

Рис. 16.1. Фазовая диаграмма воды

В случае с фазовым переходом к конфайнменту привыкли рисовать фазовую диаграмму, поменяв оси и используя плотность кварков вместо давления:

Рис. 16.2. На этой диаграмме трек в ранней Вселенной проходит намного левей критической точки. Данный фазовый переход пытаются смоделировать в лаборатории — на ускорителях тяжелых ионов (как ни удивительно, с хорошими шансами на успех).

При столкновениях тяжелых ионов на Большом адроном коллайдере (он может ускорять не только протоны но и тяжелые ионы) или RHIC в Брукхейвене получается трек ближе к критической точке, но всё же за ней. А вот на строящихся коллайдерах тяжелых ионов NICA (в Дубне) и FAIR (в Дармштадте), как утверждается, они попадут прямо в фазовый переход.

Изменился ли вакуум при фазовом переходе к конфайнменту? На этот вопрос принято отвечать положительно: к «морю» ненаблюдаемых частиц, составляющих вакуум, добавились составные частицы — кварк-антикварковые пары, примером которых являются я-мезоны.

Теперь перейдем к предыдущему фазовому переходу где-то при 100 ГэВ. Это более фундаментальный фазовый переход, поскольку вакуум претерпел более радикальное изменение — он заполнился ненулевым фундаментальным полем — тем самым полем Хиггса.

Мысль о том, что с теорией электрослабых взаимодействий должен быть связан фазовый переход в ранней Вселенной, возникла вскоре после появления теории электрослабого объединения Вайнберга-Салама. Первым об этом написал Давид Киржниц в 1972 году. Он обратил внимание, что теория электрослабых взаимодействий очень напоминает теорию сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау. Там фотон подобно W-бозону приобретает массу, что наблюдается как эффект Мейснера: магнитное поле выталкивается из сверхпроводника. И там есть критическая температура, выше которой сверхпроводимость исчезает. Значит, и в теории электрослабых взаимодействий должна быть критическая температура, а в ранней Вселенной до определенного момента температура была выше критической. И когда-то (по мере остывания Вселенной) произошел фазовый переход.

Это была лишь общая идея, а вскоре вышла более основательная работа Давида Кижница и Андрея Линде, где этот фазовый переход уже исследуется детально с количественными оценками. Тогда же появились и работы других авторов. Кстати, это, судя по всему, тоже был кроссовер, а не фазовый переход — это важно с точки зрения барионной асимметрии (см. врезку): при кроссовере нет выхода из термодинамического равновесия, необходимого для появления избытка барионов над антибарионами. Следовательно, причину барионной асимметрии Вселенной надо искать где-то еще. Так или иначе фаза сменилась, поле Хиггса стало ненулевым, электромагнитные взаимодействия стали отличаться от слабых.

16.13. Давид Абрамович Киржниц (1926-1998), сотрудник Теоретического отдела ФИАН, член-корр. РАН

Спонтанное нарушение симметрии много чего объяснило и сократило число сущностей. Но объяснило далеко не всё. В теории осталась куча свободных параметров и необъясненных фактов. Например, нарушение CP-симметрии (см. врезку) или индивидуальные константы взаимодействия частиц с полем Хиггса — откуда они взялись? Тоже некое спонтанное нарушение? Где, в каком месте? Здесь сюжет выходит за рамки компетенции автора, поэтому приходится прибегать к помощи научного редактора, переадресовывая вопрос ему.

Валерий Рубаков:Да, это действительно вопрос! Очень может быть, что свободные параметры нынешней стандартной модели — тоже результат нарушения симметрии где-то при более высоких температурах — раньше по времени. И с СР-нарушением вопрос (см. врезку «Что такое СР-инвариантность…» — Б. Ш. ) — тоже где-то выше должно было произойти. При этом остается проблема с барионной асимметрией, которая требует нарушения СР.

Б. Ш.:Почему это проблема? Требуемая асимметрия между барионами и антибарионами — всего одна миллиардная, если считать, что на один кварк приходится миллиард фотонов, а до аннигиляции кварк-антикварковых пар их было примерно поровну (см. врезку «Проблема барионной асимметрии»). И мы видим нарушение СР в слабых взаимодействиях — как раз того же порядка величины.

В. Р.:Нет, если аккуратно считать, получается, что того нарушения СР, которое видно, например, в распаде К-мезонов, не хватает для объяснения барионной асимметрии Вселенной. Требуется большее нарушение, и непонятно, откуда его взять.

Б. Ш.:Для меня это новость. Я честно полагал, что тут концы с концами примерно сходятся. Еще вопрос: до фазового перехода плотность энергии поля Хиггса была существенно выше нуля, хотя среднее вакуумное значение поля было нулевым. Как получилось, что потом она упала точно в ноль, да еще при ненулевом значении поля?

В. Р.:Это тоже загадка, причем очень старая и очень фундаментальная. Еще Паули ломал голову: почему вакуум не тяготеет?

Ведь из-за квантовых флуктуаций среднеквадратичные значения полей в вакууме отличны от нуля и их плотность энергии должна быть огромной — положительной или отрицательной.

Б. Ш.:Давай пока оставим этот вопрос. Разговор об этом будет логичней ближе к концу книги. Дальше, как понимаю, великое объединение, а до него — огромный прыжок в масштабе от 100 ГэВ до 10 16ГэВ — на 14 порядков. Причем абсолютно недоступные 10 16ГэВ вырисовываются в результате экстраполяции того, что мы видим при «нормальных» энергиях, достижимых на ускорителях. Откуда эта жуткая «энергетическая пустыня», как ее называют? Неужели из того, что мы видим на наших масштабах, нет ничего, что бы указывало на перспективу какой-то новой физики посреди этой пустыни?

В. Р.:Четких указаний, пожалуй, нет. Есть некоторые наводящие соображения. Например, откуда берется ничтожно малая разница масс осциллирующих нейтрино? Так вот, есть механизм генерации этой малой разницы с помощью частиц с массой порядка 10 12ГэВ! Типа того, как слабость слабых взаимодействий связана с большой массой W-бозона — малая разница масс нейтрино связана с огромной массой ответственной частицы, которая стоит в знаменателе.

Б. Ш.:Гипотетический зоопарк суперсимметричных частиц (всяких фотино, глюино и скварков) тоже может заполнить эту «пустыню»?

В. Р.:Почему бы и нет? Впрочем, есть люди, которые считают, что в «пустыне» ничего нет. Более того, Михаил Шапошников, например, считает, что выше масштаба электрослабого объединения вообще ничего нет, никакой новой физики вплоть до планковского масштаба. И великого объединения нет.