Нейтральна природність: прихований світ ієрархії бозона Гіґґса
- Ігор Сальниченко
- 21 груд. 2024 р.
- Читати 4 хв
Оновлено: 30 груд. 2024 р.
Проблема походження маси елементарних частинок — одне з найцікавіших питань сучасної фізики високих енергій. Відкриття бозона Гіґґса у 2012 році на Великому адронному колайдері (ВАК) підтвердило ідею існування поля Гіґґса, яке відповідає за масу більшості частинок Стандартної моделі. Але водночас з’явилася низка запитань: чому ж масштаби енергії, при яких розглядаються квантово-гравітаційні ефекти (шкала Планка, приблизно ГеВ), настільки відрізняються від фактичної маси бозона Гіґґса (125 ГеВ)? Ця величезна різниця отримала назву проблема ієрархії.
За останні десятиліття з’явилося чимало теорій, які намагаються пояснити, чому бозон Гіґґса такий «легкий» порівняно з планківською шкалою: суперсиметрія, композитні моделі Гіґґса чи різноманітні теорії з додатковими вимірами. Проте на сьогодні експерименти не підтвердили їхні найочікуваніші передбачення у даних ВАК. Саме тому дедалі більше уваги привертає новий підхід — нейтральна природність.
Проблема ієрархії: у чому сутність?
Проблема ієрархії полягає в тому, що квантові поправки через взаємодії з важкими частинками (зокрема, через верхній кварк чи гравітаційні ефекти на шкалі Планка) мали б «тягнути» масу Гіґґса до дуже високих енергій. Натомість у реальності спостерігаємо масу всього у 125 ГеВ. Здавалося б, має існувати механізм «захисту», який гасить ці квантові поправки й залишає Гіґґса відносно легким. У суперсиметрії, наприклад, таку роль виконують партнери кварків, близькі за масою, яких, утім, на БАК досі не виявлено.
Від суперсиметрії до «дзеркального» близнюка Гіґґса
Відсутність кольорово заряджених партнерських частинок (з масою, доступною для пошуку на ВАК) підштовхнула фізиків до створення моделей, де нові частинки можуть бути нейтральними щодо сильної взаємодії. Якщо таких частинок немає, ВАК просто не здатний їх утворити у великій кількості, оскільки зіткнення протонів зазвичай генерує численні кольорово заряджені об’єкти. Так виникла концепція «нейтральної природності».
Одним із перших підходів у цій галузі став «близнюк Гіґґса», запропонований Закарією Чакко (нар. 1975), Хок-Сенг Го та Роні Харніком у 2005 році. Ця модель описує «дзеркальний світ», схожий на наш, але без жодних кольорових зарядів Стандартної моделі. Таким чином, «близнюк» бозона Гіґґса існує у прихованому секторі, який не взаємодіє зі звичайними частинками за допомогою сильної ядерної сили. Саме ці «дзеркальні» частинки можуть забезпечувати «захист» маси Гіґґса від впливу високих енергетичних масштабів.
Як працює нейтральна природність?
Моделі нейтральної природності спираються на ідею, що партнери важких частинок, котрі «вирівнюють» масу Гіґґса, не мають кольорового заряду. Наприклад, у наближенні «дзеркального Гіґґса» існує копія нашого світу — дзеркальний сектор з власними кварками, лептонами й силами, проте всі вони невидимі для звичних детекторів, адже не мають електричного чи кольорового заряду. Єдиним «мостом» між цими секторами залишається бозон Гіґґса, який може взаємодіяти зі «своєю» дзеркальною копією.
Чи можна перевірити існування дзеркального Гіґґса? Пряме виявлення дзеркальних частинок надзвичайно складне, тому фізики шукають непрямі сигнали:
• Точні вимірювання властивостей звичайного Гіґґса. Якщо десь у даних буде виявлене відхилення від теоретичних передбачень Стандартної моделі, воно може свідчити про існування дзеркальних процесів.
• Невидимі розпади Гіґґса. Якщо бозон Гіґґса час від часу розпадатиметься на «дзеркальні» частинки, детектори бачитимуть брак енергії чи довгоживучі стани у траєкторіях розпаду.
Інші сценарії нейтральної природності
Крім «дзеркального» близнюка Гіґґса, існують і інші моделі нейтральної природності, зокрема «примхливий маленький Гіґґс»чи «складена суперсиметрія». Замість повного дзеркального світу вони передбачають появу нових важких частинок, які не взаємодіють через сильну ядерну силу, але можуть бути електрично зарядженими. Це дає шанс побачити їх в експериментах за допомогою електромагнітної взаємодії.
Утім, як і в «дзеркальному» варіанті, такі моделі вимагають непрямих тестів на присутність високої фізики. Особливий інтерес викликають майбутні колайдери (фабрики Гіґґса) та розширені пошуки на ВАК, оскільки підвищена точність дозволить відстежити найдрібніші нюанси взаємодій бозона Гіґґса.
Приховані сектори та темна матерія
Нейтральна природність може також виявитися ланкою, що об’єднує пояснення проблеми ієрархії з іншими задачами сучасної космології та фізики частинок:
• Темна матерія і темна енергія. Багато моделей темної матерії припускають наявність так званих «прихованих» або «темних» секторів. Ідеї «дзеркального світу» вкладаються у цей концепт, натякаючи, що темна матерія може бути елементом такого сектору.
• Космологічні напруги. За словами Закарії Чакко, один із варіантів «дзеркального Гіґґса» може вирішувати «проблему сигма-8» (розбіжності у вимірах розподілу матерії у Всесвіті) та «напругу Хаббла» (розбіжність у визначеннях швидкості розширення Всесвіту).
Експериментальні перспективи
Попри складність, випробування нейтральної природності вже тривають. Серед основних напрямів:
1. Прецизійні вимірювання зв’язків Гіґґса з іншими частинками Стандартної моделі. Найдрібніші відхилення можуть вказати на вплив прихованого сектору.
2. Пошук «довгоживучих» частинок. Якщо Гіґґс розпадається на дзеркальні частинки, а ті за певний час знову розпадаються на звичайну матерію, у детекторах може з’являтися запізнілий сигнал.
3. Розробка масштабних програм колайдерів нового покоління (FCC, CEPC та ін.), де підвищена енергія і світність дозволять виявляти дуже рідкісні процеси.
Зрештою, нейтральна природність — це не стільки остаточне вирішення проблеми ієрархії, скільки ще один шлях «захисту»маси Гіґґса від високих енергетичних масштабів. Її часто розглядають у поєднанні з іншими ідеями (наприклад, із суперсиметрією), які діють на ще вищих масштабах, недосяжних БАК.
Висновки
Нейтральна природність — це відносно новий спосіб пояснити «легкість» бозона Гіґґса без появи кольорово заряджених партнерських частинок, які могли б виявлятися у даних БАК. Хоча ці моделі поки що вимагають здебільшого непрямих експериментальних перевірок, вони відкривають ширший спектр можливостей для виявлення прихованих секторів, які можуть бути пов’язані з темною матерією, темною енергією та космологічними «напругами». Чи справді наша природа ховає «дзеркальних близнюків» бозона Гіґґса, покаже точніша експериментальна програма найближчих років. Але незалежно від результату, ці пошуки допомагають глибше зрозуміти фундаментальні принципи, що керують нашим Всесвітом.
Джерела:
1. Symmetry Magazine: Sarah Charley, “What is neutral naturalness?” (2023).
2. Particle Data Group (PDG). “Review of Particle Physics” (2023).
3. Zacharia Chacko, Hoang Seng Goh, Roni Harnik. “The Twin Higgs: Natural Electroweak Breaking from Mirror Symmetry,” (2005).
Comments