Излучение Хокинга спасло Вселенную от распада ложного вакуума
Черные дыры могут заметно ускорить процесс распада ложного вакуума, в ходе которого Вселенная переходит из текущего метастабильного состояния в состояние с более низкой энергией. В результате подобного распада привычный нам мир перестал бы существовать. Однако двое физиков-теоретиков изучили этот процесс в приближении тонкостенных пузырьков истинного вакуума, прояснили физический смысл «скорости зарождения» и показали, что даже маленькие черные дыры не должны влиять на распад ложного вакуума, поскольку они окружены частицами из-за излучения Хокинга. Статья опубликована в Physical Review D.
Открытие на Большом адронном коллайдере (LHC) бозона Хиггса подтвердило справедливость Стандартной модели. В этой модели потенциал поля Хиггса, ответственного за возникновение массы у элементарных частиц, имеет довольно странную зависимость от энергии. На первый взгляд, при небольших значениях энергии взаимодействия бозонов (порядка тераэлектронвольт) поле имеет минимум, что соответствует вакуумному состоянию нашего пространства-времени (то есть состоянию, в котором энергия обычных полей минимальна). Однако эта зависимость имеет еще один минимум, лежащий в области гораздо больших энергий (порядка 1012 тераэлектронвольт), причем этот минимум находится ниже. Поэтому наш вакуум считается «ложным», то есть не отвечающим настоящему минимуму поля Хиггса.
В некоторых случаях может произойти спонтанный переход Вселенной из ложного вакуума в истинный (так называемый «распад ложного вакуума»), при этом будет выделяться огромная энергия. Обычно этот переход объясняют спонтанным образованием пузырьков истинного вакуума в ложном, которые при благоприятных условиях будут бесконечно расширяться, а при неблагоприятных — схлопываться. Отдаленно это напоминает процесс кипения воды, только вместо пузырьков насыщенного пара мы имеем дело с истинным вакуумом. В частности, именно поэтому некоторые люди боятся экспериментов на LHC — они считают, что эти эксперименты могут вызвать подобный переход. В действительности такие опасения не очень основательны, поскольку энергии, достигаемые на коллайдере, относительно малы. Более того, при текущем значении параметров Стандартной модели время жизни ложного вакуума превышает текущий возраст Вселенной, то есть в рамках этой модели наш вакуум является метастабильным.
Однако некоторые процессы могут ускорить распад ложного вакуума. Например, вокруг черной дыры пространство-время сильно искривляется, и правила подсчета энергии пузырька несколько изменяются, что должно увеличивать вероятность распада. При этом чем меньше черная дыра, тем проще вокруг нее образуются пузырьки и тем больше вероятность распада. С другой стороны, мы до сих пор продолжаем жить в ложном вакууме, что указывает либо на отсутствие таких черных дыр, либо на недостатки в наших теориях, либо на наше невероятное везение.
В данной статье физики-теоретики Кёхей Мукаида (Kyohei Mukaida) и Масаки Ямада (Masaki Yamada) исследовали, как происходит образование пузырей истинного вакуума рядом с черной дырой, и показали, что в таких процессах необходимо учитывать окружающую черную дыру разогретую плазму. Для этого они использовали теорию тонкостенного пузыря на фоне черной дыры в пространстве-времени де Ситтера (такое пространство описывает расширяющуюся Вселенную).
«Скорость зарождения» (nucleation rate) таких пузырьков ученые вычислили тремя различными способами. В первом способе, обычно используемом при подобных расчетах, теоретики учитывали искажение метрики возникающими пузырьками. В двух других случаях физики его не учитывали и работали в приближении плоского пространства-времени и фиксированной фоновой метрики, чтобы упростить вычисления и прояснить физический смысл происходящих процессов. Эти два метода физики сравнивают с использованием микроканонического и канонического ансамбля в статистической физике: в первом случае суммарная энергия пузырька и черной дыры сохраняется, а во втором случае остается постоянной только температура. В любом случае, оба этих подхода дают одинаковые результаты, если образующиеся пузырьки слабо искажают пространство-время.
Оказалось, что «скорость зарождения» складывается из двух существенных частей, отвечающих за возникновение пузырей с энергией E и собственно за туннелирование в истинный вакуум. В случае черной дыры энергии E отвечает изменение массы дыры при образовании пузырька. Этот факт ученые доказали двумя способами, пренебрегая действием пузырька на исходную метрику, а затем показали, что при учете этого действия ничего не меняется, если температура черной дыры (определяемая по температуре излучения Хокинга) конечна.
Кроме того, физики заметили, что в квантовой теории поля имеется множество других степеней свободы, и помимо пузырей истинного вакуума вокруг черной дыры также должны возбуждаться другие состояния с энергией E. Поэтому необходимо учитывать поправки к вероятности образования пузырьков, возникающие из-за присутствия плазмы. Такие поправки будут возникать даже в том случае, если черная дыра находится в «пустом» пространстве, поскольку вокруг нее обязательно образуется плазма, разогретая до температуры Хокинга. Оказывается, что в этом случае рождение пузырьков затруднено, поскольку, по словам авторов статьи, «скалярное поле предпочитает симметричную точку в пространстве полей из-за тепловой массы». Поэтому скорость образования пузырьков не должна сильно возрастать даже около небольших черных дыр. Более подробно физики обещают вычислить влияние излучения Хокинга на образование пузырей истинного вакуума в своей следующей работе.
Подробнее узнать, что такое распад ложного вакуума, чем он грозит нашей Вселенной и как с этим связаны черные дыры, можно в нашем материале, подготовленном вместе с физиком-теоретиком Филиппом Бурдой. Тогда мы обсуждали его статью, которая находилась на стадии подготовки к публикации. Кстати, в данной работе американский и японский физики неоднократно ссылались на эту статью.
Кроме того, недавно мы писали о том, как излучение Хокинга позволило «заглянуть» внутрь черной дыры, то есть определить ее внутреннюю топологию.
Дмитрий Трунин
Точность эксперимента в два с половиной раза превзошла предыдущие
Физики подтвердили нулевое значение дипольного момента электрона с точностью в два с половиной раза выше предыдущей. Для этого ученые поместили ионы гафния в сверхсильное электрическое поле и измерили разность энергий их различных квантовых состояний. Исследование позволит лучше ограничить константы физики за пределами Стандартной модели, пишут ученые в Science. Электрический дипольный момент электрона — мера внутренней асимметрии распределения его заряда. Согласно предсказаниям Стандартной модели, его значение хоть и не равно нулю, но чрезвычайно мало: не более 10-38 заряда электрона на сантиметр. Поэтому в пределах доступной сейчас чувствительности эксперимента (10-30 заряда электрона на сантиметр — это выше искомого значения на восемь порядков) дипольный момент считают нулевым. Вклад в теоретическое значение вносит нарушение CP-симметрии (сочетание зарядовой симметрии и симметрии четности), которое возникает из-за слабого взимодействия между частицами. Это нарушение уже является частью Стандартной модели. Однако дополнительные нарушения, значения которых превышают текущие теоретические значения, смогли бы объяснить дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной (подробнее об этом читайте в нашем материале «Вселенная вместо ничто»). Такие нарушения в теории можно ввести лишь при расширении Стандартной модели частицами Новой физики. Кандидатов на роль нарушителей довольно много: например, портал Хиггса, хамелеоновские частицы и B−L бозоны нарушают CP-симметрию при высоких энергиях. Подобные измерения уже проводились, однако в рамках заданной точности эксперимента (10-29) значение оказалось равным нулю, и, следовательно, наличие новых частиц эксперимент не подтвердил. Повысить точность довольно сложно — нужны сверхсильные электрические поля (больше 20 гигавольт на сантиметр). Чтобы проверить, не отличается ли все же дипольный момент электрона от нуля, группа ученых из Колорадского университета под руководством Тани Русси (Tanya S. Roussy) создала в ионной ловушке поле с напряженностью 23 гигавольта на сантиметр и поместила в нее ионы гафния HfF+. Благодаря этому физики повысили точность измерения дипольного момента электрона на порядок. Во внешнем электрическом поле ионы гафния HfF+ выстраиваются вдоль силовых линий, создавая эффективное электрическое поле, которое воздействует на спин электрона. Ученые фиксировали разность энергий между двумя дублетными состояниями иона, которая чувствительна к наличию дипольного момента. У одного состояния внутримолекулярная ось (ось, перпендикулярная плоскости движения пары электронов дублетного состояния) параллельна приложенному полю, у другого — антипараллельна. Значение разности получали измерением частоты перехода из одного квантового состояния в другое с помощью спектроскопии Рэмси, основанной на явлении магнитного резонанса. Cравнив измеренную разность энергий с теоретической (по предсказаниям Стандартной модели), ученые определили значение дипольного момента. Оно оказалось равным нулю с погрешностью менее 4,1 × 10-30 заряда электрона на сантиметр. Благодаря повышению точности исследователям удалось получить новые оценки для расширений Стандартной модели, объясняющих дисбаланс материи и антиматерии. Эффективная масса их бозонов должна быть более 40 терраэлектронвольт. Это на порядок больше максимальной массы частиц, детектируемых Большим адронным коллайдером. А значит, при дальнейшем увеличении точности метода можно обнаружить частицы, невидимые в экспериментах физики высоких энергий. Ученые продолжают искать следы новой физики в экспериментах по определению квантовых характеристик элементарных частиц. Физики уже обнаружили отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона, а недавно улучшили оценку магнитного момента электрона.