Механизм Хиггса поможет объяснить существование темной материи

Физики-теоретики из Испании и Швейцарии показали, что форма потенциала Хиггса может быть ответственна не только за распад ложного вакуума  (который может привести к исчезновению привычной для нас Вселенной), но и за образование темной материи на ранних этапах жизни Вселенной. Если бы темной материи не было, звезды не смогли бы собраться в галактики, и Вселенная имела бы совершенно другую структуру. Интересно, что предложенный учеными способ возникновения темной материи не требует физики вне Стандартной модели. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Частицы Стандартной модели приобретают массу благодаря механизму Хиггса — спонтанному нарушению электрослабой симметрии, которое происходит из-за особенной формы потенциала Хиггса. Грубо говоря, в квантовой теории поля частицы представляют собой колебания полей (например, фотоны — это колебания электромагнитного поля), энергию которых нужно отсчитывать от определенного минимума. Такое минимальное энергетическое состояние называют вакуумом. Для большинства полей Стандартной модели вакуум отвечает нулевому полю, то есть отсутствию частиц (потенциал вида «ямка»). Однако минимум потенциала Хиггса лежит не в нуле, а в области энергий порядка ста гигаэлектронвольт — в результате все пространство оказывается пронизано полем Хиггса, которое имеет почти постоянную напряженность и затрудняет ускорение обычных частиц, придавая им массу (потенциал вида «мексиканская шляпа»). Бозон Хиггса, который отвечает колебаниям поля Хиггса около минимального состояния, тоже оказывается массивным, поскольку поле взаимодействует само с собой.

Тем не менее, в действительности все оказывается немного сложнее — несмотря на то, что потенциал Хиггса имеет минимум при энергиях около ста гигаэлектронвольт, этот минимум не глобальный. При больших энергиях потенциал снова загибается вниз, и в нем образуется еще одна ямка, глубина которой больше, чем глубина ямки, в которой мы живем. Из-за этого наш вакуум «ложный» — рано или поздно поле Хиггса свалится в по-настоящему минимальное состояние, и его колебания нужно будет отсчитывать от истинного вакуума. Поскольку поле не может изменить свое состояние одновременно во всем пространстве, физически такой переход будет выглядеть как образование и последующее расширение пузырей истинного вакуума в ложном. Этот процесс называют распадом ложного вакуума. Очевидно, что в ходе распада ложного вакуума выделится огромная энергия, которая возьмется из разницы высот между ямками, — другими словами, привычная для нас Вселенная перестанет существовать. К счастью, из-за большой высоты барьера, разделяющего ямки, вероятность этого процесса очень мала, и характерное время жизни ложного вакуума превышает текущий возраст Вселенной. Говорят, что ложный вакуум метастабилен.

Однако во время инфляции — периода, когда размеры Вселенной увеличились в огромное число раз за считанные доли секунды, это могло быть не так. Если эффективная масса поля Хиггса (грубо говоря, масса бозона Хиггса) окажется сравнима со скоростью ее расширения, которая задается параметром Хаббла, то квантовые флуктуации будут выдергивать поле из метастабильного состояния. Мы сравниваем массу и скорость расширения, предполагая, что работаем в системе единиц ℏ = c = 1. В результате будут возникать пузыри истинного вакуума, которые станут расширяться со скоростью света и вскоре заполнят весь объем Вселенной. С другой стороны, мы до сих пор продолжаем жить в ложном вакууме, даже спустя 13 миллиардов лет после инфляции.

В новой статье физики-теоретики Хосе Эспиноса (José Espinosa), Давиде Ракко (Davide Racco), и Антонио Риотто (Antonio Riotto) показали, что поле Хиггса может «откатиться» обратно в метастабильное состояние в результате последовавшего после инфляции разогревания Вселенной (reheating). При этом временное образование пузырей истинного вакуума не будет сказываться на спектре реликтового излучения, поскольку они будут иметь заметный размер только на поздних этапах инфляции — это объясняет, почему астрономы не заметили этот процесс. Более того, предложенный учеными механизм позволяет объяснить возникновение темной материи, которая занимает около четверти массы Вселенной.

Для начала ученые показали, что быстрое расширение действительно может «выдернуть» поле Хиггса из ложного вакуума. В самом деле, если скорость расширения будет превышать H ≈ 10¹² гигаэлектронвольт, классическое смещение поля Хиггса оказывается больше величины квантовых флуктуаций, и пространство заполняется пузырьками истинного вакуума. Одновременно в нем возникают колебания поля относительно нового вакуума, которые разрастаются со временем. Правда, значительного размера эти структуры достигают только к концу инфляции, когда они уже успели покинуть радиус Хаббла, а значит, увидеть их мы не сможем.

Когда инфляция заканчивается, вакуумная энергия инфлатонного поля переходит в тепловые релятивистские степени свободы — Вселенная заполняется частицами Стандартной модели, а ее температура существенно увеличивается. Из-за этого потенциал Хиггса получает температурные поправки, которыми нельзя пренебречь. Более того, если температура оказывается больше эффективной массы поля, оно «откатывается» обратно в метастабильное состояние. Поскольку теперь Вселенная расширяется гораздо медленнее, полю приходится преодолевать барьер «по-честному», и вероятность его перехода в истинный вакуум уменьшается на много порядков.

Наконец, после окончания инфляции, когда радиус Хаббла достаточно сильно увеличится, возникшие в ее ходе флуктуация поля приведут к образованию первичных черных дыр. По оценкам ученых, масса таких дыр будет составлять всего 10⁻¹⁵ масс Солнца, но их будет так много, что суммарный вклад в массу Вселенной будет сравним с текущим вкладом темной материи. В дальнейшем черные дыры будут сливаться друг с другом, и их масса будет увеличиваться, приближаясь к текущим экспериментальным оценкам. 

Таким образом, поле Хиггса может быть ответственно не только за массу всех элементарных частиц, но и за образование темной материи на ранних этапах жизни Вселенной. Но если бы не было темной материи, крупномасштабная структура Вселенной была бы совершенно другой — галактики попросту не смогли бы образоваться, поскольку притяжения обычной материи для этого недостаточно. Получается, что поле Хиггса отвечает за существование Вселенной в привычном для нас виде — и за дальнейшее ее уничтожение в ходе распада ложного вакуума. Примечательно, что такое объяснение не выходит за пределы Стандартной модели.

Это утверждение имеет и более философский смысл. С одной стороны, форма потенциала Хиггса такова, что рано или поздно ложный вакуум перейдет в истинный, и привычный для нас мир будет уничтожен. С другой стороны, если бы форма этого потенциала была другой, темная материя не могла бы возникнуть, и привычного мира попросту не было бы. Правда, стоит заметить, что работа ученых не обязательно имеет отношение к реальному миру. Более того, для корректной работы предложенного ими механизма параметры теории должны иметь вполне конкретные значения, то есть теория требует «тонкой настройки». Конечно, все детали можно списать на антропный принцип, но это не очень красивое решение.

В ноябре прошлого года японские физики-теоретики показали, что излучение Хокинга, исходящее от черных дыр, может существенно уменьшить вероятность распада ложного вакуума. С одной стороны, чем меньше черная дыра, тем сильнее она искривляет пространство и тем легче вокруг нее образуется пузырек истинного вакуума; с другой стороны, излучение Хокинга вокруг маленьких дыр имеет гораздо более высокую температуру, которую необходимо учитывать при образовании пузырька.

Дмитрий Трунин