10. Проблемы физики высоких энергий XXI века

10.1 Проблемы Стандартной Модели

    Фундаментальная физическая теория, Стандартная Модель электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий элементарных частиц (кварков и лептонов) является общепризнанным достижением физики XX века. Она объясняет все известные экспериментальные факты в физике микромира. Однако существует целый ряд вопросов, на которые в Стандартной Модели нет ответа. Нерешенные задачи в физике элементарных частиц сводятся к следующим:

1. Поиск экзотических частиц, имеющих структуру, отличную от принятой в Стандартной Модели.
2. Нейтринные осцилляции ν_μ ↔ ν_τ и связанная с этим проблема массы нейтрино (m_ν ≠ 0).
3. Распад протона, τ_p^экс > 10³³ лет.
4. Поиск структуры фундаментальных частиц (преоны при d < 10^-16 см).
5. Поиск Хиггс-бозона.
6. Нарушение СР-инвариантности при распаде нейтральных K-мезонов и электрический дипольный момент нейтрона.
7. Создание дсконфайнмированной адронной материи (кварк-глюонной плазмы).
8. Поиск суперсимметричных частиц.
9. Природа темной материи.
10. Природа ВАКУУМА − его состав.

10.2. Физический вакуум

    Согласно современным представлениям физический вакуум − не пустота с неизменными свойствами, а сложная иерархическая система в пространстве-времени, способная к динамической эволюции. По существующим оценкам на долю вакуума приходится ~ 60% энергии Вселенной. Структура вакуума представляется очень сложной, состоящей из нулевых колебаний (флюктуации квантованных силовых полей). Флюктуации непрерывно рождаются и гибнут, но в каждой области пространства и в каждый момент времени среднее число их остается неизменным. Эти состояния физического вакуума называют вакуумными конденсатами. Свойства материи определяются свойствами вакуумных конденсатов. Поэтому изучение физики вакуума представляется приоритетной задачей физики XXI века.
    Конкретные свойства элементарных частиц и их взаимодействий определяются состоянием различных вакуумных конденсатов. Предметом исследований физики XXI века является изучение поведения таких вакуумных конденсатов. На основании сведений, накопленных в Стандартной Модели, можно утверждать, что существует несколько хорошо сформированных вакуумных конденсатов, соответствующих типам взаимодействий: фотонный конденсат, обеспечивающий взаимодействие заряженных частиц: глюонный конденсат, ответственный за сильные взаимодействия; "слабый" конденсат, коллективными возбуждениями которого являются кванты силовых полей − переносчики слабых взаимодействий, W^±- и Z⁰-бозоны.
    Массы W^±- и Z⁰-бозонов определяются характерными пространственно-временными и энергетическими масштабами вакуумных структур, соответствующих слабому взаимодействию. Это состояние вакуума называется хиггсовским конденсатом, не обнаруженным пока в эксперименте. Теория предсказывает, что могут существовать коллективные возбуждения хиггсовского конденсата квантово-волнового характера. Кванты этих волновых возбуждений называют хиггсовскими бозонами. После обнаружения и исследования свойств хиггсовских бозонов можно будет получить уникальную информацию о свойствах хиггсовского конденсата.
    Все частицы материи (u- и d-кварки и электроны, из которых состоит наш мир) приобретают свои массы за счет взаимодействия с вакуумными конденсатами. Таким образом, природу массы материи можно разгадать только на основе представлений о структуре вакуума. Кроме хиггсовского конденсата, формирующего свойства вакуума, существует еще одна система, подтвержденная на опыте − кварк-глюонный конденсат − система сильно взаимодействующих кварковых и глюонных флюктуации. Теоретическое описание явлений, связанных с кварк-глюонным конденсатом, содержится в квантовой хромодинамике (КХД), построенной по аналогии с квантовой электродинамикой (КЭД), описывающей поведение фотонного конденсата.
    Физический вакуум это особое состояние вещества. Его существование доказано исследованиями взаимодействий заряженных элементарных частиц. Вакуум проявляет себя во время подобных взаимодействий, но сам по себе в обычных условиях никак себя не обнаруживает. Можно допустить, что вечно существующий и флюктуирующий вакуум есть первооснова Мира. Рождение в вакууме такого объекта как Вселенная сопровождается гигантской перестройкой этой необычной формы вещества. Таким образом, к процессу происхождения Вселенной можно подойти на основе анализа флюктуации физического вакуума.

    Подробности можно прочитать в книге "Вакуум, элементарные частицы и Вселенная" Н.Н.Латыпова, В.А.Бейлина, Г.М.Верешкова, -М.: Изд-во Моск. ун-та, 2001.

10.3. Особенность существования нашей Вселенной

    Вселенную можно представить как однородную расширяющуюся сферу, наполненную веществом и излучением. В настоящее время радиус этой сферы ≈ 10²⁸ см. Возникает вопрос: что находится за пределами сферы радиусом 10²⁸ см? Какие есть возможности существования других Вселенных?
    Отвлекаясь от рассмотрения свойств огромного количества элементарных частиц, остановимся на свойствах частиц, непосредственно участвующих в построении нашей Вселенной и на их основных характеристиках. Таковыми частицами являются электрон, протон, нейтрон и нейтрино.
    Масса электрона m_е = 0.51 Мэв, масса протона m_р = 938.2 МэВ, масса нейтрона m_n = 939.5 МэВ, постоянная тонкой структуры α = 1/137 характеризует взаимодействия заряженных частиц. Что произойдет, если немного изменить перечисленные фундаментальные постоянные?
    Основной химический элемент во Вселенной − водород, который является абсолютно стабильным из-за закона сохранения массы. При низких температурах окружающей среды реакция р⁺ + е^- → n + ν невозможна т.к. масса m_р + m_е < m_n. Однако если увеличить массу электрона в три раза, то m_р + m_е > m_n и пойдет реакция р + е → n + ν. т.е. атом водорода превратится в нейтрон и нейтрино, а Вселенная из водородной превратится в нейтронную. Существование водородной Вселенной определяется малой разностью масс Δm = m_n − m_p, из-за которой дейтон − стабильная частица. Это приводит к дальнейшему синтезу элементов. Огромное значение для существования нашей Вселенной имеет время жизни протона τ_p > 10³³ лет. Однако если изменить значение константы взаимодействия α до величины α = 1/80, то τ_p будет меньше времени существования Вселенной и все протоны превратятся в фотоны и нейтрино и возникнет фотонная Вселенная.
    Итак, наша Вселенная уникальна. Небольшое изменение констант привело бы к деградации Вселенной. Ее существование обуславливается малыми значениями массы электрона m_е и Δm, которые необходимы для образования сколь-нибудь сложных форм вещества.
    К сожалению нет моделей процессов рождения Вселенной и соответствующих экспериментальных исследований, которые подтвердили бы правильность изложенных гипотез.

    Более детально эти вопросы рассмотрены в книге И.Л.Розенталя "Теория элементарных частиц и принцип целесообразности".

Литература

1. Л.В.Окунь. Введение в физику элементарных частиц. -М.: Наука, 1988.
2. В.С. Мурзин, Л.И.Сарычева. Физика адронных процессов. -М.: Энсргоатомиздат, 1986.
3. В.С. Мурзин, Л.И.Сарычева. Взаимодействия адронов высоких энергий. -М.: Наука, 1983.
4. Т.П. Аминева, Л.И. Сарычева. Фундаментальные взаимодействия и космические лучи. -М.: Эдиториал УРСС, 1999.
5. Л.И. Сарычева. Лекции, весна 2007.
6. И.П. Лохтин, Л.И.Сарычева, А.М.Снигирев. Сб. ЭЧАЯ, т. 30, вып. 3, с. 660-719, 1999. − Диагностика сверхплотной материи в ультрарелятивистских столкновениях ядер.
7. И.В. Ракобольская, В.В. Копенкин, А.К. Манагадзе. Особенности взаимодействий адронов космических лучей сверхвысоких энергий. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 2000.
8. Г. Фрауэнфельдер, Э. Хенли. Субатомная физика. -М.: Наука, 1979.
9. А.М. Снигирев. Введение в КХД. Препринт НИИЯФ МГУ 2004-11/750.
10. К. Хуанг. Кварки, лептоны и калибровочные поля. -М.: Мир, 1985.