В апреле 2015 года физики-теоретики выложили на ресурс arXiv.org работу, предлагающую новый механизм возникновения большого разрыва между энергиями наблюдаемых элементарных частиц и характерными масштабами квантовой гравитации. Исследование ученых также объясняет современное значение массы бозона Хиггса. В ноябре 2015 года статью Питера Грэма из Стэнфордского университета, Дэвида Каплана из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе и Сурджета Раджендрана из Калифорнийского университета в Беркли опубликовал журнал Physical Review Letters.
Проблема иерархии масс связана с большим разрывом между экспериментально наблюдаемыми массами элементарных частиц и масштабами энергий ранней Вселенной. В частности, масса самой тяжелой частицы Стандартной модели (современной парадигмы физики частиц), топ кварка — примерно 173,1 гигаэлектронвольта, тогда как планковская масса (верхний предел для масс частиц и характерный масштаб для квантовой гравитации и теории струн) — 2,43x1018 гигаэлектронвольт.
В ходе своих кратковременных встреч в течение 2014 года физики выработали модель, в которой, наряду с полем Хиггса из Стандартной модели, присутствует аксионное поле. Впервые это поле упоминается в 1977 году в работах Роберто Печчеи и Хелен Квинн в качестве попытки решения сильной CP-проблемы. Эта проблема заключается в том, что в экспериментах по квантовой хромодинамике не наблюдаются нарушения инвариантности ее уравнений при одновременных зеркальном отражении и замене частиц на античастицы. Теоретически в квантовой хромодинамике такое нарушение возможно, а экспериментально оно наблюдается в электрослабом секторе Стандартной модели.
Печчеи и Квинн ввели в квантовую хромодинамику тета-параметр, с которым связано аксионное поле и одноименная частица. Американские физики попытались соединить теории Хиггса и Печчеи-Квинн, используя идею Ларри Эбботта. Этот ученый в 1984 году хотел получить массу бозона Хиггса в качестве постепенно принимающего современное значение в ходе эволюции Вселенной параметра. И вот теперь американцам удалось предложить механизм, частично объясняющий наблюдаемое различие между массами частиц и масштабом квантовой гравитации.
Масса бозона Хиггса в их модели зависит от аксионного поля, частицы которого авторы работы назвали релаксионами. Согласно модели, масса бозона Хиггса сразу после Большого взрыва была велика и приняла современное значение, когда Вселенная эволюционировала в мир с наблюдаемыми сегодня параметрами. Эволюция нового поля останавливается, когда массы электрослабых бозонов принимают современные значения, после чего аксионное поле начинает осциллировать.
Поведение аксионоподобного поля
Изображение: APS / Alan Stonebraker and P. W. Graham
Предложенная модель совместима с инфляционной теорией, утверждающей, что Вселенная после Большого взрыва находилась в стадии экспоненциального расширения. Американцы попытались объяснить не всю наблюдаемую иерархию масс, а только электрослабую. Их теория сокращает разрыв до энергий порядка 108 гигаэлектронвольт. В целом новая работа предлагает возможный вариант решения сразу трех проблем: темной материи (ученые полагают, что именно аксион может быть одной из образующих ее частиц), почему у бозона Хиггса наблюдается такая масса (примерно 125 гигаэлектронвольт) и из-за чего столь сильно отличаются масштабы энергии в физике частиц.
Масштабы масс (в мегаэлектронвольтах)
Изображение: Nelson Hsu / Quanta Magazine
В настоящее время существуют три варианта объяснения такого разрыва. Первый связан с существованием других (еще не открытых экспериментально) частиц. На их роль претендуют, в частности, суперсимметричные частицы и темная материя. Второй не предполагает новых частиц и сводится к так называемому антропному принципу: Вселенная такая, какая есть (с заданным набором описывающих ее природу параметров), поскольку иначе не существовало бы человека, задающего подобные (в частности, об иерархии масс) вопросы. Третий вариант предполагает существование мультивселенной.
На теорию Грэма-Каплана-Раджендрана уже обратили внимание известные физики. Положительно отозвался Майкл Дайн из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, который вместе с Яном Аффлеком в 1985 году разработал возможный механизм генерации барионной асимметрии. Как отметили Раман Сундрум (он вместе с Лизой Рэндалл в 1999 году опубликовал решение для системы двух бран, взаимодействующих в пространстве высокой размерности с гравитацией) и Савас Димопулос (вместе с Говардом Джоржди в 1981 году предложивший Минимальную суперсимметричную СМ), теория Грэма-Каплана-Раджендрана не выходит за пределы известных в СМ методов.
Однако нашлись и критики. Так, Нима Аркани-Хамед (получивший за исследования дополнительных измерений и суперсимметричных расширений СМ в 2012 году Премию по фундаментальной физике Юрия Мильнера) указал на то, что в модели Грэма-Каплана-Раджендрана инфляция Вселенной увеличивает ее время эволюции до современного значения на десять миллиардов лет, а Любош Мотль, по личным причинам оставивший Гарвардский университет, раскритиковал авторов за их пренебрежение идеей Поля Дирака о больших числах, возникающих при описании природы элементарных частиц и Вселенной.