Физики оценили устойчивость вакуума Вселенной с рекордной точностью

Ученые из МФТИ и Объединенного института ядерных исследований провели комплексный анализ поведения констант связи Стандартной модели при сверхвысоких энергиях. Используя методы ренормализационной группы, они рассчитали вероятность того, что вакуум — физическое состояние, в котором существует вся наблюдаемая Вселенная, — со временем может перейти в более глубокий энергетический минимум. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review D.

Стандартная модель остается фундаментом современной физики элементарных частиц. Она описывает 17 фундаментальных частиц и три из четырех известных фундаментальных взаимодействий: электромагнитное, слабое и сильное. После открытия бозона Хиггса в 2012 году теория получила полное экспериментальное подтверждение. Однако расчеты показывают любопытную особенность: если проследить эволюцию параметров Стандартной модели к очень высоким энергиям, самодействие поля Хиггса — параметр λ, определяющий форму хиггсовского потенциала, — становится отрицательным примерно при энергии 10¹⁰ ГэВ. Это означает, что современное состояние вакуума, вероятно, не является абсолютно устойчивым, а представляет собой метастабильное состояние, которое в принципе может квантово-механически перейти в более глубокий минимум энергии.

Для изучения такого поведения физики используют аппарат ренормализационной группы — математический метод, позволяющий проследить, как изменяются параметры теории при переходе между различными энергетическими масштабами. Основой этого подхода служат ренормгрупповые уравнения, в которых изменение констант определяется так называемыми бета-функциями. Их вычисляют в виде последовательного ряда поправок квантовой теории поля: чем больше порядков теории возмущений учитывается, тем выше точность расчета, но тем сложнее сами вычисления.

Авторы выполнили систематическое сравнение нескольких вариантов расчета, различающихся уровнем точности определения бета-функций для калибровочных, юкавских и хиггсовских взаимодействий. В наиболее распространенном, так называемом диагональном подходе все бета-функции вычисляются на одном уровне, например с учетом трехпетлевых поправок. Однако существуют и недиагональные схемы, основанные на условиях Вейля, согласно которым разные типы взаимодействий могут требовать различной степени точности. Такие конфигурации потенциально позволяют получить более внутренне согласованное описание поведения теории на разных масштабах энергий.

Для каждой схемы исследователи вычислили начальные значения констант связи при энергии электрослабого нарушения симметрии — около 173,22 ГэВ, соответствующей массе топ-кварка, — а затем проследили их эволюцию вплоть до планковского масштаба. Главной задачей было определить, при каких энергиях параметр λ становится отрицательным и как это влияет на вероятность квантового туннелирования из метастабильного вакуума в более глубокое энергетическое состояние.

Дмитрий Казаков, заведующий кафедрой фундаментальных и прикладных исследований физики микромира МФТИ, пояснил значение работы: «В физике элементарных частиц сопоставление теоретических предсказаний с экспериментальными данными достигло исключительно высокой точности — от нескольких процентов до отдельных случаев, где совпадение достигает десятичных знаков после запятой. Поэтому современные расчеты требуют учета нескольких порядков теории возмущений. Такие вычисления позволяют не только проверять Стандартную модель, но и исследовать возможные расширения теории. Особенно важным сегодня становится пересечение физики элементарных частиц и космологии, где возникают новые вопросы, связанные, например, с природой темной материи. Исследование устойчивости электрослабого вакуума относится именно к таким задачам, поскольку любые новые модели могут иметь далеко идущие космологические последствия».

Главным результатом исследования стала наиболее точная на сегодняшний день оценка вероятности распада электрослабого вакуума за все время существования Вселенной — около 13,8 миллиарда лет. Авторы показали, что при использовании полного трехпетлевого диагонального расчета вероятность такого события лежит в диапазоне от 10⁻⁶³⁰ до 10⁻⁴²⁰. Иными словами, с практической точки зрения она практически равна нулю. При этом более грубые однопетлевые приближения могут приводить к совершенно иному выводу, вплоть до формальной вероятности, близкой к единице, что наглядно демонстрирует важность учета высоких порядков квантовых поправок.

Исследователи также проанализировали влияние неопределенностей экспериментальных данных. Оказалось, что различия между рассмотренными схемами расчета оказывают значительно меньшее влияние на итоговый результат, чем точность определения фундаментальных параметров — массы топ-кварка, массы бозона Хиггса и константы сильного взаимодействия. Таким образом, дальнейшее повышение надежности подобных прогнозов зависит прежде всего от совершенствования экспериментальных измерений, а не от выбора конкретной схемы вычислений.

Артур Федорук, студент кафедры фундаментальных и прикладных проблем физики микромира ЛФИ МФТИ, отметил: «Вопрос об устойчивости вакуума звучит почти философски, но за ним стоит очень конкретная математика. Мы вовсе не утверждаем, что вакуум может распасться в обозримом будущем — вероятность этого за время жизни Вселенной исчезающе мала. Однако понимание того, что современное состояние вакуума является метастабильным и зависит от поведения параметра λ на сверхвысоких энергиях, важно для поиска новой физики. Любая теория, выходящая за рамки Стандартной модели и изменяющая эволюцию этого параметра, потенциально влияет на фундаментальные свойства нашей Вселенной».

Несмотря на впечатляющую экспериментальную успешность, Стандартная модель по-прежнему не объясняет природу темной материи, происхождение масс нейтрино и наблюдаемое преобладание материи над антиматерией. Поиск ответов на эти вопросы невозможен без точного понимания того, как ведут себя фундаментальные константы на предельно высоких энергиях. Полученные результаты создают надежную основу для проверки будущих теорий, которые должны расширить современную картину фундаментальных взаимодействий.

Источник: Физики выяснили, насколько нестабилен вакуум Вселенной — За науку