През 2012 г. физиката отбеляза триумф. Експериментите в Големия адронен

През 2012 година физиката означи успех. Експериментите в Големия адронен колайдер потвърдиха съществуването на Хигс бозона – частицата, която изяснява за какво другите обикновени частици имат маса. Стандартният модел, който разказва света в най-малките мащаби, бе приключен. Изглеждаше, че историята е завършила.

Но в науката приключената глава постоянно е единствено увод към нова, по-дълбока мистерия. Механизмът на Хигс работи съвършено, само че за доста физици той е… неестествен. За да се изясни масата, в теорията трябваше да се вкара напълно ново поле, което да прониква в цялото пространство. То не беше изведено от главните правила на симетрията, а беше постулирано, тъй като беше належащо. Но дали природата се нуждае от такива патерици? Ами в случай че масата не е резултат от взаимоотношението с някакво външно поле, а е вътрешно свойство на самата геометрия на пространството?

Изкривяване на пространството – нереална художествена интерпретация

Тази концепция се изследва от група физици теоретици. Тяхната работа предлага различен път: източникът на масата на W и Z бозоните може да не е полето на Хигс, а фундаментална характерност на геометрията, известна като извъртане.

Защо физиците въобще се нуждаят от Хигс бозона?

Нека се върнем към произхода на казуса. Уравненията, описващи електрослабото взаимоотношение – силата, която сплотява електромагнетизма и слабото нуклеарно взаимоотношение – са красиви и симетрични. Те работят съвършено, само че при едно изискване: преносните частици на това взаимоотношение (W и Z бозони) би трябвало да са безмасови, като фотона.

И това е фундаменталният проблем. Уравненията работят, само че действителността е друга. Експериментите демонстрират, че W и Z бозоните са измежду най-тежките частици в зоопарка на Стандартния модел. Симетрията, която наподобява толкоз красива на хартия, се нарушава в действителния свят.

Механизмът на Хигс беше излаз от тази невъзможност. Физиците допуснаха, че Вселената е изпълнена с невидимо поле. По време на охлаждането след Големия гърмеж това поле непринудено се е кондензирало в положение с ненулева сила, нарушавайки първичната симетричност. Частиците, взаимодействащи с това поле, изпитват противодействие, което ние възприемаме като маса. Хигс бозонът е единствено квантово възбуждане, пулсация по повърхността на това поле.

Да, това работи. Но въпросът „ за какво тъкмо това поле? “ остава открит.

Така наподобява едно моделирано събитие в детектора CMS в Големия адронен колайдер (LHC) в ЦЕРН. След конфликта на два протона се ражда Хигс бозонът, който по-късно се разпада на два потока от адрони и два електрона. Линиите демонстрират траекториите на частиците, а синият цвят демонстрира силата, която те освобождават в детектора.

Какво би било, в случай че масата е свойство на самото пространство?

Новата научна работа предлага да погледнем на казуса от различен ъгъл. Ами в случай че асиметрията, нужна за генерирането на маса, е заложена не във външното поле, а в структурата на самото пространство-време?

Централното разбиране тук е геометричното извъртане.

В общоприетата геометрия на Айнщайн, на която се основава Общата доктрина на относителността, пространството е локално безпрепятствено. Ако прокарате вектор, паралелен на себе си, по продължение на затворен цикъл, той ще се върне в началната точка безусловно същият. Този развой не зависи от посоката. Усукването е нарушаване на това предписание. Това е напрежение, вградено в самата тъкан на пространството, което прави геометрията асиметрична.

Авторите на проучването допускат, че нашият четириизмерен свят е част от многоизмерна галактика. По-конкретно те преглеждат 7-измерно пространство със специфична геометрия, известна като G₂-структура. Именно в спомагателните, свити измерения на това пространство съществува ненулева торзия.

Но какво общо има тази нереална геометрия с масата на частиците?

Как математиката развива стабилната геометрия?

За да свържат геометрията и физиката, учените ползват математически инструмент, наименуван поток на Ричи. Това е процедура, която разрешава геометрията на обещано разнообразие да се развива във времето. Потокът на Ричи изглажда неравностите и кривините, насочвайки геометрията към по-стабилно, канонично положение. Това е същият способ, който Григорий Перелман употребява, с цел да потвърди догатката на Поанкаре.

В модела на създателите потокът на Ричи, прибавен към тяхното 7-измерно пространство, не води до цялостна гладкост, а до устойчиво положение, наречено солитон. Ключовият резултат е, че този краен, постоянен солитон има остатъчно, ненулево извъртане.

Процесът на „ изглаждане “ на геометрията: ето по какъв начин работи потокът на Ричи, като за образец се употребява двуизмерна повърхнина.

Геометрията като че ли независимо избира положение с нарушена симетричност. Това е непринудено нарушение на симетрията, само че източникът му не е външно поле, а динамичността на самото пространство.

От геометрията до гигаелектронволта: работи ли това?

Как да го проверим? Чрез директно пресмятане.

Моделът открива връзка сред междинната стойност на това геометрично извъртане в целия размер на спомагателните измервания и една фундаментална константа – междинното вакуумно поле на Хигс, равно на 246 GeV. Това е енергийната канара, на която се случва нарушаването на електрослабата симетричност.

Това, което следва, е чиста аритметика. Използвайки тази стойност, получена от геометрията, създателите пресмятат предсказаните маси за W и Z бозоните.

Резултатите:

Масата на W-бозона: изчислението дава ~79,93 GeV. Експерименталната стойност е ~80,38 GeV. Масата на Z бозона: изчислението дава ~90,8 GeV. Експерименталната стойност е ~91,19 GeV.

Това е доста близко съвпадане. Така че концепцията може да се преглежда като евентуално работещ физичен модел. Геометрията не просто е сходна на механизма на Хигс, само че и възпроизвежда количествено неговите резултати. Нещо повече, моделът предвижда и верния радиус за спомагателни измервания (от порядъка на 10-¹⁶ m) и дава пояснение за следената позитивна космологична константа – повода за ускореното разширение на Вселената.

Какво значи това и къде е уловката?

Ако този метод е верен, той предлага по-дълбоко единение на физиката: масата престава да бъде разследване от взаимоотношението с едно само поле и се трансформира в демонстрация на комплицираната геометрия на самата Вселена. Това е стъпка към сливане на света на частиците (стандартен модел) и света на гравитацията (геометрия).

Но е значимо да се резервира успокоение. Това, което имаме пред себе си, е научен модел. Към момента няма директни пробни доказателства за съществуването нито на G₂-множества, нито на геометрично извъртане. Моделът заменя един принцип (съществуването на полето на Хигс) с различен (съществуването на характерна многомерна геометрия).

Освен това тази доктрина предвижда съществуването на нова парченце, обвързвана с торсионното поле, „ торстоун “ (Torstone), с маса към 110 GeV. Търсенето ѝ в колайдерите би могло да бъде директна инспекция на тази догадка.

Стандартният модел с Хигс бозона е потвърдена, одобрена доктрина. Моделът на геометричния торсион е хубав от математическа позиция, само че към този момент е единствено още една спекулативна опция. Необходими ли са такива научни работи? Може би те придвижват науката напред. А кой е прав – времето ще покаже.