Физики рассчитали вероятность распада вакуума Вселенной

Стандартная модель элементарных частиц — краеугольный камень современной физики. Она описывает 17 фундаментальных частиц и три из четырех известных взаимодействий: электромагнитное, слабое и сильное. С момента открытия бозона Хиггса в 2012 году эта теория считается экспериментально завершенной: все предсказанные ей частицы были обнаружены.

Однако за этим триумфом скрывается тревожная деталь. Когда исследователи с помощью ренормализационной группы прослеживают поведение констант связи при высоких энергиях, оказывается, что параметр самодействия бозона Хиггса (λ) становится отрицательным примерно при энергиях 10¹⁰ ГэВ. Это означает, что наш вакуум, скорее всего, не является истинным минимумом потенциала, а лишь «ложным» — метастабильным состоянием, из которого в принципе можно квантово-механически «вытечь» в более глубокую энергетическую яму.

Точность расчетов: от однопетлевых до трехпетлевых

Ренормализационная группа — математический аппарат, позволяющий отслеживать, как меняются константы связи теории при переходе от одного масштаба энергий к другому. Уравнения этой группы содержат бета-функции, которые вычисляются в виде разложения в ряд по петлям квантовой теории поля. Чем больше петель учтено, тем точнее предсказание, но тем сложнее вычисление.

Авторы работы провели систематическое исследование нескольких «конфигураций петель» — вариантов того, на каком уровне точности берутся бета-функции для разных типов констант: калибровочных, юкавских и хиггсовских. Стандартный (диагональный) подход предполагает использование всех бета-функций на одном и том же уровне, например все трехпетлевые. Существуют и «недиагональные» конфигурации, мотивированные условиями Вейля — требованием внутренней согласованности теории при смене масштаба. Эти условия подсказывают, что некоторые бета-функции могут быть «важнее» других, и их следует брать на более высоком уровне точности, даже если остальные остаются на более низком.

Вероятность распада: почти ноль, но не единица

Для каждой конфигурации физики вычислили «начальные условия» — значения констант связи при масштабе электрослабого нарушения симметрии (173,22 ГэВ — вблизи массы топ-кварка) — и проследили их изменение до планковского масштаба. Центральный вопрос заключался в том, при каких энергиях λ становится отрицательным и насколько быстро после этого происходит квантовое туннелирование из нашего «ложного» вакуума в истинный.

Главный результат — количественная оценка вероятности распада электрослабого вакуума за все время существования Вселенной (около 13,8 млрд лет). При самом точном, трехпетлевом диагональном подходе эта вероятность оказалась в диапазоне 10⁻⁶³⁰–10⁻⁴²⁰, то есть практически неотличима от нуля. При этом грубый однопетлевой расчет формально дает вероятность, равную единице, что подчеркивает необходимость учета высших порядков теории.

Параметрическая неопределенность, связанная с точностью измерения масс топ-кварка и бозона Хиггса, а также константы сильного взаимодействия, оказалась практически одинаковой для всех рассмотренных конфигураций. Это означает, что главный источник погрешности в оценке стабильности вакуума — не выбор схемы петель, а точность знания входных параметров.

Как отметил Дмитрий Казаков, заведующий кафедрой фундаментальных и прикладных исследований физики микромира МФТИ, сопоставление теоретических предсказаний с экспериментальными данными в физике частиц достигло высокой точности — от нескольких процентов до нескольких промилле, а в отдельных случаях до десятого знака после запятой. Это требует вычисления нескольких порядков теории возмущений. Исследуемая устойчивость электрослабого вакуума относится к явлениям, где тестируемые новые модели имеют космологические следствия.

Артур Федорук, студент кафедры фундаментальных и прикладных проблем физики микромира МФТИ, добавил: «Вопрос о стабильности вакуума звучит философски, но за ним стоит вполне конкретная математика. Мы не говорим, что вакуум „вот-вот“ распадется — вероятность этого за время жизни Вселенной исчезающе мала. Но само понимание того, что мы находимся в метастабильном состоянии, и того, от каких параметров зависит его устойчивость,— важный шаг к построению физики за пределами Стандартной модели».

Стандартная модель, несмотря на экспериментальную полноту, оставляет открытыми глубокие вопросы: темная материя, асимметрия материи и антиматерии, природа нейтринных масс. Ответить на них сможет только новая физика, а для ее поиска нужно точно знать, как ведут себя константы Стандартной модели на сверхвысоких энергиях. Проведенное исследование — важный шаг в этом направлении.