Актуальные задачи физики частиц и космологии

Бозон Хиггса

В настоящее время ведется экспериментальный поиск бозона Хиггса - единственной до сих пор не открытой частицы Стандартной модели элементарных частиц. Многочисленные измерения дают косвенные указания на наиболее вероятное значение его массы (минимум красной полосы, данные июля 2011). Прямые поиски исключают массу в закрашенной серым области (по состоянию на декабрь 2011: светлая полоса M<114 ГэВ - ограничения ускорителя LEP, светлые полосы [114...115.5] ГэВ и [127...600] ГэВ - LHC, темные полосы [100...109] ГэВ и [155...176] ГэВ - Tevatron). Наиболее вероятное значение уже исключено экспериментально!

Отсутствие лёгкого бозона Хиггса - повод задуматься о механизме электрослабого нарушения, а значит, и о Стандартной модели в целом!

Осцилляции нейтрино и антинейтрино

Надежно установленный факт превращений нейтрино одного типа в нейтрино другого типа сам по себе не описывается Стандартной моделью физики частиц и является экспериментальным доказательством необходимости ее расширения - пока неизвестно, какого именно. В последнее время появился целый ряд указаний на то, что превращения, возможно, происходят по-разному для нейтрино и антинейтрино. На рисунке изображено пространство параметров осцилляций мюонных и электронных нейтрино. Закрашенная область соответствует исключенной для осцилляций нейтрино по данным экспериментов MiniBooNE и KARMEN, а контуры ограничивают область, соответствующую сигналу в осцилляциях антинейтрино (сплошные - MiniBooNE 2011, пунктирные - LSND 2001).

Описание разницы в осцилляциях нейтрино и антинейтрино, если таковая подтвердится, потребует существенного изменения представлений о физике частиц.

		Сильные взаимодействия В настоящее время основным методом квантовой теории поля является теория возмущений по малой константе связи. Метод теории возмущений, однако, неприменим для описания теории сильных взаимодействий - квантовой хромодинамики (сильные взаимодействия = большая константа связи!). Это не означает, что квантовая хромодинамика - неправильная теория. Это означает, что её нельзя применить и проверить в области низких энергий. Описание квантовой хромодинамики в режиме сильной связи составляет одну из основных нерешенных проблем квантовой теории поля.
		Тёмная материя во Вселенной Данные астрофизических наблюдений указывают, что видимое вещество составляет ~1/5 от всей материи во Вселенной. Пунктирные кривые показывают распределение горячей плазмы (90% видимого вещества) сталкивающихся скоплений галактик 1Е0657-558 (рентгеновский телескоп Chandra; максимумы - ромбы). Сплошные контуры - гравитационный потенциал (восстановленный по гравитационному линзированию галактик, лежащих за скоплениями; максимумы - квадраты). Гравитационный потенциал галактик и скоплений создается в основном тёмной материей - невидимым веществом неизвестной природы.
		Иерархия масс частиц трёх поколений В природе имеются три поколения элементарных частиц (кварков и лептонов). Соответствующие частицы из разных поколений взаимодействуют одинаково, но массы их отличаются на порядки. Красивое объяснение даёт модель многомерного мира, в которой одно поколение частиц в 5-и пространственных измерениях эффективно описывает три поколения в 3-х измерениях, а иерархия масс является следствием линейной независимости собственных функций оператора Дирака. Объяснение иерархии масс трёх поколений кварков и лептонов требует выхода за рамки Стандартной модели, например, построения моделей многомерного мира.
		Ускоренное расширение Вселенной (тёмная энергия) (Нобелевская премия по физике 2011 года) Диаграмма Хаббла - зависимость расстояния от красного смещения z спектральных линий далёких галактик, - построенная по наблюдениям сверхновых типа Ia. Серые линии - данные по отдельным сверхновым с экспериментальными ошибками (2010 г.). Равномерное расширение Вселенной соответствует нижней линии (пунктирной), ускоренное - верхней (сплошной). Вывод об ускоренном расширении Вселенной можно сделать и из многих других результатов. Ускоренное расширение можно объяснить тем, что ~70% энергии Вселенной составляет неизвестная, равномерно распределенная (не образующая галактики и скопления) компонента - тёмная энергия.
		Очень ранняя Вселенная Во Вселенной ещё до стадий генерации тёмной материи и асимметрии между веществом и антивеществом почти наверняка была эпоха, ответственная за то, что наша Вселенная имеет такой большой размер и такую малую кривизну. Наиболее популярная гипотеза об этой эпохе - гипотеза инфляции. Предсказания инфляционной теории для углового спектра анизотропии реликтового излучения (сплошная линия) и экспериментальные данные. Инфляционная теория пока согласуется с данными космологических наблюдений. Тем не менее, большой интерес представляет построение альтернативных теорий.
		Нейтральные частицы сверхвысоких энергий Направления прихода некоторой части космических частиц c энергией >10¹⁸ эВ, зарегистрированных экспериментом HiRes stereo, совпадают с точностью <1° с положениями лацертид - активных галактик, удаленных от Земли на >100 Мпк. Вероятность случайного совпадения ~10^-4. Отклонение заряженной частицы такой энергии в магнитном поле Галактики - не менее 10°. Возможно, нейтральные частицы с энергией >10¹⁸ эВ приходят на Землю с расстояний >100 Мпк. Длина свободного пробега во Вселенной фотонов и нейтронов такой энергии в 10 раз меньше, а нейтрино не было бы зарегистрировано экспериментом. Требуется новая физика.

С.В. Троицкий