Слухи о смерти Вселенной сильно преувеличены

Рис. 1. Стабильность хиггсовского потенциала в зависимости от массы бозона Хиггса (по горизонтали) и массы топ-кварка (по вертикали). Красная область — нестабильный потенциал (время до распада порядка или меньше 10 млрд лет), желтая область — метастабильность (время до распада на много порядков превышает нынешний возраст Вселенной), зеленая область — полная стабильность. Числа показывают энергетический масштаб в ГэВ, до которого потенциал остается стабильным. Все расчеты верны только в отсутствие Новой физики. Изображение из статьи arXiv:1205.6497

На днях по российским СМИ прокатилась очередная околонаучная «страшилка». Новость, перепечатанная в сотне изданий, рубила наповал: мол, вычисления американского физика Джозефа Ликкена показывают, что хиггсовский бозон станет ни много ни мало причиной смерти нашей Вселенной. Занятно, что СМИ даже не особо упражнялись в выдумывании заголовков, ведь фраза «Бозон Хиггса станет причиной гибели Вселенной» уже звучит достаточно «прожарено» для большинства СМИ.

Перефразируя знаменитую фразу Марка Твена, можно сказать, что слухи о смерти Вселенной сильно преувеличены. Вот описание реального положения дел (комментарии к самим новостям СМИ для краткости опустим).

1. Сам по себе факт, что в некоторых теориях элементарных частиц бывает несколько разных вакуумов, известен более полувека, еще с тех пор, как физики начали серьезно изучать спонтанное нарушение симметрии в теории поля. Обычный хиггсовский механизм — это, кстати, тоже результат того, что вакуумы бывают разные.

«Вакуум» в квантовой теории поля — это не пустота, а просто энергетически выгодное состояние всех полей. В теориях со сложно взаимодействующими полями таких состояний может быть несколько. Одно из них самое устойчивое, остальные — устойчивы только для не слишком больших воздействий. Такие «не самые устойчивые» вакуумы (ложные вакуумы) нестабильны. При очень сильном воздействии они разрушаются, и Вселенная тогда испытывает фазовый переход из ложного в истинный вакуум. Однако в принципе Вселенная может долго находиться в состоянии с ложным вакуумом, примерно так же, как и переохлажденная вода может долго находиться в жидком состоянии даже ниже номинальной точки замерзания — в таком случае говорят про метастабильный вакуум.

Есть простая повседневная аналогия этой ситуация. Упавшее на пол тело, попрыгав немного, замрет и останется лежать на полу. «Неподвижно лежать на полу» — это состояние с наименьшей энергией для тела, этот как бы «вакуум возмущений» этого тела. В многоэтажном доме этих состояний будет много — тело может устойчиво лежать на полу на любом этаже. Однако при очень сильном внешнем воздействии (например, землетрясении, разрушившем дом), состояние покоя на верхних этажах будет неустойчивым, и тело рухнет вниз вместе с перекрытиями — произойдет переход из «ложного» вакуума в «истинный».

2. То, что в хиггсовском вакууме Стандартной модели в принципе может иметь место такая ситуация, тоже известно давным-давно. Подчеркнем — не «имеет место», а «в принципе может иметь место», в зависимости от того, какова сила взаимодействия хиггсовского поля с самим собой (то есть какова масса бозона Хиггса).

Это совершенно стандартный факт, который упоминается в любом вводном курсе про свойства хиггсовского бозона. Только подается он не в виде «Мы все умрем!», а в виде: «Масса стандартного хиггсовского бозона не может быть меньше примерно 110 ГэВ, иначе бы нынешний вакуум был бы слишком нестабильный и давно бы развалился». Заметьте, это не предсказание о судьбе Вселенной, которое зависит от слишком многих неизвестных сейчас вещей, а просто ограничение на параметры теории.

3. Поскольку сейчас масса бозона Хиггса известна, можно спросить: чему она соответствует? Вот на этот вопрос пока точного ответа дать нельзя — нынешние измерения массы бозона Хиггса и массы топ-кварка пока что недостаточно точны для этого (топ-кварк как раз играет роль дестабилизатора хиггсовского поля). В пределах экспериментальных погрешностей лежат ситуации от «полностью стабильной» до «чуть-чуть нестабильной» (см. рис. 1).

Эти слова — не просто обороты речи, а имеют определенный четкий смысл. «Полностью стабильный» хиггсовский потенциал означает, что он стабилен не только в спокойном состоянии, но даже и при любом воздействии вплоть до планковских энергий (что происходит за планковскими энергиями, современная физика просто не знает). «Чуть-чуть нестабильный» означает, что он остается стабильным вплоть до очень больших энергий порядка 10¹⁰ ГэВ, которые на много порядков превосходят возможности коллайдеров.

Сейчас оценивается, что «водораздел» между полностью стабильным и не вполне стабильным вариантами проходит при массе бозона Хиггса 129 ± 6 ГэВ. Измеренное на сегодня значение в этот интервал попадает. Поэтому какой из этих вариантов правильный, можно будет узнать, лишь уточнив массу бозона Хиггса и топ-кварка.

Вообще говоря, изучению этого вопроса было посвящено несколько подробных статей в последние полтора года, по мере того как в данных LHC начал проступать хиггсовский сигнал (наиболее заметные работы arXiv:1112.3022, arXiv:1205.2893, arXiv:1205.6497, arXiv:1207.0980). Эта тема сейчас изучена вдоль и поперек, так что новые выводы, повторимся, тут можно сделать только после объявления новых данных. Трудно понять, какие новые вычисления мог бы предъявить Дж. Ликкен (его расчеты лишь докладывались на конференции и пока что недоступны даже в виде препринта).

4. Предположим, тем не менее, что будущие измерения покажут, что ситуация является «чуть-чуть нестабильной». Казалось бы, это потенциально опасно — ведь если хоть где-то во Вселенной (например, на супер-ускорителе какой-нибудь сверхцивилизации в иной галактике) случится достаточно сильная энергетическая флуктуация, это может привести к рождению «пузырька истинного вакуума», который, расширяясь, разрушит Вселенную.

Ключевая ошибка СМИ состояла в том, что этот вывод в них описывался как неизбежный. На самом деле ситуация совершенно не такая — эти опасения будут хоть отчасти справедливы, только если окажется, что Стандартная модель работает без каких-либо модификаций вплоть до этих огромных энергией. Но никто сейчас не знает, как реально устроена природа! Неизвестно, существует ли какая-то Новая физика на масштабах от энергий LHC и до 10¹⁰ ГэВ. Если там существует хоть что-то, то все предыдущие выводы относительно возможной нестабильности рушатся.

Рис. 2. Области стабильности и метастабильности для массы бозона Хиггса 126 ГэВ и для разных значений массы топ-кварка (по горизонтали) и константы сильного взаимодействия (по вертикали). Красные числа показывают масштаб энергетической стабильности в ГэВ, черные числа — время до распада Вселенной в годах. Все расчеты верны только в отсутствие Новой физики. Изображение из статьи arXiv:1112.3022

5. Ну и последнее. Предположим, что всё же Стандартная модель действительно верна вплоть до 10¹⁰ ГэВ и никакой Новой физики — ни новых частиц, ни новых взаимодействий, ни суперсимметрии, ни новых измерений, ничего — нет. Тогда в соответствии с расчетами Вселенная действительно сейчас находится в метастабильном состоянии и может распасться. Когда это произойдет?

Ответ уже давно сосчитан: для нынешних значений масс частиц время составляет порядка 10⁵⁰ лет и выше (рис. 2). До десятка миллиардов это время жизни может уменьшиться, только если нынешние измерения массы топ-кварка по какой-то причине дают очень заниженные результаты.

Итак, выводы:

• теоретическая возможность нестабильного хиггсовского вакуума давно известна и изучена вдоль и поперек, никаких принципиально новых вычислений тут быть не может; новости тут могут быть только связаны с более точными измерениями;
• нынешние данные показывают, что хиггсовский потенциал Стандартной модели либо совсем стабилен, либо стабилен вплоть до очень больших энергией порядка 10¹⁰ ГэВ (но всё равно время до распада Вселенной на много порядков превышает ее нынешний возраст);
• всё это имеет отношение к реальности только в предположении, что никакой Новой физики в природе нет, то есть Стандартная модель справедлива вплоть до этих огромных энергий. Если есть хоть какое-то отклонение от Стандартной модели (не только при энергиях LHC, но и при энергиях в миллионы раз больших) — все эти выводы можно выкинуть.
• Как реально устроена природа на таких энергиях, никто не знает. Поэтому никаких однозначных выводов о нестабильности реальной Вселенной сейчас сделать нельзя.