Поймут песни черных дыр и суперсимметрию
Искусственные черные дыры не только можно создавать, но и слышать.
И для понимания того, что в сущем было, есть и будет, вовсе не обязательна суперсимметрия.
О по-своему удивительных открытиях заморских ученых повествуют в своих пересказах все знающие «Наука и жизнь» и «Лента.ру».
Например, из пересказа «Ленты.ру» опубликованного на сайте arXiv.org научного изыскания американских и южнокорейских физиков о принципиально новом сценарии эволюции Вселенной следует, что данные исследователи уже сейчас способны не только высчитать, что было в практически непредставимое время - «спустя примерно десять в минус тридцать второй — десять в минус двенадцатой секунд» после так называемого Большого взрыва, но и открыли в том самом непредставимом времени - «спустя примерно десять в минус тридцать второй — десять в минус двенадцатой секунд» после так называемого Большого взрыва - существование элементарной частицы, получившей название «рехитон» (в другой интерпретации - «рехеатон»), «распад которой привел» - ни больше не меньше – «к формированию наблюдаемой сегодня физики».
Пока, правда, и само существование в те немыслимо давние времена «рехитона» и сам предложенный ими принципиально новый сценарий эволюции Вселенной – сугубо гипотетические: стопроцентно и неопровержимо доказать соответствие их теоретических выкладок реальности покуда, ясное дело, не позволяют ни уровень современной техники, ни накопленная до сего дня человечеством научная база.
По их сценарию, как гласит пересказ, на знаменитом «Большом адронном коллайдере (БАКе) в ЦЕРНе» никакие новые элементарные частицы уже не будут обнаружены, но он «позволяет решить проблему иерархии масс».
Пересказ «Науки и жизни» опубликованных в Nature и на том же сайте arXiv.org открытий спеца из Израильского технологического института Джеффа Штейнхауера также «вертится» вокруг элементарных частиц – бозонов, и «летит» к тому самому «горизонту событий», но – так называемых черных дыр. Полученные Штейнхауером результаты добыты им, как повествуется, на «этаком симуляторе чёрной дыры».
««Земная» версия чёрной дыры представляет собой установку для создания конденсата Бозе-Эйнштейна. В таком агрегатном состоянии могут находиться только бозоны – частицы со спином равным 1, например, фотоны или протоны, а также некоторые атомы.
Бозонам «можно» находится в одном и том же квантовом состоянии, то есть они не подчиняются запрету Ферми. Бозоны конденсируются при температуре, очень близкой к абсолютному нулю (-273.15°C), и квантовые эффекты тут проявляются на макроскопическом уровне. В эксперимент Штейнхауера атомы рубидия собраны в ловушку и охлаждены примерно до 170 нК. Атомы в конденсате почти неподвижны, поэтому скорость звука в такой среде составляет всего 0.5 мм/с.Почему мы заговорили о скорости звука? Фононы – частицы, соответствующие звуковым колебаниям (как фотоны соответствуют свету), играют роль флуктуаций в вакууме около горизонта событий чёрной дыры. Акустический эквивалент горизонта событий создан с помощью лазера: он заставляет атомы в ловушке колебаться быстрее, чем скорость звука.
Фононы из той части конденсата, где атомы колеблются со сверхзвуковой скоростью, не могут перейти в «спокойную» часть, потому что не могут обогнать колебания, вызванные лазером в конденсате. В качестве аналогии можно представить себе реку с подвижной заслонкой, которая гонит воду в одном направлении. Волны, идущие по воде в обратном направлении, не могут «перегнать» общую массу воды. Впрочем, у фононов есть важное отличие: они подчиняются законам квантового мира и могут туннелировать из-за «горизонта событий», тем самым имитируя излучение Хокинга в настоящей чёрной дыре. Получается, что искусственную чёрную дыру можно услышать!
Выяснилось, что созданное таким образом излучение Хокинга подчиняется термодинамическому распределению с температурой около 1 нК. Более того, оказалось, что в высокоэнергетической части спектра фононы по «разные стороны» чёрной дыры запутаны.
Это противоречит современному пониманию горизонта событий, и указывает на то, что полуклассический подход к моделированию чёрной дыры не разрешает парадокса с потерей информации за пределами горизонта событий («испарение» чёрной дыры за счёт излучения Хокинга нарушает постулат о сохранении информации о квантовом состоянии объектов),- повествует в своем пересказе «Наука и жизнь».Издание при этом избегает категоричности суждений и однозначности на предмет того, «насколько результаты эксперимента» Штейнхауера «сопоставимы с тем, что происходит вблизи горизонта событий настоящей чёрной дыры».
В пересказе «Ленты.ру» речь по большей части также идет о теории – она «получила название», как отмечается в пересказе, «Nnaturalness».
«Она определена на масштабах энергий порядка электрослабого взаимодействия, после разделения электромагнитного и слабого взаимодействий. Это было спустя примерно десять в минус тридцать второй — десять в минус двенадцатой секунд после Большого взрыва. Тогда, по мнению авторов новой концепции, во Вселенной существовала гипотетическая элементарная частица — рехитон (или рехеатон, от английского reheaton), распад которой привел к формированию наблюдаемой сегодня физики.
По мере того как Вселенная становилась более холодной (уменьшалась температура материи и излучения) и плоской (геометрия пространства приближалась к евклидовой), рехитон распался на множество других частиц. Они сформировали почти не взаимодействующие друг с другом группы частиц, практически идентичные по видовому набору, но отличающиеся массой бозона Хиггса, а значит, и собственными массами.
Число таких групп частиц, которые, по мнению ученых, существуют в современной Вселенной, достигает нескольких тысяч триллионов. К одному из таких семейств относятся и описываемая Стандартной моделью (СМ) физика и наблюдаемые в экспериментах на БАКе частицы и взаимодействия. Новая теория позволяет отказаться от суперсимметрии, которую до сих пор пытаются безуспешно найти, и решает проблему иерархии частиц.
В частности, если масса образовавшегося в результате распада рехитона бозона Хиггса мала, то масса остальных частиц будет велика, и наоборот. Именно это решает проблему электрослабой иерархии, связанную с большим разрывом между экспериментально наблюдаемыми массами элементарных частиц и масштабами энергий ранней Вселенной. Например, вопрос о том, почему электрон массой 0,5 мегаэлектронвольта почти в 200 раз легче мюона с теми же квантовыми числами, отпадает сам собой — во Вселенной есть точно такие же наборы частиц, где это различие проявляется не так сильно.
По новой теории, наблюдаемый в экспериментах на БАКе бозон Хиггса — самая легкая частица подобного типа, образовавшаяся в результате распада рехитона. С более тяжелыми бозонами связаны другие группы пока еще не обнаруженных частиц — аналоги открытых сегодня и хорошо изученных лептонов (не участвующих в сильном взаимодействии) и адронов (участвующих в сильном взаимодействии).
Новая теория не отменяет, но делает не столь необходимым введение суперсимметрии, предполагающей удвоение (как минимум) числа известных элементарных частиц за счет наличия суперпартнеров. Например, для фотона — фотино, кварка — скварк, хиггса — хиггсино и так далее. Спин суперпартнеров должен на полуцелое число отличаться от спина исходной частицы.
Математически частица и суперчастица объединяются в одну систему (супермультиплет); все квантовые параметры и массы частиц и их партнеров в точной суперсимметрии совпадают. Считается, что в природе суперсимметрия нарушена, и поэтому масса суперпартнеров значительно превышает массу их частиц. Для обнаружения суперсимметричных частиц и понадобились мощные ускорители вроде БАКа.
Если суперсимметрия или какие-либо новые частицы или взаимодействия и существуют, то, по мнению авторов нового исследования, они могут быть открыты на масштабах десяти тераэлектронвольт. Это почти на границе возможностей БАКа, и если предложенная теория верна, обнаружение там новых частиц крайне маловероятно.
Сигнал вблизи 750 гигаэлектронвольт, который мог указывать на распад тяжелой частицы на два гамма-фотона, о чем ученые коллабораций CMS (Compact Muon Solenoid) и ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), работающих на БАКе, сообщали в декабре 2015 года и марте 2016 года, признан статистическим шумом. После 2012 года, когда стало известно об открытии в ЦЕРНе бозона Хиггса, новых фундаментальных частиц, предсказываемых расширениями СМ, не выявлено.
Канадский и американский ученый иранского происхождения Нима Аркани-Хамед, предложивший новую теорию, в 2012 году получил премию «Фундаментальная физика». Награда была учреждена в том же году российским бизнесменом Юрием Мильнером.
Поэтому возникновение теорий, в которых необходимость в суперсимметрии отпадает, ожидаемо. «Есть много теоретиков, в том числе я, считающих, что сейчас совершенно уникальное время, когда мы решаем важные и системные вопросы, а не касающиеся деталей какой-либо очередной элементарной частицы», — сказал ведущий автор нового исследования, физик Нима Аркани-Хамед из Принстонского университета (США).
Его оптимизм разделяют не все. Так, физик Мэтт Страсслер из Гарвардского университета полагает надуманным математическое обоснование новой теории. Между тем Падди Фокс из Национальной ускорительной лаборатории Энрико Ферми в Батавии (США) считает, что новую теорию удастся проверить в ближайшие десять лет. По его мнению, частицы, образованные в группе с каким-либо тяжелым бозоном Хиггса, должны оставить свои следы на реликтовом излучении — древней микроволновой радиации, предсказываемой теорией Большого взрыва,- повествует в своем пересказе «Лента.ру».
Такие вот сценарии и теории.