Фізики-теоретики з Іспанії та Швейцарії показали, що форма потенціалу Хіггса може бути відповідальна не тільки за розпад помилкового вакууму (який може призвести до зникнення звичного для нас Всесвіту), але і за утворення темної матерії на ранніх етапах життя Всесвіту. Якби темної матерії не було, зірки не змогли б зібратися в галактики, і всесвіт мав би зовсім іншу структуру. Цікаво, що запропонований вченими спосіб виникнення темної матерії не вимагає фізики поза Стандартною моделлю. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє.
Частинки Стандартної моделі набувають маси завдяки механізму Хіггса - спонтанному порушенню електрослабої симетрії, яке відбувається через особливу форму потенціалу Хіггса. Грубо кажучи, в квантовій теорії поля частинки являють собою коливання полів (наприклад, фотони - це коливання електромагнітного поля), енергію яких потрібно відраховувати від певного мінімуму. Такий мінімальний енергетичний стан називають вакуумом. Для більшості полів Стандартної моделі вакуум відповідає нульовому полю, тобто відсутності частинок (потенціал виду «ямка»). Однак мінімум потенціалу Хіггса лежить не в нулі, а в області енергій близько ста гігаелектронвольт - в результаті весь простір виявляється пронизаний полем Хіггса, яке має майже постійну напруженість і ускладнює прискорення звичайних частинок, надаючи їм масу (потенціал виду «мексиканський капелюх»). Бозон Хіггса, який відповідає коливанням поля Хіггса біля мінімального стану, теж виявляється масивним, оскільки поле взаємодіє саме з собою.
Тим не менш, насправді все виявляється трохи складніше - незважаючи на те, що потенціал Хіггса має мінімум при енергіях близько ста гігаелектронвольт, цей мінімум не глобальний. При великих енергіях потенціал знову загинається вниз, і в ньому утворюється ще одна ямка, глибина якої більше, ніж глибина ямки, в якій ми живемо. Через це наш вакуум «помилковий» - рано чи пізно поле Хіггса звалиться в по-справжньому мінімальний стан, і його коливання потрібно буде відраховувати від істинного вакууму. Оскільки поле не може змінити свій стан одночасно в усьому просторі, фізично такий перехід буде виглядати як освіта і подальше розширення бульбашок істинного вакууму в помилковому. Цей процес називають розпадом помилкового вакууму. Очевидно, що в ході розпаду помилкового вакууму виділиться величезна енергія, яка візьметься з різниці висот між ямками, - іншими словами, звичний для нас Всесвіт перестане існувати. На щастя, через велику висоту бар'єру, що розділяє ямки, ймовірність цього процесу дуже мала, і характерний час життя помилкового вакууму перевищує поточний вік Всесвіту. Кажуть, що хибний вакуум.
Однак під час інфляції - періоду, коли розміри Всесвіту збільшилися у величезну кількість разів за лічені частки секунди, це могло бути не так. Якщо ефективна маса поля Хіггса (грубо кажучи, маса бозона Хіггса) виявиться порівнянна зі швидкістю її розширення, яка задається параметром Хаббла, то квантові флуктуації будуть висмикувати поле з метастабільного стану. Ми порівнюємо масу і швидкість розширення, припускаючи, що працюємо в системі одиниць ℏ = = 1. У результаті виникатимуть бульбашки істинного вакууму, які будуть розширюватися зі швидкістю світла і незабаром заповнять весь обсяг Всесвіту. З іншого боку, ми досі продовжуємо жити в помилковому вакуумі, навіть через 13 мільярдів років після інфляції.
У новій статті фізики-теоретики Хосе Еспіноса (José Espinosa), Давіде Ракко (Davide Racco), і Антоніо Ріотто (Antonio Riotto) показали, що поле Хіггса може «відкотитися» назад в метастабільний стан в результаті наступного після інфляції розігрівання Всесвіту (reheating). При цьому тимчасове утворення бульбашок істинного вакууму не позначатиметься на спектрі реліктового випромінювання, оскільки вони матимуть помітний розмір лише на пізніх етапах інфляції - це пояснює, чому астрономи не помітили цей процес. Більш того, запропонований вченими механізм дозволяє пояснити виникнення темної матерії, яка займає близько чверті маси Всесвіту.
Для початку вчені показали, що швидке розширення дійсно може «висмикнути» поле Хіггса з помилкового вакууму. Насправді, якщо швидкість розширення буде перевищувати H 1012 гігаелектронвольт, класичне зміщення поля Хіггса виявляється більше величини квантових флуктуацій, і простір заповнюється бульбашками істинного вакууму. Одночасно в ньому виникають коливання поля щодо нового вакууму, які розростаються з часом. Правда, значного розміру ці структури досягають тільки до кінця інфляції, коли вони вже встигли покинути радіус Хаббла, а значить, побачити їх ми не зможемо.
Коли інфляція закінчується, вакуумна енергія інфлатонного поля переходить в теплові релятивістські ступені свободи - Всесвіт заповнюється частинками Стандартної моделі, а його температура істотно збільшується. Через це потенціал Хіггса отримує температурні поправки, якими не можна знехтувати. Більш того, якщо температура виявляється більше ефективної маси поля, воно «відкочується» назад в метастабільний стан. Оскільки тепер Всесвіт розширюється набагато повільніше, полю доводиться долати бар'єр «по-чесному», і ймовірність його переходу в істинний вакуум зменшується на багато порядків.
Нарешті, після закінчення інфляції, коли радіус Хаббла досить сильно збільшиться, виниклі в її ході флуктуація поля призведуть до утворення первинних чорних дір. За оцінками вчених, маса таких дірок становитиме всього 10 − 15 мас Сонця, але їх буде так багато, що сумарний внесок у масу Всесвіту буде порівнянний з поточним внеском темної матерії. Надалі чорні діри будуть зливатися один з одним, і їх маса буде збільшуватися, наближаючись до поточних експериментальних оцінок.
Таким чином, поле Хіггса може бути відповідальне не тільки за масу всіх елементарних частинок, але і за утворення темної матерії на ранніх етапах життя Всесвіту. Але якби не було темної матерії, великомасштабна структура Всесвіту була б зовсім іншою - галактики просто не змогли б утворитися, оскільки тяжіння звичайної матерії для цього недостатньо. Виходить, що поле Хіггса відповідає за існування Всесвіту у звичному для нас вигляді - і за подальше його знищення в ході розпаду помилкового вакууму. Примітно, що таке пояснення не виходить за межі Стандартної моделі.
Це твердження має і більш філософський сенс. З одного боку, форма потенціалу Хіггса така, що рано чи пізно помилковий вакуум перейде в справжній, і звичний для нас світ буде знищений. З іншого боку, якби форма цього потенціалу була іншою, темна матерія не могла б виникнути, і звичного світу просто не було б. Правда, варто зауважити, що робота вчених не обов'язково має відношення до реального світу. Більш того, для коректної роботи запропонованого ними механізму параметри теорії повинні мати цілком конкретні значення, тобто теорія вимагає «тонкого налаштування». Звичайно, всі деталі можна списати на антропний принцип, але це не дуже красиве рішення.
У листопаді минулого року японські фізики-теоретики показали, що випромінювання Гокінга, яке виходить від чорних дір, може істотно зменшити ймовірність розпаду помилкового вакууму. З одного боку, чим менше чорна діра, тим сильніше вона викривляє простір і тим легше навколо неї утворюється бульбашка істинного вакууму; з іншого боку, випромінювання Гокінга навколо маленьких дірок має набагато вищу температуру, яку необхідно враховувати при утворенні бульбашки.