Хлопов М.Ю. Основы КОСМОМИКРОФИЗИКИ Изд. стереотип.

Оглавление

Благодарности

Я благодарю Е.Х.Ахмедова, Ф.Балестра, К.М.Белоцкого, З.Г.Бережиани, А.В.Беркова, Г.М.Бескина, С.И.Блинникова, Н.Г.Бочкарева, В.Б.Брагинского, М.И.Высоцкого, С.С.Герштейна, Д.Ю. и Ю.А.Голубковых, Т.Дамура, А.Г.Дорошкевича, В.К.Дубровича, И.Г.Дымникову, Д.Фарджона, А.Ф.Кадникова, А.А.Клыпина, Ю.Я.Комаченко, Р.В.Коноплича, Ю.Л.Левитана, А.Д.Линде, В.И.Маслянкина, Р.Миньяни, П.Д.Насельского, С.Т.Петкова, Г.Пираджино, А.Г.Полнарева, Д.Б.Понтекорво, Л.А. и С.А.Пустильников, С.Г.Рубина, М.В.Сажина, А.С.Сахарова, Е.В.Седельникова, И.М.Соболя, Д.Д.Соколова, А.А.Старобинского, А.Л.Сударикова, В.М.Суслина, Р.А.Сюняева, Н.Г.Уральцева, С.С.Филиппова, Р.Р.Хомерики, В.М.Чечеткина, К.И.Шибаева, А.А.Шкляева, всех участников совместных работ по проектам "Космомикрофизика", "Астробеликс", "Астродамус", "Космион-ETHZ", "AMS-Epcos", результаты творческого сотрудничества с которыми значительно обогатили содержание книги.

Я признателен всем участникам Международных конференций "Космион-94", "Космион-96", "Космион-97", "Космион-99" и "Космион-2001", творческие дискуссии с которыми превратили эти конференции в знаменательные вехи становления космомикрофизики как самостоятельной научной области.

Представленные в книге новейшие научные результаты были получены в рамках работ по Госконтракту 40.022.1.1.1106 Министерства промышленности, науки и технологии Российской Федерации и при поддержке грантов РФФИ 02–02–17490 и Университетов России УР.02.01.008. Я благодарен своим ученикам К.М.Белоцкому, Е.В.Седельникову, А.С.Сахарову и К.И.Шибаеву за их помощь на разных этапах работы над материалом книги. Подготовка рукописи этого издания была бы невозможна без самоотверженного труда К.И.Шибаева, за что я выражаю ему свою глубокую признательность.

Введение

КОСМОМИКРОФИЗИКА является естественным шагом в исследовании взаимосвязи между КОСМОлогией и МИКРОФИЗИКОЙ, то есть физикой элементарных частиц. Эта связь возрождает традиции натурфилософии, рассматривавшей Вселенную во всей ее полноте и единстве.

Космомикрофизика представляет новый уровень этой традиции и, будучи точной наукой, использует количественно определенные методы для описания природы и ее структуры как на микро-, так и на макро-масштабах.

Чтобы проследить тенденции, приводящие к образованию КосмоМикроФизики, мы должны рассмотреть несколько основных этапов в развитии физики частиц и космологии.

Экспериментально проверенная часть современной физики элементарных частиц основывается на стандартной модели (СМ) электрослабых и сильных взаимодействий, обобщающей принципы электродинамики на превращения частиц в сильных и слабых процессах.

Возможность такого обобщения следует из принципиально измененненых представлений о заряде и токе в квантовой теории поля. Вместо полагаемого классической электродинамикой внутреннего неизменного свойства неуничтожимых заряженных частиц, в квантовой электродинамике мы рассматриваем ток как локально сохраняющуюся билинейную комбинацию одночастичных операторов рождения и уничтожения, действующих на физический вакуум.

Так, например, электрический ток электрона представляет собой последовательность уничтожения и рождения одноэлектронных состояний. Начальные и конечные состояния могут отличаться, что и соответствует квантовым представлениям об электрическом токе.

Это дает возможность сделать следующий логический шаг в рассмотрении начальных и конечных состояний различных частиц и обобщает представление о токах на превращения частиц.

Электромагнитные токи являются источником электромагнитных полей. В квантовой электродинамике (КЭД) уничтожение электрона в начальном состоянии и его рождение в конечном состоянии является квантовым процессом испускания (или поглощения) кванта электромагнитного поля.

Обобщая, мы можем сказать, что уничтожение частицы в начальном состоянии и рождение другой частицы в конечном состоянии – есть процесс испускания (или поглощения) кванта поля соответствующего взаимодействия.

Так, в процессе слабого взаимодействия при аннигиляции нейтрино и рождении электрона рождается W⁺-бозон или уничтожается W^--бозон – кванты поля слабого взаимодействия.

При таком обобщении предполагается симметрия между частицами в начальном и конечном состояниях. Математически симметрия обеспечивает обобщение градиентной инвариантности электродинамики на локальную калибровочную инвариантность плотности лагранжиана взаимодействия относительно преобразований рассматриваемой группы симметрии, позволяя ввести единообразное описание слабого, сильного и электромагнитного взаимодействий. Плотность лагранжиана этих взаимодействий содержит частицы материи (фермионы) в следующей форме

L_int = g x J_mu x V_mu,

где g – константа связи, J_mu – ток и V_mu – поле соответствующего взаимодействия. Наблюдаемые различия во взаимодействиях фундаментальных частиц приписываются как различиям в группах калибровочной симметрии, так и существованию механизма спонтанного нарушения симметрии.

Стандартная модель взаимодействия частиц, которая основана на SU(2) otimes U(1) локальной калибровочной группе симметрии электрослабого взаимодействия и SU(3)_c симметрии квантовой хромодинамики (КХД, калибровочной теории сильных взаимодействий), не вступает в настоящее время в прямое противоречие с экспериментальными данными.

Однако, внутренние теоретические проблемы и эстетически-привлекательный путь объединения всех фундаментальных сил Природы выводят теорию за рамки стандартной модели.

Практическая и теоретическая необходимость расширить СМ следует из таких ее внутренних проблем как квадратичная расходимость радиационных петлевых поправок к массе хиггсовского поля или сильное нарушение CP-инвариантности в КХД.

Решением первой проблемы является суперсимметрия – симметрия между бозонами и фермионами, обеспечивающая компенсацию вкладов от бозонных и фермионных петель в хиггсовскую массу из-за различия между статистиками Бозе–Эйнштейна и Ферми–Дирака.

Поскольку мы не наблюдаем суперсимметрию в спектрах масс известных фермионов и бозонов, то она должна быть нарушена, и поиски суперсимметричных партнеров, более тяжелых, чем соответствующие им известные частицы, является одной из серьезнейших задач для следующего поколения ускорителей. Но весьма мала надежда, что, хотя бы в отдаленном будущем, увенчаются успехом поиски гравитино (суперсимметричного партнера гравитона), предсказанного в локальных суперсимметричных моделях, из-за весьма слабого, полу-гравитационного взаимодействия с другими частицами.

Для решения проблемы сильного нарушения CP-инвариантности в КХД предполагается существование невидимого аксиона, псевдоголдстоуновского бозона – "меньшего брата" pi⁰, со сверхслабым взаимодействием, которое делает практически невозможным прямой поиск этой частицы на ускорителях.

Эстетически привлекательной причиной расширения СМ является идея объединения всех фундаментальных сил Природы.

Схожесть описания электромагнетизма, сильного и слабого взаимодействий, достигнутая в СМ, находит глубокие основания в теории Великого Объединения (ТВО или GUT – grand unified theory), которая расширяет фундаментальную калибровочную группу симметрии, включая группу симметрии СМ SU(3)_c otimes SU(2) otimes U(1) в единую группу симметрии Великого Объединения G.

Размещая совокупность известных частиц по представлениям группы G, мы видим, что остаются "белые пятна", которые должны быть заняты, чтобы представления были заполнены.

Чем шире группа G, тем больше возникает дополнительных частиц и полей, соответствующих полной симметрии.

Такие частицы и поля соответствуют "скрытому сектору" соответствующей теории, поскольку они скрыты от прямой экспериментальной проверки или из-за их большой массы или из-за весьма слабого взаимодействия с известными частицами.

В обоих случаях (сверхслабого взаимодействия или сверхбольшой массы) проверка соответствующих предсказаний требует привлечения косвенных методов.

То же самое требуется для изучения таких частей скрытого сектора как "невидимый аксион" или гравитино, возникающих при решении проблем внутреннего самосогласования СМ.

Имеется весьма мало косвенных эффектов для изучения допустимых свойств сверхмассивных или сверхслабовзаимодействующих частиц в лабораторных условиях.

Такими эффектами являются масса нейтрино, CP-Ннарушение, не сохранение барионного и лептонного чисел (отражающиеся в осцилляциях нейтрино, двойном безнейтринном beta-распаде, распаде протона и осцилляции нейтрон–антинейтрон или водород–антиводород).

Экспериментальному выявлению этих крайне маловероятных процессов способствует прямое нарушение в них законов сохранения, содержащихся в СМ. Относительно небольшое число таких эффектов делает привлекательным расширение косвенных методов проверки скрытого сектора физики частиц.

Задача правильного выбора расширенного скрытого сектора встает особенно остро при изучении моделей "теории всего" (TOE – theories of everything), описывающих все 4 фундаментальных силы Природы, включая гравитацию.

Такое описание может исходить из последовательного расширения калибровочной симметрии, скажем, из сочетания локальных калибровочных моделей и суперсимметрии, как это делается в супергравитации. Здесь обобщение вытекает из расширения внутренних симметрий на симметрии пространства-времени.

Альтернативный подход основывается на обобщении геометрии пространства-времени для описания взаимодействия частиц. Геометрический подход связывает фундаментальные силы с дополнительными измерениями пространства-времени, дополняя симметрию пространства-времени симметрией элементарных частиц.

Оба направления объединяются в теории суперструн на основе принципиально нового типа фундаментальных объектов – струн.

В теории гетеротической струны соединяются 10-мерная гетеротическая теория струн с E₈ otimes E'₈ калибровочной симметрией. Так что скрытый сектор этой теории должен, в принципе, содержать весь "зоопарк" частиц, полей и новых явлений, возникающих в различных расширениях СМ, прямые экспериментальные поиски которых или весьма трудны, или невозможны.

Вот почему Вселенная как возможный источник информации об элементарных частицах привлекает наиболее серьезное внимание людей, занимающихся физикой элементарных частиц.

Я.Б.Зельдович назвал Вселенную "ускорителем для бедных". Но, как несколько позже отметил А.Д.Линде, даже богатейший человек не может построить ускоритель элементарных частиц до энергий порядка масштабов ТВО или ТОЕ, которые естественно реализуются на ранних стадиях космологической эволюции.

Так внутреннее развитие физики частиц приводит к теории горячей расширяющейся Вселенной как к естественному полигону ее фундаментальных идей.

Современная космология основывается на двух наблюдательных фактах: на том, что Вселенная расширяется и что современная Вселенная заполнена тепловым фоном электромагнитного излучения. Сочетание этих фактов приводит к идеям горячей расширяющейся Вселенной.

Старый сценарий горячей Вселенной представлял собой внутренне самосогласованную картину, основанную на последовательном применении законов общей теории относительности, термодинамики, атомной и ядерной физики, хорошо изученных экспериментально в лабораторных условиях. Эти известные законы физики прилагались к развитию Вселенной как целого в предположении, что современная Вселенная содержит только барионное вещество и электромагнитное излучение (а также нейтрино) (Зельдович, Новиков, 1975).

Согласно этому сценарию, в первые три минуты расширения происходили ядерные реакции, которые и создали первичный химический состав.

Эта картина находила качественное подтверждение при сравнении предсказаний космологического нуклеосинтеза в горячей Вселенной с наблюдаемым обилием легких элементов. Она давала качественное объяснение наблюдаемой структуре неоднородностей как результату развития гравитационной неустойчивости в слабо однородном веществе.

Однако количественные несогласованности, которые при более глубоком рассмотрении становились все более явными, делали данную картину противоречивой. Для устранения этих противоречий приходилось добавлять новые и новые дополнительные фундаментальные элементы к основам ее теоретической конструкции.

Образование крупномасштабной структуры Вселенной связано в старом сценарии горячей Вселенной с ожидаемой анизотропией теплового электромагнитного фона, который не соответствует наблюдаемому уровню его изотропии.

С другой стороны, необходима низкая барионная плотность, чтобы воспроизвести наблюдаемое обилие легких элементов как результат космологического нуклеосинтеза (см. обзор Schramm, Copi, 1976). Это не согласуется с довольно высокой плотностью вещества, требуемой для объяснения образования крупномасштабной структуры в результате развития гравитационной неустойчивости.

Казалось, что решение обеих этих проблем было найдено в рамках старого сценария горячей Вселенной, когда в 1980 году появились утверждения, что масса электронного нейтрино может быть около 30 эВ. Нейтринный тепловой фон с концентрацией, сравнимой с концентрацией фона тепловых фотонов, является надежным предсказанием теории горячей Вселенной. Умножая эту концентрацию на массу нейтрино, которая была измерена в эксперименте в ИТЭФ, мы находим, что современная плотность массивных нейтрино должна на 1–2 порядка превышать плотность барионной материи.

Отсюда вытекал сценарий нейтринной Вселенной, в которой массивные нейтрино, слабо взаимодействуя с веществом и излучением, формируют крупномасштабную структуру Вселенной и доминируют в современной космологической плотности. Анизотропия теплового фонового излучения, предсказываемая в этой картине, казалось, согласовывалась с наблюдательными данными.

Однако последующие экспериментальные исследования не подтвердили утверждения Любимова и др. (1980) о том, что масса нейтрино может быть столь высокой.

С другой стороны, космологический анализ, в целом подтверждая, что скрытая масса должна доминировать во Вселенной в период образования крупномасштабной структуры, выявил серьезные трудности в сценарии нейтринной Вселенной.

Эти проблемы выводили физику скрытой массы за пределы экспериментально изученной стандартной модели элементарных частиц.

Возникла необходимость модифицировать старый сценарий горячей Вселенной, добавляя в него новый фундаментальный элемент – скрытую массу, физические основания которой относятся к скрытому сектору физики элементарных частиц.

Проблема поиска истинной физической природы космологической скрытой массы осложняется следующим обстоятельством.

Модели образования крупномасштабной структуры горячей, холодной, нестабильной скрытой массой, или более сложные модели, привлекающие космические струны и горячую скрытую массу, поздние фазовые переходы и так далее, весьма различны с космологической точки зрения.

Тем не менее, эти разные космологические модели не являются альтернативными с точки зрения физики элементарных частиц, поскольку их физические основания относятся к различным взаимно дополняющим частям скрытого сектора физики частиц.

Таким образом, в общем случае должна рассматриваться смесь различных форм скрытой массы.

Другим важным начальным условием для образования крупномасштабных неоднородностей является спектр начальных возмущений.

Легко проверить, что статистические флуктуации слишком малы, чтобы образовать крупномасштабные неоднородности в расширяющейся Вселенной. Поэтому необходимо предположить существование первичных малых начальных неоднородностей, зародившихся на очень ранних стадиях космологической эволюции.

Старый сценарий горячей Вселенной не предлагал физических механизмов для их возникновения.

Более того, существуют принципиальные вопросы: почему Вселенная расширяется? Почему начальные условия расширения так близки к плоской Вселенной? Почему они так схожи в причинно не связанных областях? Почему Вселенная не содержит равные количества вещества и антивещества? Все эти вопросы не находили ответов в рамках старой парадигмы.

Для первых трех вопросов был найден принципиальный ответ на основе инфляционных космологических моделей (Глиннер, 1965, 1970; Guth, 1981), предполагавших, что существовала стадия сверхсветового (в простейшем случае экспоненциального) расширения в ранней Вселенной.

Такая стадия не могла иметь место при доминировании вещества, излучения или релятивистской плазмы, но ее могли при некоторых условиях реализовать такие космологические следствия теории элементарных частиц как, например, затянутый фазовый переход первого рода или медленное скатывание скалярного поля к его истинному вакуумному состоянию.

Одновременно инфляционные модели предлагают физический механизм для рождения спектра начальных возмущений плотности.

Большинство этих эффектов связано с экспериментально не проверяемой областью физики элементарных частиц, в частности, это относится к механизмам нарушения симметрии при сверхвысоких энергетических масштабах.

С другой стороны, различные инфляционные модели основываются на различных взаимно дополняющих теоретических принципах, и могут сосуществовать в полном космологическом сценарии.

А.Д.Сахаров (1967) и В.А.Кузьмин (1970) первыми связали наблюдаемую барионную асимметрию Вселенной с физическим механизмом генерации избытка барионов в ранней Вселенной. Они обнаружили, что эффекты нарушения CP-инвариантности в неравновесных гипотетических процессах, не сохраняющих барионное число, могли создать барионную асимметрию на ранних стадиях эволюции барионсимметричной Вселенной.

Модели Великого Объединения, среди других своих предсказаний, обеспечили физическим обоснованием эти оригинальные идеи бариосинтеза.

Иные основания для механизма бариосинтеза были найдены затем в суперсимметричных моделях. Согласно этим моделям в ранней Вселенной мог существовать первичный конденсат скалярных кварков. Скалярные кварки, распадаясь на обычные кварки, создавали затем избыток барионов.

В СМ несохранение барионов из-за электрослабых взаимодействий имеет место при очень высоких температурах. Чтобы электрослабый бариосинтез был возможен, СМ должна содержать значительно большее число хиггсовских бозонов или включать несохранение лептонного числа. Последнее может быть связано с механизмом генерации майорановской массы нейтрино.

Так современная космологическая парадигма отражает принципиальные изменения в нашем представлении, о том, что такое космология горячей Вселенной.

От самосогласованного, но противоречивого в своей основе и неполного, старого сценария горячей Вселенной мы приходим к картине инфляционной космологии с бариосинтезом и многокомпонентной небарионной скрытой массой.

Таким образом, прямо или косвенно, старая теория горячей Вселенной дополняется в современной версии, по меньшей мере, тремя дополнительными элементами – инфляцией, бариосинтезом и небарионной скрытой массой. Все эти три необходимых элемента современной космологии основываются на физических законах, предсказанных теорией элементарных частиц, но экспериментально не проверенных.

Существует много различных физических механизмов претендующих на описание инфляции и бариосинтеза. Имеется также очень много различных кандидатов на роль частиц скрытой массы.

К сожалению, ни ранняя Вселенная, когда происходили инфляция и бариосинтез, ни скрытая масса не могут наблюдаться напрямую астрономическими средствами. Поэтому необходимо разработать систему косвенных методов правильного выбора вариантов, связанных с различными космологическими сценариями и моделями элементарных частиц, лежащими в их основе.

Проблема состоит в том, что пространство космологических и физических параметров является, в общем случае, многомерным, поскольку физические основания различных механизмов инфляции и бариосинтеза, а также различных форм скрытой массы проистекают из различных физических соображений и не только не противоречат, но и взаимно дополняют друг друга.

С другой стороны, космологическая проверка моделей элементарных частиц должна, вообще говоря, учитывать как конкретную реализацию физических оснований инфляции, бариосинтеза и скрытой массы, так и дополнительные модификации космологического сценария, соответствующие избранной реализации.

Можно заключить, что внутреннее развитие физики элементарных частиц вынуждает обращаться к космологической проверке оснований физики микромира. С другой стороны, именно на этом основании, лежащем в области, недоступной современным прямым экспериментальным методам, построены физические принципы современной космологии.

Отвлекаясь от гипотетической возможности открытия, накопления и прямого изучения каких-либо реликтов физики сверхвысоких энергий, таких как первичные магнитные монополи (t'Hooft, 1974; Поляков, 1974; Zeldovich, Khlopov, 1978; Хлопов, 1979; Preskill, 1979; Rodionov, 1996), приходится обращаться к поиску новых нетривиальных методов проверки этой физики.

Ясное понимание взаимосвязи оснований макро- и микромира и практическое отсутствие прямых экспериментальных и астрономических способов их исследования привели к созданию космомикрофизики, изучающей эти основания на основе комплексного анализа эффектов их косвенных проявлений.

Необходимость такой комбинации косвенных методов исследования вытекает из главной проблемы как космологии, так и микрофизики – проблемы Уробороса: Физические основания современной космологии опираются на предсказания теории элементарных частиц, которые, в свою очередь, обращаются к космологии для своей проверки. Поэтому, находясь на переднем крае фундаментальной физики в самых больших и самых малых масштабах, ни космология, ни физика частиц не могут изучить свои основания по отдельности, сколь бы чувствительны ни были методы их прямых исследований. Эти основания оказываются в такой тесной взаимосвязи, что практически неразделимы. Таким образом, границы нашего познания макро- и микромира сходятся, и мистическая змея "Уроборос", пожирающая свой хвост, символизирует порочный круг проблем, к которому приходит фундаментальная физика в своем одномерном развитии.

Космомикрофизика, предлагая нетривиальный путь выхода из этого порочного круга, исходит из фундаментальной взаимосвязи оснований космологии и физики микромира и открывает принципиальную возможность изучить эти основания в комплексном сочетании косвенных космологических, астрофизических и микрофизических эффектов.

В физике элементарных частиц космомикрофизика открывает путь к построению "теории всего" (ТОЕ), Единой Теории Фундаментальных Сил Природы, основания которой становятся доступными, хотя и косвенной, но, тем не менее, реальной проверке в экспериментах и наблюдениях.

В теории Вселенной она открывает путь к Физической Космологии с физически самосогласованным описанием структуры и эволюции Вселенной.

Парадоксальную форму, которую носят методы космомикрофизики по отношению к исследованиям в традиционных областях науки, иллюстрирует "пирамида в круге" (рис.fig01-1), демонстрирующая многомерность решения проблемы Уробороса. Голова, поедающая хвост, Уробороса отвечает основанию системы мироздания, которое доступно изучению в многомерном сочетании косвенных макро- и микрофизических тестов.

Та же картина может служить иллюстрацией для астромикрофизики (astroparticle physics, линейная связь между космологией и физикой частиц, соответствующим головной и хвостовой частям змеи) или ТОЕ (голова поедает хвост). Более того, соприкосновение тела пирамиды с линией змеи выявляет те новые аспекты, которые привносит космомикрофизика в традиционные области науки.

Нуль- и одномерный характер наиболее популярных и широко распространенных взглядов на связь между космологией и физикой элементарных частиц (ТОЕ и астромикрофизика соответственно) не способен обеспечить взвешенный и самосогласованный подход к предмету в целом. Выбор основополагающих космологических и микрофизических моделей становится при этом в значительной мере делом вкуса и моды. И критерий естественности вряд ли поможет в таком выборе. Как справедливо отмечал А.Д.Линде, естественно то, что следует из естественных законов, из тех самых законов природы, которых мы не знаем и которые пытаемся открыть и в космологии, и в физике элементарных частиц.

Фактически, космомикрофизика изучает мир как целое в фундаментальной взаимосвязи его структуры в самых малых и в самых больших масштабах. Она рассматривает систему мироздания, в которой основания космологии и физики частиц настолько взаимосвязаны, что полный космологический сценарий основан на единой теории частиц, а теория элементарных частиц является космологически жизнеспособной. Первым началом космомикрофизики является то, что система мироздания существует.

Система мироздания устанавливает соответствие между фундаментальными параметрами, определяющими процессы в физике элементарных частиц, астрофизике и космологии, и таким образом, устанавливает количественную определенную связь между микроскопическими и макроскопическими эффектами.

Существование системы таких связей между фундаментальными свойствами элементарных частиц, астрофизическими и космологическими параметрами является существом второго начала космомикрофизики.

Наконец, число параметров, характеризующих систему мироздания, должно быть меньше, чем количество определяемых этими параметрами независимых проявлений в физике элементарных частиц, астрофизике и космологии, таким образом, обеспечивая полноту космомикрофизических тестов, – так формулируется третье начало космомикрофизики.

Космомикрофизика воспроизводит в самых больших и самых малых масштабах фундаментальную взаимосвязь между микроскопическим и макроскопическим описаниями, характерную для теоретической физики. Она предлагает новый уровень такой взаимосвязи, которая, например, имеет место между термодинамикой и атомной физикой, гидродинамикой и кинетикой, или между фундаментальными макроскопическими и микроскопическими параметрами (например, между числом Авогадро и массой протона).

Однако, отсутствие прямых экспериментов на космологических масштабах и в физике сверхвысоких энергий, на которой основывается современная космология, приводит космомикрофизику к необходимости разработать систему нетривиальных косвенных методов исследования. Космоархеология, поиск в астрофизических данных следов новых физических явлений во Вселенной, представляет собой уже сформировавшееся направление таких косвенных методов исследования, характерных для космомикрофизики как самостоятельной области научных знаний (Сахаров, 1989; Хлопов, 1989; Khlopov, 1996b,c). Звенья космоархеологической цепочки соединяются довольно нетривиальным способом и приводят к системе астрофизической проверки существования и изучения допустимых свойств гипотетических частиц, полей, объектов и явлений, предсказываемых как космологические следствия теории элементарных частиц.

Космоархеология трактует Вселенную как уникальный природный ускоритель, в котором астрофизические данные играют роль специфического экспериментального результата мысленного эксперимента (Gedanken Experiment), проводимого космоархеологией.

Как и в любом эксперименте, чтобы достичь осмысленного результата, необходимо знать специфику используемого экспериментального устройства, а также методы получения экспериментальных данных и их анализа.

Проблема в том, что во Вселенной как "источник" элементарных частиц, так и их "детектор" находятся вне досягаемости "экспериментатора".

Астрофизический процесс невозможно напрямую воспроизвести в лаборатории, но как бы ни была сложна комбинация физических эффектов, теоретическая астрофизика, как правило, использует в своем анализе законы природы, подтвержденные экспериментально.

Трудность заключается в том, что в теоретическом исследовании инфляционной Вселенной с бариосинтезом и небарионной скрытой массой основные физические законы не известны.

Это делает физически самосогласованную формулировку космоархеологического подхода в общем случае модельно-зависимой. Необходимо учитывать связь между гипотетическими частицами или полями, изучаемых на основе астрофизических данных, и физикой инфляции, бариосинтеза и небарионной скрытой массы. И поскольку эта физика зависит от выбора модели элементарных частиц, необходимо соотносить космологические следствия рассматриваемой гипотезы с таким сценарием космологической эволюции, который основан на выбранной модели частиц, воспроизводящей основные элементы современной космологии.

Это значит, что космологическая история гипотетических частиц или полей может быть многоступенчатой и следовать весьма нетривиальному пути космологической эволюции.

С другой стороны, если инфляционная модель барион-асимметричной Вселенной с небарионной скрытой массой является действительно верной основой теоретической космологии, то реальная картина космологической эволюции должна быть намного сложнее, чем исходный гамовский сценарий эволюции горячей Вселенной. Следует с неизбежностью ожидать, что этот сценарий окажется гораздо более нетривиальным, нежели простое добавление к старому сценарию инфляции, бариосинтеза и небарионной скрытой массы.

Дело в том, что любая физически обоснованная теоретическая схема, воспроизводящая необходимые элементы современной космологии, содержит значительно более широкий набор дополнительных космологически значимых предсказаний, которые можно было бы назвать скрытыми параметрами рассматриваемой космологической модели. Проверяя эти предсказания, космоархеология расширяет возможности наблюдательной космологии, связывая реалистическую теорию Вселенной с наблюдениями.

Другой стороной проблемы поиска физических оснований современной космологии является вопрос о космологических проявлениях полной теории элементарных частиц.

Единое описание фундаментальных сил Природы эстетически привлекательно. Но чем выше уровень единого описания, тем шире соответствующая модель физики элементарных частиц и, соответственно, больше ее скрытый сектор. Это привносит в рассмотрение все больше экзотических космологических проявлений, заслуживающих, тем не менее, серьезного внимания вследствие фундаментального физического обоснования их существования.

Имеется и более прагматическая причина для выхода за рамки СМ взаимодействия частиц – устранение ее внутренней несогласованности. Эти расширения СМ также приводят к специфическим космологическим эффектам, возникающим как космологические следствия соответствующих моделей.

В единых теориях элементарных частиц имеется принципиальная возможность самосогласованного подхода к описанию космологической эволюции и эффектов новой физики частиц и полей. Рассмотрение отдельного космологического следствия расширения СМ, устраняющего ее внутренние противоречия, такую самосогласованность утрачивает. Но и такой анализ космологических предсказаний теории элементарных частиц важен для космофеноменологии новой физики – раздела космоархеологии, изучающего космологически значимые эффекты новой физики в ранней Вселенной и их возможные проявления, доступные проверке в сопоставлении с астрофизическими данными.

Модели суперструн, претендующие на роль "теории всего" (ТОЕ), не могут на современном уровне своего развития служить примером системы мироздания в полном космомикрофизическом смысле. Из-за существования большого множества их реализаций практически невозможно проанализировать достаточно полное множество их физических, астрофизических и космологических предсказаний. Поэтому представляет особый интерес альтернативный подход к системе мироздания. Основные наблюдаемые свойства элементарных частиц и космологические параметры, связанные с физическими механизмами инфляции, бариосинтеза и скрытой массы, могут быть рассмотрены в рамках единой количественно определенной теоретической схемы.

Такой подход можно проиллюстрировать моделью горизонтального объединения, которая будет обсуждаться в этой книге (см. Сахаров, Хлопов, 1994b; Khlopov, Sakharov, 1996 и ссылки в них). На основе этой модели было показано, что добавление к симметрии SU(3)_c otimes SU(2) otimes U(1) стандартной модели калибровочной симметрии SU(3)_H поколений кварков и лептонов обеспечивает не только реалистическое теоретическое описание существования, наблюдаемого сходства и различия трех семейств кварков и лептонов

(nu_e e u d ), (nu_mu mu c s), (nu_tau tau t b),

но и ее реализация в рамках той же теоретической схемы предлагает физические основания инфляции, бариосинтеза и скрытой массы.

Эта модель, предлагающая альтернативный (горизонтальный) способ объединения, ни в коем случае не является альтернативой широко известной теории ВО или суперсимметричным расширениям СМ. Решение внутренних проблем минимальной схемы горизонтального объединения требует последующего суперсимметричного и ВОНрасширения, которые, как ожидается, также улучшат согласие ее астрофизических и космологических предсказаний с наблюдениями. Подтверждение и уточнение результатов поиска нейтринных осцилляций и двойного безнейтринного beta-распада сделают обращение к этим расширениям неизбежным.

Но даже в современной форме модель отражает основные принципы космомикрофизики. На основе локальной калибровочной модели со спонтанным нарушением симметрии она реализует феноменологию системы мироздания, соединяя описание практически всех основных свойств известных частиц и необходимых параметров современной космологии, связанных со скрытым сектором физики элементарных частиц. Наконец, число свободных параметров модели оказывается значительно меньше, чем количество соответствующих им проявлений в физике частиц, астрофизике и космологии, обеспечивая определенность проверки модели и ее полноту.

Таким образом, модель демонстрирует мощь космомикрофизического подхода. Фундаментальный масштаб нарушения горизонтальной симметрии априори не известен и относится к скрытому сектору физики частиц, однако комплексный анализ совокупности физических, астрофизических и космологических предсказаний позволяет зафиксировать значение этой шкалы в двух довольно узких диапазонах (около 10⁶ и около 10¹⁰ ГэВ).

Второе решение, соответствующее более высокой энергетической шкале, воспроизводит широко принятый стандартный космологический сценарий с инфляцией, бариосинтезом и холодной (аксионной) скрытой массой. Однако, практическая реализация такого сценария, который ни в коем случае не является отражением полной физической картины, показывает, что даже этот простейший космологический сценарий содержит целый ряд нетривиальных дополнительных элементов. К ним относятся – пост-инфляционная стадия, на которой возможно образование первичных черных дыр (ПЧД), последующее испарение таких ПЧД на радиационно-доминированной (РД) стадии после первичного нуклеосинтеза, образование первичной перколляционной структуры архиолей и так далее.

Этот пример показывает, что ни в коем случае новые космологические элементы, основанные на гипотетических эффектах физики частиц, не сводятся только лишь к инфляции, бариосинтезу и скрытой массе. Он отражает систему нетривиальных междисциплинарных связей, которая должна быть использована для построения истинной системы мироздания на основе методов космомикрофизики.

Об авторе

Хлопов Максим Юрьевич – доктор физико-математических наук, профессор. Автор более 200 научных работ по проблемам космологии, астрофизики и физики элементарных частиц. Ведущий научный сотрудник Института прикладной математики им.М.В.Келдыша Российской академии наук, профессор Московского инженерно-физического института, руководитель научно-учебного центра по космомикрофизике "Космион". Научный руководитель проекта "Космомикрофизика", Международных проектов "Astrobelix", "Astrodamus", "Cosmion-ETHZ" и "AMS-Epcos". Председатель Оргкомитета и ответственный редактор издания трудов 1, 2, 3, 4 и 5 Международных конференций по космомикрофизике "Космион-94", "Космион-96", "Космион-97", "Космион-99" и "Космион-2001".