Необходим ли е Хигс бозонът за масата? Нова теория я обяснява като фундаментално свойство на Вселената

През 2012 г. физиката отбеляза триумф. Експериментите в Големия адронен колайдер потвърдиха съществуването на Хигс бозона – частицата, която обяснява защо другите елементарни частици имат маса. Стандартният модел, който описва света в най-малките мащаби, бе завършен. Изглеждаше, че историята е приключила.

Но в науката завършената глава често е само пролог към нова, по-дълбока загадка. Механизмът на Хигс работи перфектно, но за много физици той е… изкуствен. За да се обясни масата, в теорията трябваше да се въведе изцяло ново поле, което да прониква в цялото пространство. То не беше изведено от основните принципи на симетрията, а беше постулирано, защото беше необходимо. Но дали природата се нуждае от такива патерици? Ами ако масата не е резултат от взаимодействието с някакво външно поле, а е вътрешно свойство на самата геометрия на пространството?

Тази идея се проучва от група физици теоретици. Тяхната работа предлага алтернативен път: източникът на масата на W и Z бозоните може да не е полето на Хигс, а фундаментална характеристика на геометрията, известна като усукване.

Защо физиците изобщо се нуждаят от Хигс бозона?

Нека се върнем към произхода на проблема. Уравненията, описващи електрослабото взаимодействие – силата, която обединява електромагнетизма и слабото ядрено взаимодействие – са красиви и симетрични. Те работят перфектно, но при едно условие: преносните частици на това взаимодействие (W и Z бозони) трябва да са безмасови, като фотона.

И това е фундаменталният проблем. Уравненията работят, но реалността е различна. Експериментите показват, че W и Z бозоните са сред най-тежките частици в зоопарка на Стандартния модел. Симетрията, която изглежда толкова красива на хартия, се нарушава в реалния свят.

Механизмът на Хигс беше изход от тази безизходица. Физиците предположиха, че Вселената е изпълнена с невидимо поле. По време на охлаждането след Големия взрив това поле спонтанно се е кондензирало в състояние с ненулева енергия, нарушавайки първоначалната симетрия. Частиците, взаимодействащи с това поле, изпитват съпротивление, което ние възприемаме като маса. Хигс бозонът е само квантово възбуждане, пулсация по повърхността на това поле.

Да, това работи. Но въпросът „защо точно това поле?“ остава открит.

Какво би било, ако масата е свойство на самото пространство?

Новата научна работа предлага да погледнем на проблема от друг ъгъл. Ами ако асиметрията, необходима за генерирането на маса, е заложена не във външното поле, а в структурата на самото пространство-време?

Централното понятие тук е геометричното усукване.

В стандартната геометрия на Айнщайн, на която се основава Общата теория на относителността, пространството е локално гладко. Ако прокарате вектор, успореден на себе си, по протежение на затворен цикъл, той ще се върне в началната точка абсолютно същият. Този процес не зависи от посоката. Усукването е нарушение на това правило. Това е напрежение, вградено в самата тъкан на пространството, което прави геометрията асиметрична.

Авторите на изследването предполагат, че нашият четириизмерен свят е част от многоизмерна вселена. По-конкретно те разглеждат 7-измерно пространство със специална геометрия, известна като G₂-структура. Именно в допълнителните, свити измерения на това пространство съществува ненулева торзия.

Но какво общо има тази абстрактна геометрия с масата на частиците?

Как математиката развива стабилната геометрия?

За да свържат геометрията и физиката, учените прилагат математически инструмент, наречен поток на Ричи. Това е процедура, която позволява геометрията на дадено многообразие да се развива във времето. Потокът на Ричи изглажда неравностите и кривините, насочвайки геометрията към по-стабилно, канонично състояние. Това е същият метод, който Григорий Перелман използва, за да докаже предположението на Поанкаре.

В модела на авторите потокът на Ричи, приложен към тяхното 7-измерно пространство, не води до пълна гладкост, а до стабилно състояние, наречено солитон. Ключовият резултат е, че този краен, стабилен солитон има остатъчно, ненулево усукване.

Геометрията сякаш самостоятелно избира състояние с нарушена симетрия. Това е спонтанно нарушаване на симетрията, но източникът му не е външно поле, а динамиката на самото пространство.

От геометрията до гигаелектронволта: работи ли това?

Как да го проверим? Чрез пряко изчисление.

Моделът установява връзка между средната стойност на това геометрично усукване в целия обем на допълнителните измервания и една фундаментална константа – средното вакуумно поле на Хигс, равно на 246 GeV. Това е енергийната скала, на която се случва нарушаването на електрослабата симетрия.

Това, което следва, е чиста аритметика. Използвайки тази стойност, получена от геометрията, авторите изчисляват предсказаните маси за W и Z бозоните.

Резултатите:

• Масата на W-бозона: изчислението дава ~79,93 GeV. Експерименталната стойност е ~80,38 GeV.
• Масата на Z бозона: изчислението дава ~90,8 GeV. Експерименталната стойност е ~91,19 GeV.

Това е много близко съвпадение. Така че идеята може да се разглежда като потенциално работещ физичен модел. Геометрията не просто е подобна на механизма на Хигс, но и възпроизвежда количествено неговите резултати. Нещо повече, моделът прогнозира и правилния радиус за допълнителни измервания (от порядъка на 10-¹⁶ m) и дава обяснение за наблюдаваната положителна космологична константа – причината за ускореното разширяване на Вселената.

Какво означава това и къде е уловката?

Ако този подход е правилен, той предлага по-дълбоко единство на физиката: масата престава да бъде следствие от взаимодействието с едно единствено поле и се превръща в проява на сложната геометрия на самата Вселена. Това е стъпка към обединяване на света на частиците (стандартен модел) и света на гравитацията (геометрия).

Но е важно да се запази спокойствие. Това, което имаме пред себе си, е теоретичен модел. Към момента няма преки експериментални доказателства за съществуването нито на G₂-множества, нито на геометрично усукване. Моделът заменя един постулат (съществуването на полето на Хигс) с друг (съществуването на специфична многомерна геометрия).

Освен това тази теория прогнозира съществуването на нова частица, свързана с торсионното поле, „торстоун“ (Torstone), с маса около 110 GeV. Търсенето ѝ в колайдерите би могло да бъде пряка проверка на тази хипотеза.

Стандартният модел с Хигс бозона е доказана, утвърдена теория. Моделът на геометричния торсион е красив от математическа гледна точка, но засега е само още една спекулативна алтернатива. Необходими ли са такива научни работи? Може би те придвижват науката напред. А кой е прав – времето ще покаже.