Антропный принцип - Indico

Фундаментальные взаимодействия и
физическое моделестроительство.
Часть II: за рамками Стандартной модели
М.В.Савина
savina@cern.ch
ВСЕРОССИЙСКАЯ НАУЧНАЯ ШКОЛА
МОЛОДЫХ УЧИТЕЛЕЙ ФИЗИКИ
Европейская Организация Ядерных Исследований (CERN)
1 - 7 ноября 2009 года
1
Разница масштабов в КТП и тонкая настройка параметров
В КТП существует набор характерных масштабов для
соответствующих взаимодействий, сильно отличающихся
по величине:
MКХД ~ 1 ГэВ – характерный масштаб сильных
взаимодействий, задает шкалу масс мезонов и барионов
Мслабое ~ 100 ГэВ – характерный электрослабый масштаб,
определяет массу переносчиков
MSUSY, M…
MПланк ~ 1019 ГэВ –
абсолютный предел
применимости КТП.
Вынужденная процедура тонкой
настройки параметров теории
таким образом, чтобы квантовые
поправки не нарушали иерархию
масштабов (чтобы сохранялась
шкала масс).
А что не так с квантовой гравитацией ?
нарушение СРТ-инвариантности
квантовая «пена» на планковском масштабе
Гравитация, которая исторически была первым калибровочным взаимодействием,
до сих пор не имеет квантовой версии:
- не гладкое пространство на планковском масштабе
- разрывы и нарушения причинности
- неперенормируема
Проблема иерархий: два масштаба в теории
Впервые сформулирована С.Вайнбергом ’76
Радиационные поправки к
«голой» массе хиггса
очень большие вклады
должны быть скомпенсир.
подходящим выбором m0:
(QED:
Добавка от калибровочного сектора:
me 

k
me log max )

me
m  m  ( c2 g  c4 g  ..)
Насколько большим м.б. UV масштаб Λ ?
2
H
2
0
2
4
2
Два стандартных UV обрезания
M GUT  1016 GeV
M Pl  1019 GeV
 
 28
34
непонятно, как обеспечить тонкую настройку
   10  10 Абсолютно
с такой колоссальной точностью !

2
Распространенные варианты новой физики для решения
проблемы иерархии
1. Суперсимметрия
(«техническое решение»)
2. Техницвет (аналог КХД)
3. Дополнительные
пространственные
измерения
4. Возможные пересечения
пп. 2 и 3 (голография)
5. Что-то еще, совсем новое?
6. Антропный принцип
(отступление назад ?)
Supersymmetry: compensation of different matter vacuum contributions
stabilization of a scale hierarchy (unbroken SUSY)
Q boson  fermion
Q fermion  boson

ferm
vac
 
bos
vac
Exact cancellation of contributions
from fields and their supersymmetric
partners
We can address this to solve both
the hierarchy problem and CCP
A set of new particles is the price for
improved behaviour of the theory
SUSY is working excellent for the hierarchy
stabilization, but it failures for CCP
Hierarchy problem and SUSY
Unbroken SUSY: usual matter fields and superpartners have equal masses
Dangerous loop contributions from usual fields and superpartners are
mutually cancelled
cancellation of corrections to the higgs
self-energy from top and stop quark loops
when SUSY is unbroken
no fine-tuning!
cancellation of corrections in the gauge sector
when SUSY is unbroken
Техницвет: старая КХД на новый лад
Кварки
Глюоны
техникварки
техниглюоны
хиггсовский бозон – не фундаментальный
скаляр, а составное состояние, аналогично
π0 –мезону в низкоэнергетической теории
сильных взаимодействий
Новое техницветное взаимодействие
воспроизводит характерные черты КХД,
но для нового характерного масштаба
взаимодействий, порядка ТэВ.
Набор новых технирезонансов (в полной аналогии с резонансами в КХД,
короткоживущими и распадающимися по новому сильному техницветному
взаимодействию)
Проблема: та же, что и для КХД – конфайнмент, невозможность учесть
различные пороговые эфекты и непертурбативные поправки.
Кроме того, нет экспериментально измеренных параметров, позволяющих
построить эффективную теорию
Многомерные модели теории поля и гравитации
1. Большие дополнительные измерения (ДИ) и гравитация на масштабе ТэВ,
переформулировка проблемы иерархий
2. Калуца-кляйновские моды частиц Стандартной модели, иерархия масс частиц,
сохранение и слабое нарушение барионного и лептонного числа (геометрический
подход).
1921 г. – Т. Калуца
Калуца-кляйновский
1926 г. – Ф. Кляйн
подход
ДИ были введены для объединения описания
электромагнетизма и гравитации
Ранний вариант (оригинальная КК-идея): ДИ
планковского размера, 10-33 см – недостижимо
на ускорителях
«Революция» конца 90 гг. 20 в. – большие ДИ.
Прогресс ТС, браны, удержание материи на бране
Как выглядят компактные дополнительные измерения?
Простые варианты:
многомерные сферы,
многомерные торы
Компактные многообразия
очень сложной структуры –
с кручением, с отверстиями
(«дырками») и пр.
Для любого сколь угодно сложного компактного многообразия дополнительных
координат сохраняется общее правило – наличие КК-спектра мод полей,
чувствующих дополнительные измерения
Калуца-кляйновский спектр возбуждений (КК-башня)
КМ в конечном объеме – дискретные
уровни
«гармоники»
Нулевое состояние отделяет от КК-возбуждений массовая щель – это
принципиально для возможности удержания обычной материи (нулевой
моды) на бране. В пределе раскомпактификации щель исчезает, и
массовый спектр становится непрерывным. Плохо для феноменологии –
нарушение всех квантовых чисел. ДИ должны быть компактными, хоть и
большими !
Эффективная формулировка и сшивка 4D и ND теории
n=N-4: число дополнительных пространственных измерений
При каких условиях обычная 4D теория переходит в многомерную?
Как осуществить этот переход?
Эффективная теория и условия сшивки :
Переходом из 4 измерений в
многомерие управляет
фундаментальный многомерный
масштаб М – свободный параметр
многомерных теорий.
При энергиях ниже M теория – 4D,
выше М – ND.
Два других свободных параметра
многомерной теории, в общем
случае:
- радиус компактификации ДИ R и
- кривизна полного многомерного
пространства κ
Кривизна пространства
Прямая связь с космологией,
космологическая константа
Плоская геометрия, плоские компактные дополнительные
измерения (модели ADD-типа)
Гравитация в полном многомерном объеме, остальные
поля – на 3D бране
1
GN 4  
GN  4  d 
Vd 
Решение проблемы иерархии масштабов:
4D масса Планка – больше НЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ
параметр. Фундаментальный – многомерная
масса Планка, которая может быть сделана малой,
даже порядка ТэВ.
Модификация гравитационного потенциала в ED
Насколько большими могут быть дополнительные измерения?
1  M Pl 
R~M 

 M 
2n
~ 1032 n 10 17 sm
Многомерное пространство с кривизной
(warped ED’s, модели RS-типа)
Lisa Randall, Ramon Sundrum, 1999
Ненулевая кривизна – ненулевая
космологическая постоянная
4D Λ ≠ 0, 5D Λ ≠ 0,
но на ЛЮБОМ 4D «срезе» две
эти ненулевые величины
компенсируют друг друга
как бы плоская эффективная метрика на 4D границе
Многомерное пространство с кривизной
Пятимерное пространство
анти де Ситтера
Индуцированная (эффективная)
4D метрика на бране:
Решение проблемы иерархии
масштабов:
стягивающий (warp) фактор, в зависимости
от пятой координаты
Стандартный калуца-кляйновский подход
(4+1)D-теория свободного скалярного поля. Одно
компактное дополнительное пространственное
измерение с условием периодичности по доп. коорд.:

2
   1,1,1,..  1; (   -  y )  0,
КК-декомпозиция:
2
n
p  p  2  m2
R

 ( x, y)  e
ip p

e
in
  0,1,2,3
y
R
массы КК-мод
n  0,1,2,...
,
угловой момент
Существует однородная нулевая мода с m=0, распространяющаяся вдоль браны
(модуль). 4D-лоренц-инвариантность не нарушена, трансляционная инв-ть
нарушена в направлении, перпендикулярном бране
mKK не ниже ТэВ (из эксперимента)

 ( x, y )  e  e
Несколько ED:
по-прежнему одна
нулевая мода, но
2
n
2
i
много КК-мод с фиксир. m 
{ n}
массой
Ri2
ip p

in1
y1
R1
e
in 2
y2
R2
...e
in N
yN
RN
,
y1,... y N  R1 ,...RN
Локализация фермионов в фиксированных точках толстой браны
N.Arkani-Hamed, M.Schmaltz ’99
Локализуются только левые фермионы
вводим правые через зарядовое сопряжение
(Q,U c , D c , L, E c )
 0 

C5   0 2 5  
0




«Геометрическое» подавление нежелательных процессов, типа B- и Lнарушающих переходов (нет симметрии ароматов на малых
расстояниях)
Подходяще малые юкавские константы связи в хиггсовском секторе
без апеллирования к глобальным нарушенным симметриям
S   d 5 x i [i 5  ( x5 )  m]ij  j
i, j
- Взаимодействие и смешивание
между поколениями определяется
единственным параметром –
расстоянием между точками
локализации ароматов
- Стабилизация отн. распада протона !
Взаимодействие в хиггсовском секторе (правые фермионы представлены
через зарядово-сопряженные левые компоненты):
S   d 5 x L [i 5  (x 5 )] L  E c [i 5  ( x5 )  m]E c  HLT C5 E c
x5  0
x5  r  m 2 2
e
  2r 2 / 2
нулевая мода хиггса, распространяющаяся вдоль
толстой браны (нелокализованная на расстоянии
порядка толщины браны)
Взаимодействие с калибровочным сектором – зарядовая универсальность
2
для нулевой моды GB и слабые нарушения на масштабе выше 
когда открываются
дополнительные измерения
Черные дыры в многомерных териях :
предложение по наблюдению на LHC
Черные дыры
Масса и кривизна
Решение уравнения Эйнштейна
для метрики Шварцшильда
Излучение с горизонта ЧД: квантовомеханический процесс
Черные дыры в многомерных теориях гравитации
- Многомерный фундаментальный планковский масштаб снижается, возможно,
до ТэВ.
- Рождение черной дыры на ускорителе становится возможным – микро BH.
Черная дыра образуется на ускорителе, когда две
сталкивающихся частицы сближаются на расстояние
меньше шварцшильдовского радиуса для ЧД
соответствующей массы.
Вероятность этого события
зависит от порога рождения
(фундаментальной
многомерной массы), и от
достижимой на ускорителе
энергии.
Тэватрон – слишком
низкая энергия.
LHC – гипотетически может
быть достаточной.
Микро ЧД распадается на обычные частицы за
характерные времена порядка 10-20 с.
НЕ ОПАСНО !!!
Стадии эволюции ЧД:
I. Изначально – керровская (вращающася) ЧД.
«Сбрасывание» углового момента за счет
излучения векторных бозонов и превращение
ЧД в стационарную шварцшильдовскую.
II. Термальное излучение с горизонта
(квантово-механическое туннелирование),
механизм, предложенный Хокингом.
Равновероятное испускание ВСЕХ частиц СМ,
Характерное отношение
адроны/лептоны : 5/1
Потеря массы и нагрев, ускорение темпа
излучения
III. Финальная стадия – взрывной финал.
Остаток ЧД разваливается на конечное число
фрагментов.
Характерная экспериментальная сигнатура для рождения ЧД на ускорителе
«Странный» экспериментальный сигнал, четко и безошибочно отличающийся
от обычных событий, наблюдаемых на ускорителях.
Обычное событие взаимодействия
в рамках СМ, характерно
вытянутое распределение продуктов
распада, вдоль некоторой оси.
Событие рождения и распада ЧД:
термальное изотропное излучение
всех частиц СМ, максимально
сферичное событие
Удобная для жизни Вселенная –
случайная Вселенная?
Антропный принцип и границы познания
Наблюдаемая Вселенная – уникальная временная «голограмма»
Великие случайные совпадения
Первое и главное случайное совпадение начинается с размерности
нашей Вселенной :
3D: нет ДИ, обычный мир, 1/R2 в законе тяготения F = G(m1 x m2)(1/R2)
4D-d: одно ДИ : 1/R3 , вместо 1/R2
5D: два ДИ : 1/R4
6D: три ДИ : 1/R5
Только для случая 3D существуют устойчивые орбиты планет и электронов
в атомах !
Прописка по случайному
совпадению
Удачный выбор места для жизни
1. «Экологичное жилье»: жизнь
возможна только «на окраине»
Галактики, подальше от
неспокойного ядра и бурной
жизни плотнозаселенной
центральной области.
2. «Таунхаус» : не слишком
далеко от Солнца, но и не
слишком близко
Малая разница в массах нейтрона и протона – возможность существования
связанного состояния, стабильность ядра. Также – не слишком высокий темп
распада нейтрона – возможность первичного нуклеосинтеза в ранней Вселенной
Углерод – ключевой элемент для белковой жизни.
Две стадии образования, в звездном синтезе:
8Be (нестабильный
1. Две альфа-частицы
изотоп)
2. Добавление третьей альфа-частицы (0.3 МэВ)
Первые три уровня ядра
12С
: 4.43 МэВ, 7.65 МэВ, 9,64 МэВ
Ф. Хойл, 1953 г.
Нестабильность: Вселенная на кончике ножа
Л.Б. Окунь из работы
«Фундаментальные константы
Физики» (про уровни в ядре
12С ):
«…Какой малый запас прочности
у всего, что нам так дорого!»
Антропный принцип
Восток и Запад
В мире приоритет выдвижения антропного принципа признается за Брэндоном
Картером (1973) и отчасти за Робертом Дикке (1961).
Однако в СССР сходные идеи высказывались заметно раньше.
Григорий Моисеевич Идлис в 1957—1958 годах рассматривал Вселенную
как «типичную обитаемую космическую систему» и отмечал, что ее выделяет
из всех возможных миров наличие необходимых и достаточных условий
для существования жизни.
Абрам Леонидович Зельманов сформулировал подобные идеи даже раньше,
в 1955 году, а в 1970-м, еще до выступления Картера, дал им очень емкую
формулировку:
«...мы являемся свидетелями процессов определенного типа потому, что
процессы иного типа протекают без свидетелей».
Однако работы отечественных астрофизиков не были известны на Западе,
так что там антропный принцип был позднее сформулирован совершенно
независимо.
Сильный антропный принцип:
теория креацианизма
Вселенная ДОЛЖНА быть такой, и с такими
условиями и параметрами, чтобы была возможной
жизнь человека
Поддерживается религией,
критикуется наукой.
НЕСЛУЧАЙНАЯ
Вселенная
Слабый антропный принцип :
Мы наблюдаем процессы определенного типа в нашей Солнечной системе и во
Вселенной в целом потому, что эти процессы протекают таким образом, что
допускают наличие наблюдателя (С. Вайнберг).
Фундаментальные параметры и различные условия во Вселенной допускают
возникновение и существование жизни.
«Случайная Вселенная». Или она
выглядит так для нас, потому что
мы пока не поняли закономерности
Антропный принцип и значение космологической константы (КК)
Антропный принцип
(слабая формулировка)
«Структурный» принцип, допускающий
существование жизни (как хорошо
организованных объектов, на всех
уровнях, от галактик и планет до
отдельных живых существ).
Удивительно, но этот принцип
не является умозрительным, но
реально позволяет предсказать
много параметров нашей Вселенной
S.Weinberg ’88(!): успешное предсказание величины КК гораздо раньше любых
экспериментальных данных на этот счет, основывалось ТОЛЬКО на
рассмотрении возможности формирования галактических структур, в зависимости
от величины КК.
Два флуктуирующих скалярных поля производят вечную инфляцию.
A. Линде 90 гг.
А. Линде “Самовоспроизводящаяся инфляционная Вселенная”, 1994
Мультивселенная, состоящая из не связанных друг с другом независимых
вселенных. В виде варианта, между составляющими вселенными могут быть
«переходы», созданные кротовыми норами
Мультивселенная и проблема КК
Стохастический подход: гигантское (бесконечное, в ряде моделей) число
вакуумов в ТС
Вакуумы метастабильны
распад в состояния с наинизшей энергией
компактификация
множество секторов со стабильным вакуумом:
множество наборов параметров g, Λ,  и даже наборов различных метрик!
(сектора независимы – меду ними нет взаимодействия)
Мультивселенная с набором стабильных секторов работает, как эффективный
сканер различных значений Λ и других UV-чувствительных параметров.
естественность
статистическая значимость
Рассмотрим вакуумы с нарушенной SUSY, на произвольном масштабе . Какое
значение MSUSY будет предпочтительнее - порядка 1 TeV (естественная
стабилизация массы хиггса), или гораздо выше?
Λ: настроено с точностью
: настроено с точностью 10-15
10-60
Зависит от числа вакуумов
(1040 vs 10200) – ККП является более
значимым фактором при выборе !
Два финальных замечания о
процедуре построения
«окончательной» теории.
1. Возможность верификации и
фальсификации теории – критерий
ее научности.
2. Любые новые теоретические конструкции
с неизбежностью наследуют старый опыт –
философски слабое место процесса
эвлюции знания. «Шоры» прошлого.
Несмотря ни на что, физики все-таки
надеются преуспеть в построении
Окончательной Теории Всего