Кубанский государственный технологический университет

Гипотеза миллизарядов обретает второе дыхание

14-01-2012
Обычная материя состоит из кварков и электронов, и потому электрический заряд обычных тел кратен заряду электрона. Не исключено, однако, что в природе существуют и экзотические частицы со сверхмалым зарядом, которые до сих пор избегали прямого экспериментального обнаружения (изображение с сайта superphysics.tripod.com)

В некоторых квантово-полевых моделях нашего мира могут возникать частицы со сверхмалыми электрическими зарядами — «миллизаряды». Недавно выяснилось, что легкие миллизаряды способны объяснить загадочные результаты эксперимента PVLAS.

Вся совокупность данных, полученных экспериментальной физикой элементарных частиц, свидетельствует о том, что наблюдаемые в нашем мире частицы имеют электрический заряд, кратный заряду электрона.

Частиц с одной десятой, одной сотой и т. д. заряда электрона не обнаружено. Настоящих теоретиков это, впрочем, не останавливает. Теоретические исследования показали, что в некоторых моделях квантовой теории поля могут возникать частицы со сверхмалым зарядом (миллизаряды), зарегистрировать которые сегодняшние детекторы оказываются неспособны. Долгое время такие экзотические модели воспринимались лишь как математический курьез, но в свете недавних загадочных результатов эксперимента PVLAS интерес к ним вспыхнул с новой силой.

Гипотеза миллизарядов заключается в следующем. В нашем мире есть электромагнитное поле и заряженные частицы, которые это поле чувствуют. Предположим, что помимо них существует как бы вторая копия этого набора: еще одно поле, совсем никак не связанное с обычными электрическими зарядами, и еще один тип частиц материи, никак не чувствующий настоящее электромагнитное поле. Однако новые частицы чувствуют новое поле столь же хорошо, как и электроны чувствуют электрические поля.

В такой конструкции два мира — «обычные частицы плюс электромагнитные поля» и «новые частицы плюс новые поля» — живут параллельно, в одном и том же пространстве, буквально проходят друг сквозь друга, но никак друг на друга не влияют, разве что только гравитационно.

А что произойдет, если эти два типа полей — электромагнитное и новое — чуть-чуть смешиваются друг с другом? В этом случае квант электромагнитного поля — фотон — иногда на короткое время «оборачивается» квантом нового поля, «цепляющегося» за новые частицы материи. Это приводит к тому, что новые частицы будут отклоняться электрическими полями, правда очень слабо — словно если бы у них был электрический заряд на много порядков меньше заряда электрона.

Но раз миллизаряды взаимодействуют с электромагнитными полями, то они неизбежно будут рождаться в разнообразных реакциях столкновения. Напрямую их зарегистрировать крайне трудно — как раз из-за их нечувствительности к «обычному веществу», — но вот по косвенным признакам их присутствие обнаружить возможно. В частности, если миллизаряды существуют, то они смогут изменить поляризацию лазерного луча, летящего в вакууме через область с магнитным полем.

Именно такое изменение поляризации и наблюдалось в эксперименте PVLAS. Поскольку на основе Стандартной модели результаты этого опыта объяснить пока не удалось, теоретики попытались привлечь и экзотические квантово-полевые модели, в частности гипотезу миллизарядов. Анализ, проведенный в недавней статье H. Gies, J. Jaeckel and A. Ringwald, hep-ph/0607118, показал, что данные PVLAS неплохо описываются миллизарядами с массой 0,1 эВ (одна пятимиллионная массы электрона) и зарядом примерно в три миллионных доли заряда электрона.

Здравый смысл, правда, подсказывает, что подгонкой численных параметров можно зачастую описать что угодно. Объяснение результатов PVLAS через миллизаряды обрело бы гораздо больше сторонников, если бы в рамках какой-то теории удалось вычислить значения этих параметров. Именно такая попытка была сделана в работе S. A. Abel et al., hep-ph/0608248. Авторы показывают, что во многих разновидностях теории суперструн, в которых есть несколько копий полей, действительно возникает возможность их смешивания. Вычислить точно значение параметра смешивания, к сожалению, не удается, но авторы подчеркивают, что такие числа, как три миллионных, вполне естественно возникают в целом ряде моделей.

Эти работы, конечно, не означают, что миллизаряды уже открыты: пока что речь идет лишь о жизнеспособной гипотезе. Для ее подтверждения или опровержения потребуются как новые эксперименты (например, предлагаемые в статье hep-ph/0608238), так и дальнейшие теоретические исследования. На сегодняшний день нельзя поручиться, что эта довольно экзотическая модель не станет следующим громким открытием в физике элементарных частиц.

Игорь Иванов

гамма-всплеск?">‹‹