Терблиг

Терблиг — это гипотетическая элементарная частица, существование которой предсказывается в некоторых расширениях Стандартной модели физики элементарных частиц, в частности, в теориях, постулирующих существование дополнительных пространственных измерений. Терблиг относится к классу гипотетических частиц, известных как калуц-клейновские возбуждения, и обычно ассоциируется с моделями, где гравитация может распространяться в дополнительные измерения, что потенциально объясняет её слабость по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями (проблема иерархии). Название «терблиг» (от англ. terblig) является искусственным и не имеет общепринятой этимологии; в научной литературе термин встречается редко и используется преимущественно в контексте спекулятивной физики и научно-популярных обсуждений.

История и происхождение концепции

Предпосылки появления

Идея о существовании дополнительных измерений, отличных от трёх пространственных и одного временно́го, восходит к работам Теодора Калуцы (1919) и Оскара Клейна (1926). В их теории (теория Калуцы — Клейна) пятое измерение компактифицировано (свёрнуто) до микроскопических размеров, что не позволяет наблюдать его непосредственно. При достаточно высоких энергиях частицы могут «почувствовать» это измерение, что приведёт к появлению спектра массивных возбуждений — так называемых калуц-клейновских (КК) частиц. Терблиг, согласно некоторым моделям, является одним из таких КК-возбуждений.

Развитие в XXI веке

В начале 2000-х годов, в связи с развитием теорий с большими дополнительными измерениями (модели Аркани-Хамеда — Димопулоса — Двали, ADD) и бранных миров (модель Рэндалл — Сундрум), интерес к гипотетическим частицам, таким как терблиг, возрос. В этих сценариях гравитация, в отличие от других взаимодействий, может распространяться в объёмные (bulk) измерения, а частицы Стандартной модели локализованы на трёхмерной бране. Терблиг в таких рамках может выступать как квант гравитационного поля, получивший массу за счёт взаимодействия с компактифицированными измерениями. Поиск терблигов и других КК-частиц был одной из мотиваций для экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, однако к середине 2020-х годов никаких экспериментальных свидетельств их существования обнаружено не было.

Теоретические основы и классификация

Связь с дополнительными измерениями

Согласно большинству моделей, терблиг возникает как возбуждение фундаментального поля (чаще всего гравитационного) по компактифицированным координатам. Масса терблига обратно пропорциональна характерному размеру дополнительного измерения R: \[ m_n \approx \frac{n\hbar}{Rc}, \] где \( n \) — целое число (уровень возбуждения), \( \hbar \) — редуцированная постоянная Планка, \( c \) — скорость света. Для размеров порядка планковской длины (~10\(^{-35}\) м) массы КК-частиц были бы порядка планковской массы (10\(^{19}\) ГэВ), что недостижимо для современных ускорителей. Однако в моделях с большими дополнительными измерениями размер \( R \) может достигать микронов, и тогда массы терблигов оказываются в тераэлектронвольтном (ТэВ) диапазоне.

Типы терблигов

Строгой классификации терблигов не существует, так как их свойства зависят от конкретной модели. Можно условно выделить несколько вариантов:

Наиболее часто в литературе под терблигом понимают именно частицу со спином 0 (скаляр), которая является квантом моды модулей — полей, описывающих форму и размер дополнительных измерений.

Физические свойства

Масса и энергия

Масса терблига не фиксирована и зависит от параметров модели (размера и числа дополнительных измерений, их топологии). В ADD-моделях масса основного состояния (\( n=1 \)) может составлять от 0,1 до 10 ТэВ. В моделях с «войд»-пространствами (например, модель Рэндалл — Сундрум I) частицы могут быть крайне лёгкими — порядка \( 10^{-3} \) эВ или даже меньше.

Стабильность

Большинство терблигов, вероятно, нестабильны. В зависимости от того, каким было исходное поле, они могут распадаться на фотоны, лептоны или адроны с временем жизни порядка \( 10^{-27} – 10^{-20} \) с. Исключение — лёгкие терблиги с массами менее 1 МэВ, которые могли бы быть стабильными и претендовать на роль тёмной материи, но это маловероятно, так как их рождение в ранней Вселенной было бы ограничено.

Взаимодействие с веществом

Терблиги, как гипотетические частицы, взаимодействуют с обычной материей крайне слабо. Если это гравитационные возбуждения, то сечение взаимодействия сравнимо с гравитационным (ничтожно мало). Если терблиг происходит от калибровочного поля (например, от электромагнитного), то он может участвовать в электромагнитном взаимодействии, хотя бы слабо. В любом случае регистрация таких частиц представляет собой серьёзную экспериментальную трудность.

Экспериментальные поиски

Поиски на коллайдерах

На Большом адронном коллайдере (БАК) в экспериментах ATLAS и CMS проводился поиск калуц-клейновских частиц, в том числе терблигоподобных объектов, по сигналам недостающей поперечной энергии (ET miss). Предполагалось, что терблиги, рождаясь в протон-протонных столкновениях, уносили бы энергию, не оставляя следов в детекторе. К концу 2010-х годов ограничения на массу таких частиц составили не менее 1,5 ТэВ для гравитационных КК-частиц и выше — для других моделей.

Астрофизические наблюдения

Некоторые модели предсказывают, что лёгкие терблиги могут испускаться при взрывах сверхновых или в аккреционных дисках чёрных дыр. Наблюдения звёздных вспышек и космических лучей накладывают ограничения на поток таких частиц. В частности, данные нейтринного телескопа IceCube использовались для поиска гипотетических частиц с массой до 10 МэВ, что косвенно затрагивает и параметры терблигов.

Критика и альтернативные теории

Концепция терблига не является общепринятой. Основной проблемой является отсутствие каких-либо экспериментальных указаний на существование дополнительных измерений в доступном масштабе. Многие физики считают, что если дополнительные измерения и существуют, то их размер настолько мал, что способен порождать частицы лишь с планковскими массами, что делает терблиги ненаблюдаемыми в обозримом будущем. Кроме того, альтернативные объяснения слабости гравитации (например, космологическая постоянная, тёмная энергия, самодуальные струны) не требуют введения большого числа гипотетических частиц.

Значение для фундаментальной физики

Несмотря на спекулятивный характер, терблиги (и более общий класс КК-частиц) остаются важным инструментом для проверки теорий объединения взаимодействий. Если бы терблиг был обнаружен, это стало бы прямым доказательством существования дополнительных пространственных измерений и указало бы на масштаб, на котором гравитация становится сравнимой с другими силами. Отсутствие таких сигналов на БАК вынуждает теоретиков пересматривать модели, либо сдвигая предсказанные массы в более высокую область, либо вводя более сложные топологии измерений.

Интересные факты

• Сам термин «терблиг» не имеет общепринятого происхождения; он может быть образован от комбинации слов «третий» (или «terra») и «блик» (нем. «Blick» — взгляд), однако в научной литературе это не зафиксировано.
• В научной фантастике терблиги иногда описываются как стабильные частицы тёмной материи, обладающие способностью слабо взаимодействовать с обычным веществом, что делает их «невидимыми». Например, в романе Г. Л. Олди «Чёрный Баламут» упоминается нечто похожее на терблиги, хотя без прямого названия.

Источники

1. Аркани-Хамед, Н., Димопулос, С., Двали, Г. «Большие дополнительные измерения и иерархия масс» // Physical Review D, 1999.
2. Рэндалл, Л., Сундрум, Р. «Альтернатива компактификации дополнительных измерений» // Physical Review Letters, 1999.
3. Грин, М., Шварц, Дж., Виттен, Э. «Теория суперструн». Т. 2, Изд-во «Мир», 1990.
4. Отчёты коллаборации ATLAS: «Поиск калуц-клейновских частиц в протон-протонных столкновениях при √s=13 ТэВ» // EPJ C, 2017.
5. Поляков, А.М. «Квантовая теория поля и критические явления» — общие принципы квантования в дополнительных измерениях.