КОСМОМИКРОФИ́ЗИКА

КОСМОМИКРОФИ́ЗИКА, раз­дел тео­ре­тич. фи­зи­ки, изу­чаю­щий ос­но­вы мик­ро- и мак­ро­ми­ра и их фун­дам. взаи­мо­связь, про­яв­ляю­щую­ся в ком­плекс­ном со­че­та­нии мик­ро­фи­зич., ас­т­ро­фи­зич. и кос­мо­ло­гич. эф­фек­тов. По­яв­ле­ние К. в кон. 20 в. – за­коно­мер­ный этап раз­ви­тия кос­мо­ло­гии и фи­зи­ки эле­мен­тар­ных час­тиц. При мак­ро­ско­пич. опи­са­нии фи­зич. про­цес­сов и яв­ле­ний ис­поль­зу­ют­ся фе­но­ме­но­ло­гич. па­ра­мет­ры, фи­зич. при­ро­да и зна­че­ние ко­то­рых оп­ре­де­ля­ют­ся мик­ро­ско­пич. тео­ри­ей. Pазвитиe мо­де­лей тео­рии эле­мен­тар­ных час­тиц и воз­ник­но­вениe пред­став­ле­ний о но­вых фор­мах ма­те­рии, не­об­хо­ди­мых для са­мо­со­гла­со­ван­но­го опи­са­ния со­во­куп­но­сти на­блю­дае­мых яв­ле­ний во Все­лен­ной, вы­ве­ли взаи­мо­связь про­блем мик­ро- и мак­ро­ми­ра на но­вый уро­вень, на ко­то­ром они сли­ва­ют­ся, об­ра­зуя но­вое ка­че­ст­во.

Взаи­мо­связь фи­зи­ки мик­ро­ми­ра с кос­мо­ло­ги­ей ста­но­вит­ся не­об­хо­ди­мой опо­рой раз­ви­тия и тео­рии мик­ро­ми­ра, и совр. кос­мо­ло­гии. От­кры­тие в 1965 те­п­ло­во­го фо­но­во­го элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­чения (ре­лик­то­во­го из­лу­че­ния) под­твер­ди­ло мо­дель рас­ши­ряю­щей­ся Все­лен­ной. Темп-ра это­го из­лу­че­ния и его плот­ность энер­гии в совр. эпо­ху ма­лы, но, про­сле­жи­вая в про­шлое за­кон рас­ши­ре­ния, мы при­хо­дим к на­чаль­ной кар­ти­не плот­но­го и го­ря­че­го со­стоя­ния ве­ще­ст­ва с до­ми­ни­рую­щей плот­но­стью энер­гии из­лу­че­ния.

Для обос­но­ва­ния этих на­чаль­ных ус­ло­вий кос­мо­ло­гия об­ра­ща­ет­ся к пред­ска­за­ни­ям тео­рии эле­мен­тар­ных час­тиц и на их ос­но­ве вы­дви­га­ет ин­фля­ци­он­ную мо­дель Все­лен­ной, ко­то­рая объ­яс­ня­ет при­чи­ны рас­ши­ре­ния, од­но­род­ность на­блю­дае­мой час­ти Все­лен­ной и при­ро­ду ма­лых на­чаль­ных не­од­но­род­но­стей, при­во­дя­щих к об­ра­зо­ва­нию совр. круп­но­мас­штаб­ной струк­ту­ры Все­лен­ной.

Су­ще­ст­во­ва­ние до­ми­ни­рую­щей тём­ной энер­гии, од­но­род­но рас­пре­де­лён­ной в совр. Все­лен­ной, ука­за­ние на ус­ко­рен­ный ха­рак­тер совр. рас­ши­ре­ния на­хо­дят объ­яс­не­ние в мо­де­лях не­ну­ле­вой энер­гии фи­зич. ва­куу­ма. Тем са­мым ос­но­вы совр. кос­мо­ло­гии и совр. тео­рии мик­роми­ра сли­ва­ют­ся, фун­да­мент мик­ро- и мак­ро­ми­ра ока­зы­ва­ет­ся еди­ным. Изу­че­ние это­го еди­но­го фун­да­мен­та во всём мно­го­об­ра­зии его про­яв­ле­ний и яв­ля­ет­ся пред­ме­том кос­мо­мик­ро­фи­зи­ки.

Для еди­но­го опи­са­ния струк­ту­ры мик­ро- и мак­ро­ми­ра К. со­че­та­ет тео­ре­тич. ис­сле­до­ва­ния, вы­чис­лит. экс­пе­ри­мент и все воз­мож­ные спо­со­бы по­лу­че­ния кос­вен­ной ин­фор­ма­ции в ла­бо­ра­тор­ных экс­пе­ри­мен­тах и ас­тро­но­мич. на­блю­де­ни­ях. Осн. прин­ци­пы К. пред­по­ла­га­ют, что та­кое еди­ное опи­са­ние су­ще­ст­ву­ет (прин­цип су­ще­ст­во­ва­ния) и оп­ре­де­ля­ет вза­им­ное со­от­вет­ст­вие ас­т­ро­фи­зич., кос­мо­ло­гич. и мик­ро­фи­зич. про­яв­ле­ний (прин­цип со­от­вет­ст­вия), ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют пол­но­ту опи­са­ния струк­ту­ры мик­ро­ми­ра и Все­лен­ной и его про­вер­ки (прин­цип пол­но­ты). Суть этих прин­ци­пов в том, что тео­рия мик­ро­ми­ра долж­на не толь­ко объ­яс­нять на­блю­дае­мые свой­ст­ва из­вест­ных час­тиц, но и фи­зи­че­ски обос­но­вы­вать эле­мен­ты совр. тео­рии Все­лен­ной – экс­по­нен­ци­аль­ное рас­ши­ре­ние, ба­рио­син­тез, скры­тую мас­су и тём­ную энер­гию. Кро­ме то­го, мо­де­ли тео­рии мик­ро­ми­ра пред­ска­зы­ва­ют до­пол­ни­тель­ные ас­т­ро­фи­зич., кос­мо­ло­гич. и мик­ро­фи­зич. эф­фек­ты, по­иск ко­то­рых обес­пе­чит все­сто­рон­нюю про­вер­ку мо­де­лей.

Од­но из на­прав­ле­ний ис­сле­до­ва­ния свя­за­но с ана­ли­зом до­пус­ти­мых эф­фек­тов в ас­т­ро­фи­зич. дан­ных, об­на­ру­жить ко­то­рые мож­но, изу­чая кос­мо­ло­гич. след­ст­вия тео­рии эле­мен­тар­ных час­тиц, свя­зан­ные с фун­дам. струк­ту­рой тео­рии мик­ро­ми­ра. Так, по­яв­ле­ние но­вых сим­мет­рий в тео­рии при­во­дит к но­вым за­ря­дам и их за­ко­нам со­хра­не­ния, обес­пе­чи­ваю­щим ста­биль­ность са­мых лёг­ких час­тиц, об­ла­даю­щих эти­ми но­вы­ми за­ря­да­ми. Имен­но на­ли­чи­ем та­ких но­вых сим­мет­рий объ­яс­ня­ет­ся ста­биль­ность кан­ди­да­тов в час­ти­цы скры­той мас­сы Все­лен­ной – ак­сио­нов, ней­тра­ли­но в мо­де­лях су­пер­сим­мет­рии и др. сла­бо­взаи­мо­дей­ст­вую­щих мас­сив­ных час­тиц. Ме­ха­низ­мы на­ру­ше­ния сим­мет­рии микро­ми­ра оп­ре­де­ля­ют фа­зо­вые пе­ре­хо­ды в ран­ней Все­лен­ной, в ко­то­рых воз­мож­но об­ра­зо­ва­ние то­по­ло­гич. де­фек­тов – маг­нит­ных мо­но­по­лей в мо­де­лях Ве­ли­ко­го объ­е­ди­не­ния, кос­мич. ни­тей или сте­нок. Обу­слов­лен­ная мо­де­ля­ми эле­мен­тар­ных час­тиц не­од­но­род­ность очень ран­ней Все­лен­ной ве­дёт к об­ра­зо­ва­нию пер­вич­ных чёр­ных дыр, а не­од­но­род­но­сти ба­рио­син­те­за – к об­ра­зо­ва­нию до­ме­нов ан­ти­ве­ще­ст­ва во Все­лен­ной, в ко­то­рой в це­лом пре­об­ла­да­ет ве­ще­ст­во. К. ана­ли­зи­ру­ет воз­мож­ное влия­ние этих эф­фек­тов на об­ра­зо­ва­ние лёг­ких эле­мен­тов в ран­ней Все­лен­ной, фор­ми­ро­ва­ние спек­тра ре­лик­то­во­го из­лу­че­ния, об­ра­зова­ние не­те­п­ло­во­го элек­тро­маг­нит­но­го и ней­трин­но­го фо­на, кос­мич. лу­чей и, со­пос­тав­ляя та­кое влия­ние с ас­т­ро­фи­зич. дан­ны­ми, на­ла­га­ет ог­ра­ни­че­ние как на са­ми эф­фек­ты, так и на па­ра­мет­ры очень ран­ней Все­лен­ной и мо­де­лей эле­мен­тар­ных час­тиц. В та­ком ана­ли­зе вы­яв­ля­ется не­об­хо­ди­мость це­ле­на­прав­лен­ных экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ний. Так, экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ние взаи­мо­дей­ст­вия ан­ти­про­то­нов с яд­ра­ми ге­лия на ус­та­нов­ке LEAR в ЦЕРНе в 1980-х гг. бы­ло про­ве­де­но, что­бы свя­зать па­ра­мет­ры ги­по­те­тич. ис­точ­ни­ков ан­ни­ги­ля­ции ан­ти­про­то­нов во Все­лен­ной по­сле кос­мо­ло­гич. нук­лео­син­те­за с ас­т­ро­фи­зич. дан­ны­ми об оби­лии лёг­ких эле­мен­тов. Ре­зуль­та­ты экс­пе­ри­мен­та по­зво­ли­ли на­ло­жить жё­ст­кое ог­ра­ни­че­ние на па­ра­мет­ры гра­ви­ти­но и ло­каль­ные су­пер­сим­мет­рич­ные мо­де­ли, оп­ре­де­ляю­щие эти па­ра­мет­ры.

На­ря­ду с пря­мым по­ис­ком час­тиц скры­той мас­сы в под­зем­ных ла­бо­ра­то­ри­ях, К. ис­поль­зу­ет ме­то­ды их кос­вен­но­го изу­че­ния в по­ис­ке эф­фек­тов ан­ни­ги­ля­ции этих час­тиц в Га­лак­ти­ке в по­то­ках кос­мич. по­зи­тро­нов, ан­ти­про­то­нов и гам­ма-фо­на, а так­же в ней­трин­ных по­то­ках от их ан­ни­ги­ля­ции в не­драх Зем­ли и Солн­ца. Фик­си­руя не­об­хо­ди­мые свой­ст­ва час­тиц скры­той мас­сы, К. на­ла­га­ет ог­ра­ни­че­ния на па­ра­мет­ры мо­де­ли, ко­то­рая их пред­ска­зы­ва­ет. Так, в рам­ках мо­де­лей су­пер­сим­мет­рии кон­кре­ти­за­ция па­ра­мет­ров су­пер­сим­мет­рич­ных час­тиц скры­той мас­сы (в ча­ст­но­сти ней­тра­ли­но) ис­поль­зу­ет­ся для эф­фек­тив­но­го по­ис­ка др. су­пер­сим­мет­рич­ных час­тиц на ус­ко­ри­те­лях.

К. (в за­ру­беж­ной лит-ре упот­ре­бля­ют­ся наз­ва­ния «фи­зи­ка ас­т­ро­ча­стиц» и «ас­т­ро­фи­зи­ка час­тиц») – при­ори­тет­ное на­прав­ле­ние фун­дам. ис­сле­до­ва­ний во всём ми­ре. Про­грес­су К. спо­соб­ст­ву­ет по­вы­ше­ние точ­но­сти ас­тро­но­мич. из­ме­ре­ний кос­мо­ло­гич. па­ра­мет­ров (пре­ци­зи­он­ная кос­мо­ло­гия), раз­ви­тие ме­то­дов чис­лен­но­го мо­де­ли­ро­ва­ния струк­ту­ры и эво­лю­ции ас­т­ро­фи­зич. объ­ек­тов, соз­да­ние но­вых де­тек­то­ров ней­три­но и мюо­нов сверх­вы­со­ких энер­гий. Эти де­тек­то­ры ис­поль­зу­ют объ­ё­мы во­ды озёр, мо­рей и океа­нов или льда Ан­тарк­ти­ды, дос­ти­гаю­щие ку­бич. ки­ло­мет­ров, в ка­че­ст­ве сво­его ра­бо­че­го ма­те­риа­ла. Про­во­дят­ся на­зем­ные экс­пе­ри­мен­ты с кос­мич. лу­ча­ми сверх­вы­со­ких энер­гий, ох­ва­ты­ваю­щие сис­те­мой де­тек­то­ров мно­го­ки­ло­мет­ро­вые пло­ща­ди по­верх­но­сти Зем­ли, пре­ци­зи­он­ные экс­пе­ри­мен­ты в под­зем­ных ла­бо­ра­то­ри­ях по по­ис­ку час­тиц скры­той мас­сы и та­ких ред­ких про­цес­сов, как рас­пад про­то­на или двой­ной без­ней­трин­ный бе­та-рас­пад. Раз­ви­тию К. спо­соб­ст­ву­ют раз­ра­бот­ка и соз­да­ние де­тек­то­ров гра­ви­тац. волн, по­иск эф­фек­тов К. на ус­ко­ри­те­лях (в т. ч. на боль­шом ад­рон­ном кол­лай­де­ре в ЦЕРНе).