Космомикрофизика

КОСМОМИКРОФИЗИКА, раздел теоретической физики, изучающий основы микро и макромира и их фундаментальную взаимосвязь, проявляющуюся в комплексном сочетании микрофизического, астрофизического и космологического эффектов. Появление космомикрофизики в конце 20 века - закономерный этап развития космологии и физики элементарных частиц. При макроскопическом описании физических процессов и явлений используются феноменологические параметры, физическая природа и значение которых определяются микроскопической теорией. Развитие моделей теории элементарных частиц и возникновение 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 современной космологии. Открытие в 1965 году теплового фонового электромагнитного излучения (реликтового излучения) подтвердило модель расширяющейся Вселенной. Температура этого излучения и его плотность энергии в современную 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 современной крупномасштабной структуры Вселенной.

Существование доминирующей тёмной энергии, однородно распределённой в современной Вселенной, указание на ускоренный характер современного расширения находят объяснение в моделях ненулевой энергии физического вакуума. Тем самым основы современной космологии и современной 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 космомикрофизика сочетает теоретические исследования, вычислительный эксперимент и все возможные способы получения косвенной информации в лабораторных экспериментах и астрономических наблюдениях. Основные принципы космомикрофизики предполагают, что такое единое описание существует (принцип существования) и определяет взаимное соответствие астрофизического, космологического и микрофизического 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 современной теории Вселенной - экспоненциальное расширение, бариосинтез, скрытую массу и тёмную энергию. Кроме того, модели теории микромира предсказывают дополнительные астрофизический, космологический и микрофизический эффекты, поиск которых обеспечит всестороннюю проверку моделей.

Одно из направлений исследования связано с анализом допустимых эффектов в астрофизических данных, обнаружить которые можно, изучая космологические следствия теории элементарных частиц, связанные с фундаментальной 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 других слабовзаимодействующих массивных частиц. Механизмы нарушения симметрии микромира определяют фазовые переходы в ранней Вселенной, в которых возможно образование топологических дефектов - магнитных монополей в моделях Великого объединения, космических 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. Космомикрофизика  анализирует возможное влияние этих эффектов на образование лёгких элементов в ранней Вселенной, формирование спектра реликтового излучения, образование нетеплового электромагнитного и нейтринного фона, космических лучей и, сопоставляя такое влияние с астрофизическими данными, налагает ограничение как на сами эффекты, так и на параметры очень ранней Вселенной и моделей элементарных частиц. В таком анализе выявляется необходимость целенаправленных экспериментальных исследований. Так, экспериментальное исследование взаимодействия антипротонов с ядрами гелия на установке LEAR в ЦЕРНе в 1980-х годах было проведено, чтобы связать параметры гипотетических источников аннигиляции антипротонов во Вселенной после космологического нуклеосинтеза с астрофизическими 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, космомикрофизика использует методы их косвенного изучения в поиске эффектов аннигиляции этих частиц в Галактике в потоках космических позитронов, антипротонов и гамма-фона, а также в нейтринных потоках от их аннигиляции в недрах Земли и Солнца. Фиксируя необходимые свойства частиц скрытой массы, космомикрофизика 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 других суперсимметричных частиц на ускорителях.

Космомикрофизика  (в зарубежной литературе употребляются названия «физика астрочастиц» и «астрофизика частиц») - приоритетное направление фундаментальных исследований во всём мире. Прогрессу космомикрофизики способствует повышение точности астрономических измерений космологических параметров (прецизионная космология), развитие методов численного моделирования структуры и эволюции астрофизических объектов, создание новых детекторов нейтрино и мюонов сверхвысоких энергий. Эти детекторы используют объёмы воды озёр, морей и океанов или льда Антарктиды, достигающие кубических километров, в качестве своего рабочего материала. Проводятся наземные эксперименты с космическими 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 космомикрофизики способствуют разработка и создание детекторов гравитационных волн, поиск эффектов космомикрофизики на ускорителях (в том числе на большом адронном коллайдере в ЦЕРНе).

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. М., 1975; Зельдович Я. Б., Хлопов М. Ю. Масса нейтрино в физике элементарных частиц и космологии ранней Вселенной // Успехи физических наук. 1981. Т. 135. № 9; Сахаров А. Д. Космомикрофизика - международная наука // Вестник Академии Наук СССР. 1989. № 4; Хлопов М. Ю. Основы космомикрофизики. М., 2004.