Багатовимірна гравітація та темна матерія, Темна матерія та темна енергія
Вчені МІФІ вивчають ефекти додаткових просторів у фізиці частинок та космології. Нині існують десятки теоретичних моделей, здатних пояснити такі аспекти фізики високих енергій, як темна матерія, інфляційна теорія, баріосинтез, механізм Хіггса та ін. Відкриття прискореного розширення Всесвіту підштовхнули розвиток як спостережної, і теоретичної космології. Все виразніше видно зв'язок між космологічними процесами в ранньому Всесвіті та фізикою елементарних частинок. Теорії з додатковими компактними вимірами (багатомірна гравітація) показали свою ефективність у поясненні ряду явищ як у космології, так і у фізиці елементарних частинок, таких як інфляція, баріонна асиметрія, чорні дірки та темна матерія. У зв'язку з цим багатовимірна гравітація може стати однією з основ фундаментальної теоретичної фізики. Сьогодні теорії з додатковими просторами є актуальним напрямом досліджень теоретичної фізики.
У свою чергу, розвиток колайдерної техніки призвело до відкриття великої кількості нових частинок, що стало блискучим підтвердженням Стандартної Моделі (СМ) фізики частинок. Справжнім тріумфом СМ стало відкриття бозона Хіггса в експериментах на LHC CERN. Однак, незважаючи на успіхи СМ у поясненні фізики високих енергій, існує низка питань і проблем, які не знаходять свого пояснення в її рамках. До них, наприклад, належать пояснення феномена баріонної асиметрії, походження поля Хігсса, утворення ранніх квазарів та багато іншого.
На кафедрі №40 НДЯУ МІФІ в одній із группід керівництвом доктора фізико-математичних наук, професора С.Г. Рубіна розвивається теоретичний напрям, основу якого лежить ідея багатовимірної гравітації.
Протягом останніх кількох років на основі цього підходу вдалось отримати цікаві результати. Так, у дисертації одного із співробітників кафедри Олексія Гробова "Ефекти додаткових просторів у фізиці частинок та космології " запропоновані та розроблені ним моделі базуються на ідеях багатовимірної гравітації та дозволяють просунутися у розумінні взаємозв'язків астрофізичних явищ та фізики мікросвіту.
У своїй роботі Олексій розглядає, як додаткові простори можуть проявляти себе у нашому Всесвіті."Можна уявити Всесвіт як багатовимірну складну структуру, і, з чотиривимірної точки зору, багатовимірність Всесвіту виявлятиметься в існуванні частинок ", – зазначив учений.
У науковій групі ґрунтуються на тому, що Всесвіт народився з несиметричними спотвореними додатковими просторами, які, еволюціонуючи, поступово перетворювалися на стійку конфігурацію. У процесі симетризації додаткових просторів з'являються калібрувальні симетрії, що дозволяє пояснити явище баріонної асиметрії. Баріонна асиметрія Всесвіту - спостерігається переважання у видимій частині Всесвіту речовини над антиречовиною. Передбачається, що баріонна асиметрія може бути пов'язана з наявністю темної матерії. Пошук первинної антиматерії та темної матерії є дуже важливим, оскільки неможливо інтерпретувати деякі результати експериментів стандартним способом."Наприклад, відомий ефект, виявлений на експерименті ПАМЕЛА, інтерпретується як існування темної матерії, яка анігілює з утворенням позитронів. Виявлення ж у космічнихпроменях антиядер вказуватиме на існування первинної антиматерії, утвореної на початковому етапі еволюції Всесвіту ".
У фізиці елементарних часток дуже важливими є симетрії. У багатовимірній гравітації симетрія, яка має додатковий простір, призводить до симетрії, що спостерігається в лагранжіані і законів збереження (теорема Нетер)."Відомо, наприклад, що симетрія фізичних законів щодо зрушень у часі означає еквівалентність кожного моменту часу, що призводить до закону збереження енергії. Якщо порівняти радіоактивний розпад у різні моменти часу за однакових умов, то фізичний закон не зміниться. Симетрія щодо зрушень системи в просторі означатиме однорідність простору, що призводить до закону збереження імпульсу. Симетрія щодо поворотів у просторі призводить до закону збереження моменту імпульсу.
В результаті виконаної роботи вперше було показано, що релаксаційні процеси метрики додаткового простору з топологією тора призводять до надлишку баріонів, що спостерігається."Ми розглянули процеси симетризації додаткового спочатку несиметричного простору, і до чого вони приводять. Тим самим була побудована космологічна модель, що дозволяє описати утворення баріонної асиметрії Всесвіту, заснована на обліку еволюції додаткового простору".
Зараз все вказує на те, що в центрах галактик присутні надмасивні чорні дірки з масою мільйони і мільярди мас Сонця. В астрофізиці існують механізми, здатні пояснити утворення таких чорних дірок. Однак дані спостережень вказують на існування чорних дірок настільки масивних і настільки ранощо утворилися, що їхню появу важко пояснити стандартним чином. Підхід, що розвивається у науковій групі професора С.Г. Рубіна дозволяє показати, що еволюція скалярних полів на інфляційній стадії розвитку Всесвіту призводить до формування в нашому Всесвіті первинних чорних дірок у широкому діапазоні мас, що дає можливість описати процес реіонізації та утворення ранніх квазарів.
Робота, виконана в теоретичній групі кафедри №40, показує, що припущення про існування додаткових просторових вимірів надає широкі можливості для пояснення різноманітних явищ та ефектів космології та фізики частинок.