Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ГЛАВА 16. БОЗОН ХИГГСА

Утром 30 марта 2010 г. я проснулась и увидела у себя в почте целый кучу электронных писем с рассказами об успешном пуске и первых столкновениях с энергией 7 ТэВ, состоявшихся накануне ночью. Этот триумф ознаменовал начало реальной программы физических исследований на БАКе. Ускорение частиц и первые столкновения, имевшие место в конце 2009 г., были скорее техническими, чем научными достижениями. Они, конечно, были важны и для экспериментаторов, которые смогли наконец откалибровать свои детекторы на настоящих протонных столкновениях в коллайдере, а не на случайных космических лучах, пролетевших сквозь установку. Следующие полтора года детекторы в Европейском центре ядерных исследований будут регистрировать реальные данные, при помощи которых физики смогут проверить свои модели или наложить на них дополнительные ограничения.

Пуск прошел почти точно по плану. Коллеги–экспериментаторы считают, что это хорошо; еще накануне они высказывали мне свои опасения и говорили, что присутствие журналистов может помешать. Журналисты (и остальные присутствующие) стали свидетелями нескольких ложных стартов — отчасти благодаря установленным на БАКе защитным механизмам, готовым выключить систему сразу же, как только хотя бы что?нибудь пойдет не так. Однако несколько часов спустя все было в порядке: пучки циркулировали по кольцу коллайдера и сталкивались, как положено; газеты и новостные вебсайты получили массу красивых картинок для публикации.

Кстати, 7 ТэВ, достигнутые при столкновениях в марте 2010 г., — это лишь половинный для БАКа энергетический уровень. Реальную целевую энергию — 14 ТэВ — не планируется задействовать еще по крайней мере несколько лет. Светимость коллайдера — число протонных столкновений в секунду — тоже была намного ниже, чем возможно. Тем не менее в тот день мы смогли поверить, что наше понимание внутренней природы вещества скоро существенно продвинется вперед. А если все пойдет хорошо, то через пару лет БАК будет остановлен, приведен в порядок и вновь запущен уже в полную силу, чтобы дать нам наконец долгожданные ответы.

Одна из важнейших целей коллайдерных исследований — понять, чему фундаментальные частицы обязаны своей массой. Пог чему все вокруг не носится со скоростью света — а именно это делало бы любое вещество, если бы оно обладало нулевой массой? Ответ на этот вопрос зависит от группы частиц, известных вместе как сектор Хиггса и включающих, в частности, бозон Хиггса. В этой главе объясняется, почему этот бозон так важен для понимания феномена возникновения масс. Следующий эксперимент на БАКе, проведенный при более высоких светимости и энергии столкновения, должен в конце концов рассказать нам все о частицах и взаимодействиях.

МЕХАНИЗМ ХИГГСА

Ни один физик не сомневается в том, что на изученных нами до сих пор энергиях Стандартная модель работает. Результаты экспериментов согласуются с ее прогнозами с высокой точностью — лучше 1%.

Однако Стандартная модель полагается на один ингредиент, которого никто пока еще не наблюдал. Механизм Хиггса, названный по имени британского физика Питера Хиггса, — единственный известный нам способ, способный последовательно придавать массы элементарным частицам. Исходя из основных положений «наивной» версии Стандартной модели, ни калибровочные бозоны, передающие взаимодействия, ни сами элементарные частицы, такие как кварки и лептоны, не должны обладать какой?то ненулевой массой. Тем не менее измерения физических явлений ясно показывают, что те и другие ею обладают. Массы элементарных частиц необходимы для понимания многих явлений атомной физики и физики элементарных частиц, таких как радиус орбиты электрона в атоме или те крохотные расстояния, на которых работает слабое взаимодействие, не говоря уже о формировании структуры Вселенной. Кроме того, массы определяют, сколько энергии нужно для рождения элементарной частицы в соответствии с уравнением Е = mc². И все же в Стандартной модели без механизма Хиггса массы частиц навсегда остались бы загадкой.

Мысль о том, что частицы не имеют изначальных прав на свои массы, звучит весьма авторитарно. Казалось бы, каждая частица должна иметь возможность выбора, иметь ей ненулевую массу покоя или нет. Однако тонкая структура Стандартной модели и любой теории взаимодействий правит твердой рукой и не оставляет своим подданным свободы выбора. Она ограничивает типы дозволенных масс. Для калибровочных бозонов объяснение звучит немного иначе, нежели для фермионов, но базовая логика в том и другом случае имеет отношение к симметриям, лежащим в основе любой теории взаимодействий.

Стандартная модель физики элементарных частиц включает в себя электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, причем каждое взаимодействие связано с одним из типов симметрии. Без симметрии теория этих взаимодействий, основанная на квантовой механике и специальной теории относительности, предсказывала бы для калибровочных бозонов — частиц, ответственных за передачу взаимодействий — слишком много колебательных режимов, или мод. Если теория не включает симметрию, теоретические расчеты дают бессмысленные предсказания: к примеру, что вероятность высокоэнергетических взаимодействий выше, чем вероятность случайных колебательных мод. Ясно, что в любом точном описании природы такие нефизические частицы — частицы, которые не могут в реальности существовать, потому что колеблются не в том направлении — должны быть заранее исключены.

Можно сказать, что симметрии действуют как спам–фильтры или, может быть, скорее как контроль качества. В любой теории взаимодействий симметрии действуют как фильтры и отбрасывают те элементы, которые неправильно себя ведут. Дело в том, что взаимодействия между нежелательными частицами не уважают симметрий, тогда как частицы, взаимодействующие с сохранением необходимых симметрий, колеблются, как надо. Таким образом, симметрии гарантируют, что теоретические прогнозы касаются только физических частиц, а потому имеют смысл и должны совпадать с результатами экспериментов.

Исходя из вышесказанного симметрии позволяют сформулировать теорию взаимодействий более тонко. Вместо того чтобы исключать в каждом расчете нефизические режимы по одному, симметрии одним широким взмахом исключают из расчета сразу все нефизические частицы. Любая теория с симметричными взаимодействиями рассматривает только физические колебательные режимы, поведение которых, собственно, мы и хотим описать.

Все это замечательно работает в любой теории взаимодействий, где переносчики этих взаимодействий имеют нулевую массу покоя. В симметричных теориях все предсказания в отношении высокоэнергетических взаимодействий имеют смысл, а участвуют в них только физические, то есть реально существующие в природе, колебания. Для безмассовых калибровочных бозонов задача высокоэнергетических взаимодействий решается относительно просто, потому что ограничения соответствующей симметрии устраняют из теории все нефизические, неправильно ведущие себя колебания.

Таким образом, симметрии решают одновременно две задачи: устранение нефизических колебаний и связанных с ними некорректных прогнозов.

Однако калибровочный бозон с ненулевой массой обладает дополнительным физическим — существующим в природе — режимом колебаний. Именно к этой категории относятся калибровочные бозоны, передающие слабое взаимодействие. Симметрии устранили бы слишком большую долю их колебательных режимов. Без какого?то нового, дополнительного ингредиента массы слабых бозонов никак не укладываются в Стандартную модель с ее симметриями. Для калибровочных бозонов с ненулевыми массами мы вынуждены учитывать неправильно ведущие себя колебания, а это значит, что решение задачи о высокоэнергетических взаимодействиях перестает быть таким уж простым. Чтобы теория давала разумные прогнозы, необходимо что?то еще.

Далее, ни одна из элементарных частиц Стандартной модели без учета модели Хиггса не может обладать ненулевой массой и соответствовать при этом всем симметриям теории взаимодействий. В присутствии симметрий, связанных с взаимодействиями, кварки и лептоны в безхиггсовской Стандартной модели тоже не могли бы обладать ненулевыми массами.

В главе 14 мы представили таблицу, в которой присутствуют как левые, так и правые фермионы — частицы, которые становятся парными при ненулевых массах. Кварки или лептоны, обладающие ненулевыми массами, порождают взаимодействия, которые превращают левые фермионы в правые. Но, чтобы левые и правые фермионы способны были превращаться друг в друга, те и другие должны участвовать в одних и тех же взаимодействиях. В то же время эксперименты показывают, что слабое взаимодействие иначе действует на левые фермионы, чем на правые, в которые могут превращаться массивные кварки и лептоны. Такое нарушение пространственной симметрии при первом знакомстве кажется поразительным. В конце концов, остальные известные законы природы не различают левое и правое. Но эта замечательная особенность — то, что слабое взаимодействие по–разному относится к левому и правому — была продемонстрирована экспериментально и представляет собой существенную характеристику Стандартной модели.

Тот факт, что левые и правые кварки и лептоны взаимодействуют по–разному, говорит о том, что без дополнительного ингредиента ненулевые массы кварков и лептонов никак не согласуются с известными физическими законами. Эти ненулевые массы связали бы частицы, несущие слабый заряд, с частицами, такого заряда не несущими.

Иными словами, поскольку слабый заряд несут только левые частицы, он может теряться. Судя по всему, заряд при этом уходит в вакуум — пространство, не содержащее никаких частиц. Вообще?то, такого происходить не должно. Заряды должны сохраняться. Если заряд может появляться и исчезать, симметрии, связанные с соответствующим взаимодействием, оказываются нарушенными — и у нас вновь появятся причудливые вероятностные прогнозы высокоэнергетических взаимодействий калибровочных бозонов. Заряды не должны волшебным образом появляться и исчезать, если вакуум на самом деле пуст и не содержит ни частиц, ни полей.

Но заряды вполне могут появляться и исчезать, если вакуум на самом деле не пуст, а содержит поле Хиггса, которое придает ему слабый заряд. Поле Хиггса, даже если оно придает вакууму заряд, не состоит из реальных частиц. По существу, это распределение слабого заряда в пределах Вселенной, возникающее только тогда, когда само поле приобретает ненулевую величину. Когда поле Хиггса отлично от нуля, дело обстоит так, как будто Вселенная имеет неограниченные запасы слабого заряда. Представьте, что вы располагаете неограниченным источником денег. Вы можете раздавать деньги или брать их себе, и в вашем распоряжении по–прежнему будет оставаться неограниченная сумма. Примерно так же поле Хиггса насыщает вакуум неограниченным слабым зарядом. При этом оно нарушает симметрии, связанные с взаимодействиями, и позволяет зарядам уходить в вакуум и извлекаться из него, в результате чего возникают массы частиц.

Один из способов представить себе механизм Хиггса и происхождение масс состоит в том, что этот механизм позволяет вакууму вести себя подобно вязкой жидкости — полю Хиггса, пронизывающему вакуум, — несущей слабый заряд. Частицы, несущие этот заряд, такие как слабые калибровочные бозоны, а также кварки и лептоны Стандартной модели, могут взаимодействовать с этой «жидкостью», и это взаимодействие замедляет частицы. Такое замедление говорит об обретении частицами массы — ведь безмассовые частицы путешествуют сквозь вакуум со скоростью света.

Этот тонкий процесс, посредством которого элементарные частицы обретают массу, известен как механизм Хиггса. Он говорит нам не только о том, как частицы обретают массу, но и о свойствах этих масс. Механизм Хиггса объясняет, к примеру, почему одни частицы тяжелые, а другие — легкие. Дело в том, что у частиц, сильнее взаимодействующих с полем Хиггса, масса больше, а у тех, которые взаимодействуют слабее, масса меньше. Истинный, или t–кварк, самый тяжелый из всех, взаимодействует сильнее остальных. Электрон или u–кварк, обладающие небольшой массой, взаимодействуют намного слабее.

Механизм Хиггса позволяет также глубоко заглянуть в природу электромагнетизма и фотонов, которые передают это взаимодействие. Механизм Хиггса говорит нам, что массу обретают только те переносчики взаимодействия, которые взаимодействуют с распределенным в вакууме слабым зарядом. Калибровочные W- и ?–бозоны взаимодействуют с этим зарядом и потому обладают неисчезающей массой. Однако поле Хиггса, насыщающее вакуум и несущее слабый заряд, электрически нейтрально. Фотон не взаимодействует со слабым зарядом, и его масса остается нулевой. Таким образом, фотон — исключение.

Без механизма Хиггса в природе было бы три безмассовых слабых калибровочных бозона и еще один переносчик взаимодействия (тоже с нулевой массой), известный как гиперзарядный калибровочный бозон, и никто и никогда не стал бы вообще говорить о фотоне. Но в присутствии поля Хиггса только уникальная комбинация гиперзарядного калибровочного бозона и одного из трех слабых калибровочных бозонов не взаимодействует с зарядом в вакууме — и именно эта комбинация представляет собой фотон, передающий электромагнитное взаимодействие. Отсутствие у фотона массы имеет принципиальное значение для многих важных явлений, представляющих собой следствие электромагнетизма. Безмассовость фотона объясняет, почему радиоволны распространяются на гигантские расстояния, тогда как слабое взаимодействие ограничено расстояниями крохотными. Поле Хиггса несет слабый заряд, но не несет электрического. Поэтому фотон имеет нулевую массу и путешествует со скоростью света по определению, тогда как переносчики слабого взаимодействия массивны.

Не запутайтесь: фотоны — элементарные частицы. Но в определенном смысле первоначальные калибровочные бозоны были идентифицированы неверно, потому что они не соответствовали никаким физическим частицам, которые имеют определенные массы (возможно, нулевые) и проходят сквозь вакуум беспрепятственно. До тех пор пока нам не известны слабые заряды, распределенные по вакууму посредством механизма Хиггса, мы никак не можем определить, какие частицы обладают ненулевыми массами, а какие нет. В соответствии с зарядами, полученными вакуумом через механизм Хиггса, гиперзарядный калибровочный бозон и слабый калибровочный бозон при движении сквозь вакуум то и дело превращаются друг в друга, и мы не можем приписать ни одному из них определенной массы. С учетом слабого заряда вакуума можно утверждать, что только фотон и ?–бозон проходят сквозь вакуум, не меняя своей сущности, причем ?–бозон приобретает массу, а фотон — нет. Таким образом, механизм Хиггса делает исключение для одной конкретной частицы под названием «фотон» и для одного конкретного типа заряда — электрического, который фотон переносит.

Таким образом, механизм Хиггса объясняет, почему из всех переносчиков взаимодействий только фотон имеет нулевую массу. Он объясняет и еще одно свойство массы. Этот урок немного тоньше, но он дает нам возможность глубоко разобраться в том, почему механизм Хиггса допускает массы, которые хорошо согласуются с разумными высокоэнергетическими предсказаниями. Если представить себе поле Хиггса как жидкость, то можно вообразить, что при определении массы частиц плотность этой жидкости также имеет значение. А если мы представим эту плотность как результат действия зарядов, расположенных на фиксированных расстояниях, то получится, что одни частицы пролетают настолько маленькие расстояния, что никогда не встречаются со слабым зарядом, — они движутся так, как если бы обладали нулевой массой; частицы же, проходящие большие расстояния, неизбежно сталкиваются со слабыми зарядами и замедляются.

Все вышесказанное соответствует тому факту, что механизм Хиггса связан со спонтанным нарушением симметрии, связанной со слабым взаимодействием, а это нарушение симметрии связано с определенным масштабом.

Спонтанное нарушение симметрии возникает в тех случаях, когда симметрия присутствует в законах природы — как в теории фундаментальных взаимодействий, — но нарушается в реальном состоянии системы. Как мы уже говорили, симметрии должны существовать по причинам, связанным с высокоэнергетическим поведением частиц в этой теории. Тогда единственное решение заключается в том, что симметрии существуют, однако спонтанно нарушаются, чтобы слабый калибровочный бозон мог обладать массой, но избегать при этом «неправильного» поведения при высоких энергиях.

Механизм Хиггса основан на представлении о том, что симметрия на самом деле — это часть теории. Законы природы предполагают симметрию. Но реальное состояние окружающего мира игнорирует ее. Вообразите себе карандаш, который сначала стоит торчком (симметрично), а потом падает, выбирая тем самым одно определенное направление. Пока карандаш стоял, все направления для него были одинаковы, но при его падении симметрия нарушается. Таким образом, лежащий карандаш спонтанно нарушает симметрию, которая для стоящего карандаша соблюдалась.

Точно так же механизм Хиггса спонтанно нарушает симметрию слабого взаимодействия. Это означает, что законы физики предусматривают симметрию, но для вакуума, насыщенного зарядом слабого взаимодействия, симметрия нарушается. Поле Хиггса, пронизывающее Вселенную несимметричным образом, нарушает симметрию слабого взаимодействия, которая без него соблюдалась бы, и позволяет элементарным частицам обзаводиться массой.

Помещая в вакуум некий заряд, механизм Хиггса нарушает симметрию, связанную со слабым взаимодействием, причем делает это на определенном масштабе. Этот масштаб задается распределением слабых зарядов в вакууме. На высоких энергиях или на маленьких расстояниях частицы не встречают никаких слабых зарядов и потому ведут себя как безмассовые. Это означает, что на маленьких расстояниях (или на высоких энергиях, что эквивалентно) симметрия, судя по всему, соблюдается. Однако на больших расстояниях слабый заряд действует в некоторых отношениях как сила трения и замедляет частицы. Похоже, что поле Хиггса придает частицам массу только на низких энергиях, то есть на относительно больших расстояниях.

Именно это нам и нужно. Опасные взаимодействия, которые не имели бы смысла для массивных частиц, применимы только на высоких энергиях. На низких энергиях частицы могут — и должны, как показывают эксперименты — обладать массой. Механизм Хиггса, спонтанно нарушающий симметрию слабого взаимодействия, — единственный известный нам способ обеспечить такое положение вещей.

Хотя мы до сих пор не видели частиц, ответственных за механизм Хиггса, который, в свою очередь, отвечает за массы элементарных частиц, у нас имеются экспериментальные свидетельства того, что механизм Хиггса в природе существует. Его действие мы много раз наблюдали в совершенно ином контексте: а именно в сверхпроводящих материалах. Сверхпроводимость возникает тогда, когда электроны образуют пары и эти пары пронизывают весь материал. Так называемый конденсат в сверхпроводниках состоит из электронных пар, играющих ту же роль, что и поле Хиггса в приведенном выше примере.

Но в сверхпроводнике конденсат переносит не слабый заряд, а электрический. То есть конденсат как бы придает массу фотону, который передает электромагнитное взаимодействие внутри сверхпроводника. Масса экранирует заряд; это значит, что внутри сверхпроводящего материала электрическое и магнитное поля далеко не распространяются, а силы спадают очень быстро на коротких расстояниях. Квантовая механика и специальная теория относительности утверждают, что расстояние экранирования внутри сверхпроводника есть прямое следствие фотонной массы, которая существует только в сверхпроводящем субстрате. В этих материалах электрические поля не могут проникать дальше, чем на расстояние экранирования, потому что фотон, отражаясь от пронизывающих сверхпроводник электронных пар, обретает массу.

Механизм Хиггса работает аналогичным образом[52]. Но вместо электронных пар (несущих электрический заряд), пронизывающих вещество, мы говорим здесь о поле Хиггса (несущем слабый заряд), пронизывающем вакуум. А вместо фотона и его массы, экранирующей электрический заряд, речь идет о слабых калибровочных бозонах и их массах, экранирующих слабый заряд. Слабые калибровочные бозоны обладают ненулевой массой, поэтому слабое взаимодействие эффективно лишь на очень малых субъядерных расстояниях.

Поскольку это единственный непротиворечивый способ объяснить существование массы у слабых калибровочных бозонов, физики уверены, что механизм Хиггса в природе действует. И мы считаем его ответственным не только за массы слабых калибровочных бозонов, но и за массы всех вообще элементарных частиц. У нас нет никакой другой непротиворечивой теории, которая позволила бы частицам Стандартной модели, несущим слабый заряд, обладать массой.

Вы преодолели очень сложный раздел книги, содержащий несколько абстрактных концепций. Представление о механизме Хиггса и поле Хиггса неразрывно связано с квантовой теорией поля и физикой элементарных частиц и далеко от любых явлений, которые человек может хотя бы вообразить. Поэтому позвольте мне еще раз коротко сформулировать некоторые основные положения. Если бы механизма Хиггса не было, мы вынуждены были бы отказаться либо от признания масс элементарных частиц, либо от обоснованных предсказаний, связанных с высокими энергиями. Но и то и другое представляет собой важную часть верной теории. Предлагаемое решение состоит в том, что законы природы предусматривают симметрию, но она может спонтанно нарушаться из?за ненулевой величины поля Хиггса. Нарушение симметрии вакуума позволяет элементарным частицам иметь ненулевую массу. Однако поскольку спонтанное нарушение симметрии связано с определенным диапазоном энергий (и расстояний), его действие сказывается только при низких энергиях. Речь идет об энергиях, соответствующих массам элементарных частиц, и о более низких энергиях (и, соответственно, о расстояниях, характерных для слабого взаимодействия и больших). Для этих энергий и масс действие гравитации пренебрежимо мало, и Стандартная модель (с учетом масс) верно описывает измерения в физике элементарных частиц. В то же время симметрия, предусмотренная законами природы, позволяет строить разумные высокоэнергетические прогнозы. Плюс к тому механизм Хиггса объясняет нулевую массу фотона как результат его невзаимодействия с пронизывающим Вселенную полем Хиггса.

Однако, хотя теоретически все это выглядит последовательно и логично, экспериментальные доказательства изложенных выше идей нам еще только предстоит получить. Даже Питер Хиггс признал важность подобной проверки. В 2007 г. он сказал, что математические построения кажутся ему очень убедительными, но «если это не подтверждено экспериментально, то это просто игра; все это необходимо проверить». Мы считаем предложенную Питером Хиггсом гипотезу верной, а потому ожидаем в самые ближайшие годы интереснейших открытий. Доказательства должны появиться на БАКе в виде одной или нескольких частиц; в простейшем варианте доказательством стала бы частица, известная как бозонХиггса, илихиггс.