Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ПРОБЛЕМА ИЕРАРХИИ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

ПРОБЛЕМА ИЕРАРХИИ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Надо сказать, что бозон Хиггса — лишь верхушка айсберга. Каким бы интересным он ни был, его получение вовсе не является единственной целью ученых. Возможно, главный повод изучать масштаб слабого взаимодействия заключается в том, что никто не считает хиггс единственной неизвестной величиной. Физики предполагают, что бозон—лишь один из элементов гораздо более сложной модели, которая сможет многое рассказать нам о природе вещества и пространства.

Дело в том, что бозон Хиггса — единственная ниточка, ведущая нас к решению другой громадной загадки, известной как проблема иерархии. Проблема иерархии касается вопроса о том, почему массы частиц — и масса хиггса, в частности — принимают именно те значения, которые мы знаем. Почему масштаб масс, соответствующий слабому взаимодействию, — а именно он определяет массы элементарных частиц — в десять тысяч триллионов раз (иначе говоря, в 10¹⁶раз) меньше, чем масса Планка, определяющая силу гравитационного взаимодействия (рис. 54).

Громадность массы Планка относительно слабой массы соответствует относительной слабости гравитационного взаимодействия, сила которого обратно пропорциональна массе Планка. Если эта масса так велика — а мы это знаем, — то сила тяготения должна быть чрезвычайно слабой.

Факты говорят о том, что тяготение — самое слабое из всех известных взаимодействий. На первый взгляд тяготение не кажется очень уж слабым, но только потому, что каждого из нас притягивает вся громадная масса Земли. Если вместо этого рассмотреть гравитационное притяжение между двумя электронами, то выяснится, что она на 43 порядка величины меньше силы электромагнитного взаимодействия между ними. Гравитация, действующая на элементарные частицы, пренебрежимо мала. В этом контексте проблема иерархии звучит примерно так: почему сила гравитационного взаимодействия настолько слабее остальных известных нам фундаментальных сил?

РИС. 54. Проблема иерархии в физике элементарных частиц: масштаб энергий слабого взаимодействия на 16 порядков меньше, чем планковский масштаб, связанный с гравитацией. Соответственно, планковская длина намного меньше расстояний, доступных БАКу

РИС. 55. Квантовый взнос в массу бозона Хиггса со стороны тяжелой частицы (к примеру, обладающей массой масштаба Теории великого объединения) и ее античастицы (слева) и со стороны виртуального истинного кварка и его антикварка (справа)

Специалисты по физике элементарных частиц не любят, когда столь большие числа, как отношение массы Планка к массе слабого взаимодействия, остаются необъясненными. Согласно квантовой теории поля, объединяющей в себе квантовую механику и специальную теорию относительности, особой разницы между этими двумя показателями быть не должно. Для теоретиков это очень серьезно. По существу, квантовая теория поля утверждает, что масса слабого взаимодействия и массовая константа Планка должны быть примерно равны.

В квантовой теории поля масса Планка важна не только потому, что определяет масштаб, на котором сильна гравитация. Помимо всего прочего это масса, на которой существенны и гравитация, и квантовая механика и на которой физические правила в том виде, в каком мы их знаем, должны нарушаться. Однако на более низких энергиях мы умеем проводить расчеты и составлять прогнозы на основе квантовой теории поля, и большое количество успешных предсказаний убеждает физиков в том, что эта теория верна. Более того, наиболее точно измеренные физические величины вполне согласуются с предсказаниями квантовой теории поля. Такая согласованность не случайна.

А вот при попытке применить те же принципы к бозону Хиггса и учесть квантово–механический вклад в его массу от виртуальных частиц возникают тревожные факторы. Получается, что виртуальный вклад практически любой известной нам частицы придает частице Хиггса массу, сравнимую с массой Планка. Такими промежуточными частицами могут быть как тяжелые объекты, такие как частицы с громадной массой масштаба Теории великого объединения (рис. 55, слева), так и обычные частицы Стандартной модели, такие как t–кварки (рис. 55, справа). Результат тот же; в любом случае виртуальная поправка делает массу хиггса слишком большой. Проблема в том, что дозволенные энергии виртуальных частиц, участвующих в обмене, могут достигать энергии Планка. В этом случае вклад их в массу хиггса может быть почти таким же большим. Но тогда масштаб масс, на котором спонтанно нарушается симметрия, связанная со слабым взаимодействием, тоже будет соответствовать энергии Планка, а это на 16 порядков большие величины — в десять тысяч триллионов раз — это слишком много!

Проблема иерархии очень остро стоит для Стандартной модели с одним бозоном Хиггса. Технически лазейка в этой структуре имеется. Масса хиггса без учета виртуальных составляющих может оказаться громадной и принимать именно то значение, чтобы скомпенсировать виртуальные составляющие как раз до необходимого нам уровня точности. Проблема в том, что это, хотя и возможно, означало бы, что надо аккуратно компенсировать шестнадцать десятичных знаков.

Все мы, физики, считаем, что проблема иерархии (именно под таким названием известна несогласованность масс) указывает на нечто большее — и лучшее — в фундаментальной теории. Пока ни одна простая модель не смогла полностью справиться с этой проблемой. Все перспективные варианты связаны с тем, чтобы расширить Стандартную модель и приписать ей новые свойства. Решение проблемы иерархии наряду с выяснением принципа действия механизм Хиггса является основной задачей БАКа — и темой следующей главы.