Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Глядя на изображения лептонов и кварков, нельзя не заметить некоторые закономерности. В обоих случаях у нас есть шесть типов частиц. И эти шесть типов в точности разбиваются на три пары, по две частицы в каждой, причем в каждой паре электрический заряд отличается от заряда соседней пары на единицу. Можно ли найти более глубокое объяснение такой закономерности? Можно, по крайней мере отчасти. Две частицы в каждой паре – например, электрон и его нейтрино – были бы совершенно идентичными, если бы не вездесущее поле Хиггса, заполнившее пустое пространство. Такая закономерность – демонстрация роли поля Хиггса в качестве нарушителя симметрий, и в следующих главах этой книги мы эту роль рассмотрим более внимательно.
«Неправильная» сила
Все объекты вокруг нас обладают размером и формой, и этим они обязаны фермионам Стандартной модели. А вот взаимодействовать этим фермионам друг с другом позволяют именно силы и связанные с ними частицы – бозоны. Фермионы могут притягивать или отталкивать друг друга, перебрасываясь бозонами. Также они могут терять энергию или распадаться на другие фермионы, выплевывая какие-то бозоны. Без бозонов фермионы просто летели бы вечно каждый по своей прямой, не взаимодействуя ни с чем остальным во Вселенной. И причина, по которой Вселенная стала столь сложной и интересной, в том, что все эти силы разные, и они толкают и тянут фермионы дополняющими друг друга способами.
Бозоны в Стандартной модели. (В этой книге мы включили и гравитоны в Стандартную модель, хотя это не всегда делается.)
Все эти бозоны электрически нейтральны, за исключением W-бозонов, и имеют нулевую массу, за исключением W– и Z-бозонов и бозона Хиггса.
Физики часто говорят, что существуют четыре силы природы, при этом они не включают в расчет поле Хиггса, и не только потому, что потребовалось много времени, чтобы его обнаружить. Бозон Хиггса отличается от других бозонов. У других бозонов – так называемых «калибровочных бозонов» – существует глубинная связь с основными симметриями природы, и об этом мы поговорим в главе 8. Гравитон, правда, тоже немного отличается от них. Каждая элементарная частица имеет определенный внутренний «спин». Фотон, глюоны и W– и Z-бозоны имеют спин, равный единице, в то время как спин гравитона равен двум. (См. Приложение 1, где о спине рассказано более детально.) Мы еще не знаем, как на гравитацию распространить требования квантовой механики, но, видимо, гравитон все же правильнее будет назвать калибровочным бозоном.
А вот бозон Хиггса совершенно иной. Его мы называем «скалярным» бозоном, а это значит, что он имеет нулевой спин. В отличие от калибровочных бозонов бозон Хиггса не навязан нам симметрией или любым другим глубоким принципом природы. Мир без поля Хиггса выглядел бы совсем иначе, но при этом прекрасно описывался бы непротиворечивой физической теорией. При всей его важности бозон Хиггса выглядит инородной заплаткой на красивой математической структуре Стандартной модели. Тем не менее это бозон, и, следовательно, другие частицы могут им перекидываться, а значит, возникает сила природы.
Бозон Хиггса является колебанием поля Хиггса, а поле Хиггса дало массу всем массивным элементарным частицам. Так что бозон Хиггса взаимодействует со всеми массивными частицами из нашего «зоопарка» – кварками, заряженными лептонами, а также W– и Z-бозонами. (Вопрос о массах нейтрино до сих пор полностью не закрыт, так что давайте делать вид, что они не взаимодействуют с полем Хиггса, хотя окончательный приговор по их делу еще не вынесен.) На самом деле все происходит наоборот: чем сильнее частица взаимодействует с полем Хиггса, тем большей массой она обрастает при перемещении в этом поле, заполняющем все пустое пространство.
Эта особенность бозона Хиггса – его взаимодействие с частицей тем сильнее, чем она массивнее – имеет решающее значение, когда дело доходит до изучения этого экзотического зверя на БАКе. Сам бозон Хиггса – тяжелая частица, и даже когда он рождается в какой-то реакции, мы не в состоянии непосредственно его увидеть, поскольку он очень быстро распадается на другие частицы. Мы знаем, что скорости его распада в разных реакциях разные: с некоторой вероятностью он будет распадаться, например, на W-бозоны, с другой – на нижние кварки, с третьей – на тау-мезоны и так далее. И эти значения вероятностей распада не произвольны – физики точно знают, как бозон Хиггса должен взаимодействовать с другими частицами (потому что знают массу каждой из них), поэтому можно достаточно точно вычислить ожидаемую вероятность различных видов распадов.
Но в действительности ученые очень хотят ошибиться. Конечно, это большая победа – обнаружить бозон Хиггса, но еще больше хочется найти что-то новое и удивительное. Поиск невидимых частиц, которые трудно создать и которые быстро распадаются на другие частицы, – сложная задача. Она требует терпения, точности в измерениях и тщательного статистического анализа. Хорошая новость состоит в том, что законы физики строги – предсказания того, что мы должны найти, не могут быть истолкованы двояко. Если окажется, что бозон Хиггса отличается от ожиданий ученых, это будет явным признаком того, что Стандартная модель дала сбой, и нам, наконец, открылось окно в новую физику.
Глава 4
История ускорителя
Мы узнаем об истории странного увлечения – сталкивать частицы друг с другом при все более высоких энергиях.
Когда мне было десять лет, в нашей местной библиотеке в Нижнем Баксе, штат Пенсильвания, я наткнулся на научный отдел, и чтение собранных там книг стало моим любимым занятием. Особенно мне нравились книги по астрономии и физике. Одной из книг, которую я штудировал с особой тщательностью, был скромный том под названием «Физика высоких энергий», написанный Хэлом Хеллманом. Я начал изучать эту книгу в конце 1970-х, а написана она была в 1968-м, то есть до того, как была сформулирована Стандартная модель, когда «кварки» еще были экзотическими и страшноватыми теоретическими моделями. Но адроны – частицы, которые, как мы теперь знаем, состоят из кварков и глюонов, – уже были обнаружены: в журнале High Energy Physics было полно четких фотографий треков этих частиц, и в каждой угадывался мимолетный проблеск тайны природы.
Многие из этих фотографий были сделаны на громадном Беватроне – одном из главных ускорителей частиц, работавшем в 1950-1960-е годы. Беватрон был построен в Беркли, в штате Калифорния, но его название произошло не от Беркли, а от слов Billion Electron Volt (биллион, или по-русски миллиард, электронвольт), то есть максимальной энергии, которой удалось добиться на этом ускорителе. (Позже мы расскажем, что электронвольт (эВ) является непонятной, но очень популярной в физике элементарных частиц единицей энергии. Одному миллиарду электронвольт соответствует приставка гига-, то есть один миллиард электронвольт – один ГэВ, а не БэВ, но в то время американцы чаще использовали это обозначение, и к тому же название «Геватрон» казалось им не очень благозвучным. Остановились на названии «Беватрон».)
Беватрон поучаствовал в двух нобелевских открытиях: в 1959 году премию получили Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен за обнаружение антипротона, а в 1968 году – Луис Альварес за открытие огромного числа новых частиц, которые и сосчитать-то трудно – всех этих ужасных адронов. Некоторое время спустя тот же Альварес и его сын Уолтер, обнаружив аномально высокие концентрации иридия в геологических пластах, образовавшихся в период исчезновения динозавров, первыми доказали, что наиболее вероятная причина этого феномена – столкновение Земли с астероидом.
Идея ускорителей частиц проста: нужно взять некоторое количество частиц, ускорить их до очень высоких скоростей, столкнуть с некоторыми другими частицами и внимательно наблюдать, что получится. Все это похоже на то, как если бы вы шарахнули роскошными швейцарскими часами по другим, не менее роскошным швейцарским часам и, исследуя разлетевшиеся в разные стороны осколки, попытались бы понять, из чего часы были сделаны. К сожалению, аналогия не полная. Когда мы сталкиваем частицы, мы не пытаемся узнать, из чего они сделаны, а надеемся получить совершенно новые частицы, которых не было до столкновения. Продолжив аналогию с часами, можно сказать, что, идея ускорителя состоит в том, что, ударив одними часами Timex по другим таким же, вы надеетесь, что из их осколков соберутся часы Rolex.
Для достижения огромных скоростей в ускорителях используется основное свойство заряженных частиц (например, электронов и протонов): с помощью электрических и магнитных полей их можно ускорить и заставить вращаться. На практике мы используем электрические поля для ускорения частицы до все более высоких скоростей, а магнитные поля – чтобы удерживать их на нужных траекториях, например внутри образующих кольца труб Беватрона или БАКа. С помощью тонкой настройки этих полей, толкающих частицы вперед и удерживающих на нужных траекториях, физики могут искусственно создать такие условия, которые в естественных условиях на Земле не встречаются. (Космические лучи могут обладать даже большей энергией, но такие частицы долетают до нас редко, и их трудно наблюдать.)
