Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
верхний кварк ↔ нижний кварк
очарованный кварк ↔ странный кварк
истинный кварк ↔ прелестный кварк
электрон ↔ электронное нейтрино
мюон ↔ мюонное нейтрино
тау-частица ↔ тау-нейтрино.
Частицы, которые мы объединили здесь в пары, на первый взгляд кажутся очень разными, у них разные массы и заряды. Это все потому, что поле Хиггса, прячущееся в засаде, нарушает симметрию между ними. Если бы не было этого маскарада, частицы в каждой паре были бы совершенно неразличимы, так же как красные, зеленые и синие кварки, которые мы сейчас считаем тремя различными версиями одного и того же кварка.
Само поле Хиггса поворачивается под влиянием симметрии слабых взаимодействий. И именно поэтому когда оно принимает ненулевое значение в пустом пространстве, оно задает выделенное направление, так же как воздух задает скорость, относительно которой мы измеряем свою скорость при путешествии в поезде. Вернемся к нашему примеру с маятником. Самое низкое (устойчивое) энергетическое состояние обычного маятника совершенно симметрично, когда он направлен вниз. Перевернутый маятник, подобно полю Хиггса, нарушает симметрию, когда переходит в устойчивое состояние, то есть падает влево или вправо.
Если вы безнадежно заблудились в лесу ночью, все направления кажутся вам одинаковыми. Вы можете как угодно поворачиваться вокруг оси, стоя на месте, но толку! Прямо скажем, вы оказались в весьма тяжелой ситуации. Однако если у вас есть компас и вы помните, что собирались идти на север, направление, заданное компасом, нарушит симметрию. Теперь у вас появилось правильное направление движения, а остальные направления стали неправильными. Точно так же без хиггсовского поля электрон и электронное нейтрино (к примеру) были бы тождественными частицами. Их можно превращать друг в друга, и в результате в комбинации они станут неразличимыми. Но поле Хиггса, подобно компасу, ломает симметрию и задает выделенное направление. И тогда появляется одна конкретная комбинация полей, взаимодействующая сильнее с полем Хиггса, – ее мы называем «электроном» – и другая, которая не взаимодействует, и ее мы называем «электронным нейтрино». Такое различие между ними имеет смысл только благодаря полю Хиггса, заполняющему все пространство.
Если бы не нарушение симметрии, фактически имелось бы четыре бозона Хиггса, а не один – имелось бы две пары частиц, которые превращались бы друг в друга благодаря симметрии слабого взаимодействия. Но когда поле Хиггса заполняет пространство, три из этих частиц «съедаются» тремя калибровочными бозонами слабых взаимодействий, которые таким образом превращаются из безмассовых носителей взаимодействий в массивные W– и Z-бозоны. Да, да, именно так физики и формулируют это: бозоны слабого взаимодействия прибавляют в весе, поедая лишние бозоны Хиггса. Вспомним, что мы – то, что мы едим.
Возвращение к большому взрыву
Аналогия между полем Хиггса и перевернутым маятником на самом деле довольно удачная. Как по отношению к полю Хиггса, так и по отношению к маятнику основные законы физики совершенно симметричны, в них нет дискриминации ни левого, ни правого. Но у маятника есть только две устойчивые конфигурации – в положении лежа, слева или справа от точки крепления. Если бы мы попытались сбалансировать его очень тщательно в симметричной конфигурации, когда его конец направлен прямо вверх, все равно, любой незаметный толчок тотчас заставил бы его упасть влево или вправо.
Поле Хиггса ведет себя таким же образом. Оно может принять нулевое значение в пустом пространстве, но это будет нестабильной конфигурацией. Чтобы поднять маятник, неподвижно лежащий слева или справа от точки крепления, в вертикальное положение, мы должны затратить некоторую энергию. То же самое применимо и к полю Хиггса. Для выведения его из устойчивого ненулевого значения в каждой точке пространства в нулевое потребуется нечеловеческое количество энергии – гораздо больше, чем полная энергия теперешней наблюдаемой Вселенной.
Но Вселенная когда-то была гораздо более плотной, ее полная энергия была сконцентрирована в гораздо меньшем объеме. Во времена Большого взрыва – 13,7 миллиардов лет назад – вещество и излучение были невероятно сжаты и температура намного выше. Оставаясь в маятниковой аналогии, представьте себе, что перевернутый маятник закреплен на столе, а не прикручен болтами к полу. «Высокая температура» означает много быстрых случайных движений частиц – в нашей аналогии это похоже на то, что кто-то начинает руками трясти стол. Если трясти достаточно энергично, то в какой-то момент маятник получит такой сильный толчок, что он перекинется слева направо (или наоборот). А если трясти уже по-настоящему, как следует, маятник будет как сумасшедший все время болтаться между двумя положениями. Он проведет в среднем столько же времени в левой позиции, сколько и в правой. Другими словами, при высоких температурах перевернутый маятник снова становится симметричным.
То же самое происходит с полем Хиггса. В очень ранней Вселенной температура была невероятно высокой, и поле Хиггса постоянно болталось. В результате его значение в любой точке пространства скачкообразно перестраивалось и в среднем равнялось нулю. В ранней Вселенной существовала симметрия, W– и Z-бозоны были безмассовыми, как и фермионы Стандартной модели. Момент времени, когда поле Хиггса перешло из нулевого среднего значения в некоторое ненулевое, назвали «электрослабым фазовым переходом». Это было похоже на фазовый переход воды в лед при замораживании, правда, в ранней Вселенной никого вокруг не было и никто не мог наблюдать за этим переходом.
Сейчас мы говорим об очень раннем периоде в истории Вселенной – длительностью примерно одну триллионную секунды после Большого взрыва. Если бы вы попытались повторить эти условия у себя дома, поле Хиггса перескочило бы с нулевого в свое обычное ненулевое значение так быстро, что вы бы ни за что не заметили, что оно вообще было нулевым. Но физики могут с помощью уравнений проследить длинную последовательность событий, произошедших в ту первую триллионную долю секунды. И хотя на данный момент у нас нет никаких прямых экспериментальных данных для проверки этих теорий, мы работаем над тем, чтобы сформулировать такие предположения, которые когда-нибудь с помощью наблюдений можно будет подтвердить или опровергнуть.
Теория сложная, но успешная
История о том, что в ненулевых полях в пустом пространстве природа по-разному обходится с левшами и правшами и что одни бозоны прибавляют в весе, поедая другие, может показаться немного надуманной. Этот пазл собирался постепенно, в течение многих лет, и всегда сопровождался хором скептических голосов. Но… факты подтверждают эти теории!
Когда теория слабых взаимодействий была, наконец, сформулирована независимо Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, их работы, опубликованные в конце 1960-х годов, почти никто не воспринял серьезно. Уж слишком сложно, введено слишком много полей, выполняющих слишком много странных функций. К тому времени ученые уже поняли, что какие-то переносчики слабого взаимодействия, подобные W-бозонам, обязательно должны существовать в природе. Но Вайнберг и Салам предсказали новую частицу – нейтральный Z-бозон, по поводу которого не было никаких экспериментальных свидетельств. Позже, в 1973 году на детекторе ЦЕРНа с причудливым названием «Гаргамель» нашли свидетельства взаимодействия, в котором участвовал некий бозон, названный позже Z-бозоном. (Сам он, этот Z-бозон, был обнаружен только десять лет спустя, и тоже в ЦЕРНе.) С тех пор каждый эксперимент добавляет данных, и все они подтверждают правильность основных представлений о симметрии слабого взаимодействия, нарушенной полем Хиггса.
В 2012 году ученые, кажется, разгадали тайну поля Хиггса. Но это не конец истории, а только ее начало. Нет сомнений, что теория Хиггса согласуется с наблюдениями, но во многом она кажется довольно натянутой. Все частицы, которые мы когда-либо находили, были либо фермионами – «частицами вещества», либо бозонами, произошедшими из калибровочных полей, связанных с симметрией. Все, кроме бозона Хиггса, который, похоже, имеет другое происхождение. Так что делает его таким особенным? Почему только некоторые симметрии нарушаются и почему именно таким образом? А вдруг есть более глубокая теория и она объяснит все лучше? Теперь мы можем получать экспериментальные данные, а не просто создавать математические модели, и есть основания надеяться, что эксперименты окажут на ученых гораздо более вдохновляющее воздействие, чем просто мозговой штурм, и тогда появятся более совершенные теории.
