Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Каждая частица чувствует гравитацию, поэтому каждая частица может испустить гравитон. (Или поглотить гравитон, если мы пойдем по диаграмме в обратную сторону. Как и фотон и бозон Хиггс, гравитон сам себе античастица.) Даже если мы рисуем прямую линию, как будто частица – фермион, подобные диаграммы можно нарисовать и для всех бозонов.

Обратите внимание, что эта диаграмма, и несколько следующих, описывают частицу, которая излучает другую частицу, а сама при этом остается неизмененной. Такое никогда не может произойти само по себе, потому что при этом не сохранялась бы энергия. Все диаграммы такого рода должны быть встроены в качестве промежуточных в какие-то более сложные диаграммы.

Электромагнитное взаимодействие, в отличие от гравитации, непосредственно ощущается только заряженными частицами. Электрон может испустить фотон, но не нейтрино или бозон Хиггса; с помощью простой вершины сделать такой трюк не получится. Однако, это можно сделать опосредованно, через более сложные диаграммы.

Аналогично, любые сильно взаимодействующие частицы (кварки и глюоны) могут испускать глюоны. Обратите внимание, что глюоны – сильно взаимодействующие частицы, а фотоны электрически нейтральны, поэтому трехглюонная вершина существует, а трехфотонная – нет.

Теперь мы подошли к слабым взаимодействиям, где все немного сложнее. Z-бозон в действительности довольно прост: любая частица, которая чувствует слабые взаимодействия может излучать его и продолжить жить своей жизнью. (Опять же, в составе большей диаграммы).

Как только мы переходим к W-бозонам, все слегка усложняется. В отличие от других бозонов, которые мы только что рассмотрели, W-бозоны электрически заряжены. Это означает, что они не могут быть испущены без изменения типа частицы, которая их излучила; если бы это произошло, заряд бы не сохранился. Поэтому W-бозоны служат для преобразования кварков верхнего типа (верхний, очарованный, истинный) в кварки нижнего типа (нижний, странный, прелестный), а также заряженных лептонов (электрон, мюон, тау) в соответствующие им нейтрино.

Бозон Хиггса очень похож на Z-бозон: любая частица, которая чувствует слабое взаимодействие, может его излучить.

Теперь займемся бозонами, входящими в диаграмму. Они могут излучить другой бозон или расщепиться на два фермиона. Однако, так как фермионная линия никогда не заканчивается, бозон должен распадаться на один фермион и один антифермион, и общее число фермионов в конце должно равняться нулю, так же, как это было в начале. Здесь у нас есть множество примеров. Обратите внимание, что это те же диаграммы, которые мы уже рисовали, просто они поворачиваются, и частицы там, где надо, заменяются на античастицы. Если входящий бозон не имеет массы, мы в очередной раз убеждаемся, что данную диаграмму можно использовать только как часть большей диаграммы, так как безмассовые частицы никогда не превратятся в массивные – по закону сохранения энергии. (Это следует еще и из того, что система двух массивных частиц должна иметь «покоящуюся систему отсчета», в которой суммарный импульс равен нулю, в то время как одна безмассовая частица не имеет состояния покоя.)

Единственная оставшаяся фундаментальная диаграмма – это взаимодействие бозона Хиггса с самим собой. Он может расщепиться на две или три копии. Очевидно, что невключение данной диаграммы в большую диаграмму нарушило бы закон сохранения энергии.

Самое интересное происходит, когда мы начинаем комбинировать эти фундаментальные диаграммы и составлять более сложные. Все, что нам нужно сделать, это соединить линии, описывающие одинаковые частицы, например электрон с электроном, и так далее. Мы стартуем с описанных выше диаграмм, но чтобы заработала полная диаграмма, нам, возможно, придется повернуть несколько линий справа налево и превратить некоторые частицы в античастицы.

Предположим, что мы захотели узнать, как может распасться мюон. Мы видим, что существует диаграмма, где мюон испускает W−-бозон и превращается в мюонное нейтрино, но это не может произойти само по себе, так как W−-бозон тяжелее мюона. Не бойтесь, все в порядке, пока W−-бозон остается виртуальным и распадается на что-то более легкое, чем мюон, например, электрон и его нейтрино. Все, что нам нужно сделать, это склеить линии, соответствующие W−-бозонам, из двух предыдущих диаграмм правильным способом.

А еще мы можем замыкать линии – образовывать петли. Вот диаграмма, которая участвовала в настоящих поисках бозонов Хиггса на БАКе: бозон Хиггса, распадающийся на два фотона. Петля виртуальных частиц в середине может содержать любую частицу, которая взаимодействует и с бозоном Хиггса (так, чтобы существовала вершина слева) и с фотонами (так, чтобы существовали вершины справа). Частицы, которые взаимодействуют сильнее, будут сильнее влиять на конечный результат. В данном случае это будет истинный кварк, он является наиболее массивной частицей Стандартной модели, и, следовательно, сильнее всех взаимодействует с бозоном Хиггса.

Наконец, вот некоторые из важнейших процессов, в которых бозоны Хиггса в реальности создавались на БАКе (а затем сразу распадались). Существует канал, называемый «слиянием глюонов», когда два глюона сливаются, чтобы образовать бозон Хиггса. Из-за того что глюоны безмассовые, в процессе должна участвовать виртуальная массивная частица, которая чувствует сильное взаимодействие, а именно кварк.

Существует также процесс, который называется «слияние векторных бозонов», при этом имеется в виду, что W– и Z-бозоны иногда называют «векторными бозонами». Так как они массивны, они могут непосредственно объединяться и превращаться в бозон Хиггса.

Наконец есть два различных вида «ассоциированного рождения», когда бозон Хиггса появляется вместе с чем-либо еще: либо вместе с W– или Z-бозоном, либо с парой кварк-антикварк.

Главный урок из того, что мы рассказали здесь, состоит не в определении входящих и выходящих частиц во всех различных процессах, участвующих в появлении бозона Хиггса и его распаде. Главное, что мы поняли: оба процесса сложные и могут осуществляться самыми разными способами, но у нас есть четкие правила, позволяющие нам разобраться в том, что происходит. Трудно было даже себе вообразить, что эти маленькие комиксы позволяют уловить самую глубокую сущность поведения нашего микромира.

Для дальнейшего чтения

Aczel A. Present at the Creation: The Story of CERN and the Large Hadron Collider. Crown Publishers, 2010.

CERN. CERN faq: LHC, the guide. http://multimedia-gallery.web. cern.ch/multimediagallery/Brochures.aspx, 2009.

Close F. The Infinity Puzzle: Quantum Field Theory and the Hunt for an Orderly Universe. Basic Books, 2011.

Crease R. P., Mann C. C. The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics. Collier Books, 1986.

Halpern P. Collider: The Search for the World’s Smallest Particles. Wiley, 2009.

Kane G. The Particle Garden: The Universe as Understood by Particle Physicists. Perseus Books, 1995.

Lederman L., Teresi D. The God Particle: If the Universe is the Answer, What’s the Question? Houghton Mifflin, 2006.

Lincoln D. The Quantum Frontier: The Large Hadron Collider. Johns Hopkins, 2009.

Panek R. The 4 Percent Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality. Mariner Books, 2011.

Randall L. Knocking on Heaven’s Door: How Physics and Scientific Thinking Illuminate the Universe and the Modern World. Ecco, 2011.

Sample I. Massive: The Missing Particle that Sparked the Greatest Hunt in Science. Basic Books, 2010.

Taubes G. Nobel Dreams: Power, Deceit, and the Ultimate Experiment. Random House, 1986.

Traweek Sh. Beamtimes and Lifetimes: The World of High Energy Physicists. Harvard University Press, 1988.

Weinberg S. Dreams of a Final Theory. Vintage, 1992.

Wilczek F. The Lightness of Being: Mass, Ether, and the Unification of Forces. Basic Books, 2008.

Литература

http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2008/09/11/giddy-physicists/

http://www.newscientist.com/article/dn22033-peter-higgs-boson-discovery-likebeing-hit-by-a-wave.html?full=true

http://bit.ly/ynX3dL

http://www.guardian.co.uk/science/2011/dec/13/higgs-boson-seminar-god-particle

Lederman L., Teresi D. The God Particle: If the Universe is the Answer, What’s the Question? Houghton Mifflin, 2006, p. xi.