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

Конечно, мы можем задаться вопросом, почему этот «маятник Хиггса» перевернутый, а не обычный. На самом деле ответа никто не знает. Есть некоторые предположения, которые основываются на физических теориях, выходящих далеко за рамки Стандартной модели, но при современном состоянии знаний нам не остается ничего другого, как считать это просто данностью. Поле Хиггса в пустом пространстве могло принять ненулевое значение, а могло и не принять, обе возможности ничему не противоречат, но оказалось, что в нашем мире оно решило стать не нулевым. И это хорошо, потому что в противном случае наш мир выглядел бы намного менее интересным (и не только для физиков элементарных частиц).

Наделение частиц массой

Важно не то, что поле Хиггса заполняет пустое пространство; мы даже не заметили бы его отсутствия, если бы оно не взаимодействовало с другими частицами. И самое главное следствие этого взаимодействия – «наделение массой» элементарных частиц Стандартной модели. Эта концепция достаточно тонкая, так что стоит потратить на нее некоторое время. (Более подробно о том, как это все устроено, см. в Приложении 1.)

В первую очередь мы должны определить, что такое «масса» объекта. Наверное, лучший способ – сказать, что масса характеризует то, «насколько сильное сопротивление мы чувствуем, толкая этот объект», или, другими словами: масса – это то, «сколько энергии нужно затратить, чтобы разогнать объект до определенной скорости». Автомобиль имеет намного большую массу, чем велосипед, и это нам понятно, потому что приходится затратить гораздо больше усилий на то, чтобы сдвинуть с места автомобиль, чем велосипед. Есть и другое определение массы как «количества энергии, которое объект имеет в состоянии покоя». Оно следует из уравнения Эйнштейна E = mc². Обычно мы читаем это уравнение наоборот, то есть оно дает нам возможность узнать, сколько энергии спрятано в объекте с определенной массой, но мы можем считать это и определением массы неподвижного объекта.

Важно подчеркнуть, что масса вообще не имеет прямого отношения к гравитации. Мы привыкли связывать эти два понятия, потому что самый простой способ измерить массу чего-то – взвесить, положив на весы, поскольку, как мы все знаем, именно гравитация тянет вниз чашу весов. Вовне, в пустом пространстве, где гравитации почти не чувствуется, все предметы становятся невесомыми, но они тем не менее имеют массу. Труднее сдвинуть с места массивный космический корабль, чем крошечный камешек, и еще труднее столкнуть с места Луну и планеты. Гравитация (или вес) – это нечто иное, что влияет не только на массивные объекты, но даже и на те, которые не имеют массы. Гравитация, как уже экспериментально установлено, влияет даже на свет, состоящий из безмассовых фотонов, что и было наглядно продемонстрировано с помощью явления гравитационных линз (искривления лучей галактиками и скоплениями темной материи).

Если вы взгляните на таблицы Зоопарка частиц в Приложении 2, в которые занесены все частицы Стандартной модели, вы увидите, что некоторые частицы имеют массу, а некоторые нет. Все бозоны – переносчики взаимодействий – глюоны, гравитоны и фотоны – имеют нулевую массу, а вот масса W– и Z-бозонов не равна нулю, равно как не равна нулю и масса самого бозона Хиггса. Как видно из таблицы для фермионов, нейтрино имеет массу, про которую пока только известно, что она «маленькая», зато кварки и заряженные лептоны обладают совершенно разными массами.

Это многообразие видов в нашем Зоопарке частиц напрямую связано с влиянием поля Хиггса. Правило простое: если частица не взаимодействуете напрямую с полем Хиггса, она получает нулевую массу, а если взаимодействует с полем Хиггса непосредственно – получает ненулевую массу, прямо пропорциональную силе этого взаимодействия. Такие частицы как электрон, верхний и нижний кварки взаимодействуют с бозоном Хиггса относительно слабо, поэтому их массы малы; тау-лептон, истинный и прелестный кварки сильно взаимодействуют с ним, и, следовательно, их массы относительно большие. (Нейтрино представляют собой особый случай, они имеют крошечные массы, но мы еще недостаточно хорошо понимаем, как они получили их. В этой книге мы будем мало говорить о нейтрино, сосредоточившись на той группе частиц Стандартной модели, про которые мы что-то понимаем.)

Если бы поле Хиггса было похоже на другие поля и принимало бы в пустом пространстве нулевое значение, сила его взаимодействия с частицами просто определялась бы вероятностью, с которой бозон Хиггса мог бы провзаимодействовать с этими частицами, пролетай они мимо него. Бозон Хиггса и электрон не очень заметили бы друг друга при встрече, а вот бозон Хиггса и истинный кварк рассеялись бы друг на друге довольно сильно. (Подобно тому как я могу пройти по улице незамеченным, а Анжелину Джоли поклонники будут останавливать на каждом шагу). Но так как среднее значение поля Хиггса не равно нулю, остальные частицы взаимодействуют с ним постоянно – и именно это постоянное и неизбежное взаимодействие частиц с фоновым полем придает им массу. Когда частица сильно взаимодействует с полем Хиггса, это похоже на то, как если бы всюду, куда она ни направлялась, за ней тащилась бы толпа фанатов-бозонов Хиггса, увеличивая многократно ее массу.

Формула для массы частицы довольно проста: это значение хиггсовского поля в пустом пространстве, умноженное на величину взаимодействия данной частицей с полем Хиггса. Почему некоторые частицы, например истинный кварк, сильно взаимодействуют с полем Хиггса, а другие, вроде электрона, относительно слабо? И как объяснить конкретные величины? Никто не знает. В данный момент на эти вопросы ответов нет. На сегодняшнем уровне понимания мы считаем эти взаимодействия константами природы, которые нужно просто пойти и измерить. Мы надеемся получить некоторые подсказки, изучая сам бозон Хиггса, и это является еще одной причиной того, почему проект БАК столь важен.

Мир без поля Хиггса

Несмотря на все эти оговорки, формула «поле Хиггса ответственно за массу», как физики иногда говорят, будет не совсем точной и даже в каком-то смысле неправильной. Вспомним, что мы не видим кварки напрямую – они заперты вместе с глюонами внутри адронов, например протонов и нейтронов. Масса протона или нейтрона намного больше, чем массы входящих в них отдельных кварков. И понятно почему – их масса в основном определяется энергией виртуальных частиц, удерживающих кварки вместе. Если бы поля Хиггса не было, кварки по-прежнему связывались бы вместе и образовывали бы адроны, и их масса при этом практически не изменилась бы. Это означает, что большая часть массы обычных предметов, скажем стола или человека, определяется совсем не полем Хиггса. Подавляющая часть массы таких предметов определяется массой их протонов и нейтронов, в свою очередь определяемой сильными взаимодействиями, а не полем Хиггса.

Однако это не означает, что поле Хиггса не имеет отношения к повседневной жизни. Представьте, что мы получили доступ к секретному контрольному пульту управления всеми законами физики и медленно поворачиваем ручку с надписью «ПОЛЕ ХИГГСА». Допустим, мы смогли уменьшить значение хиггсовского поля в пустом пространстве от 246 ГэВ до любого меньшего числа. (Заметим, таких секретных пультов у природы не существует.) Когда значение фонового поля Хиггса вокруг нас уменьшилось, уменьшились и массы кварков, заряженных лептонов и W-и Z-бозонов. Изменение в массах кварков и W– и Z-бозонов привело бы к крошечным изменениям в свойствах протонов и нейтронов, но ничего драматичного сразу бы не произошло. Изменение в массах мюона и тау-частицы вообще почти не повлияло бы на повседневную жизнь. Но любое изменение массы электрона повлекло бы за собой самые серьезные последствия.