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

На научных семинарах нередко кто-то из слушателей бывает не согласен с докладчиком. Обычно в этом случае задают вопрос или заявляют о своих сомнениях, после чего дают возможность докладчику продолжить свое выступление. Но такая деликатность была не свойственна Паули, и он на том семинаре в Принстоне неоднократно прерывал Янга, требуя дать ответ на вопрос: «Какова же масса этих бозонов?»

Янг, родившийся в Китае в 1922 году и переехавший в США, чтобы учиться у Энрико Ферми, в 1957 году совместно с Т. Д. Ли получил Нобелевскую премию за работу по нарушению четности (лево-правой симметрии). Но в 1954 году, когда он делал этот доклад, он был еще сравнительно молод и не столь знаменит. Под натиском Паули Янг растерялся и в конце концов в середине доклада просто замолчал и сел на место. Роберт Оппенгеймер, который председательствовал на заседании, упрашивал его продолжить доклад, а Паули молчал. На следующий день Паули послал Янгу невинную записку: «Я сожалею, что Вы практически лишили меня возможности поговорить с Вами после семинара. Самые добрые пожелания. С уважением, В. Паули».

Паули не зря сомневался в существовании предсказанных Янгом и Миллсом невидимых безмассовых частиц, но и Янг не ошибся, отстаивая их существование, хотя тут возникало явное противоречие. В своей работе Янг и Миллс признали наличие проблемы, но выразили неясную надежду на то, что массу этим бозонам могли бы придать квантово-механические воздействия виртуальных частиц.

И они оказались почти правы! Сегодня мы знаем, что оба взаимодействия – сильное и слабое – описываются теорией, которую мы называем теорией Янга-Миллса. И обе эти силы используют очень разные, но одинаково хитрые способы, чтобы спрятать свои безмассовые частицы. В сильных взаимодействиях глюоны безмассовы, но они заперты внутри адронов, так что мы просто никогда не видим их. В слабых взаимодействиях W– и Z-бозоны остались бы безмассовыми, если бы не вмешательство всепроникающего поля Хиггса. Поле Хиггса нарушает симметрию, из которой появляются эти бозоны, и как только эта симметрия нарушается, нет никаких причин им оставаться безмассовыми. Чтобы понять все это, нужно немало поработать.

Чтобы понять, как симметрия может быть «нарушена», возвратимся из мира абстракций в нашу повседневную жизнь. Мы уже упоминали пару простых примеров симметрии вокруг нас: не имеет значения, где вы находитесь, и не имеет значения, в каком направлении вы ориентированы. В законах физики кроме этих есть еще одна симметрия, но ее труднее заметить: не имеет значения, с какой скоростью вы едете. Эта симметрия впервые была замечена не кем иным, как самим Галилеем.

Представьте себе, что вы находитесь в поезде, несущемся через поля и леса. Будем считать, что это не старомодный поезд на колесах, а суперсовременный – парящий над рельсами с помощью магнитной левитации. Если в поезде достаточно тихо и он движется без рывков, невозможно определить, не глядя в окно, с какой скоростью вы движетесь. А если, не обращая внимания на окружающих, проводить в поезде физические эксперименты, обнаружится, что скорость, с которой мы движемся, не имеет никакого значения. Поезд может стоять совершенно неподвижно или мчаться со скоростью 160 км/ч, результат вспенивания ментоловых пастилок при опускании в диетическую кока-колу будет в точности тем же самым.

В нашей повседневной жизни мы не замечаем этого замечательного факта по одной простой причине: мы можем выглянуть в окно или просто высунуть на улицу руку, и мгновенно становится ясно, что мы быстро движемся. Таким же образом мы даже можем измерить (или по крайней мере оценить) нашу скорость относительно земли или воздуха.

Это пример нарушения симметрии. Законы физики не зависят от того, как быстро вы двигаетесь, но поверхность земли и воздух определенно это чувствуют, и из-за них появляется выделенная скорость, а именно – нулевая, то есть та, при которой вы «покоитесь относительно поверхности земли». Это тот случай, когда фундаментальные правила игры обладают симметрией, но наша окружающая среда их не уважает и нарушает, и тогда мы говорим, что симметрия нарушена окружающей средой. Точно так же поступает со слабыми взаимодействиями поле Хиггса. Основополагающие законы физики подчиняются определенной симметрии, а поле Хиггса ломает ее.

Нарушение симметрии, о котором мы до сих пор говорили, часто называют «спонтанным» нарушением симметрии. Это способ сказать, что симметрия на самом деле действительно есть, и ее можно разглядеть в основных уравнениях, описывающих устройство мира, но из-за некоторых особенностей нашей среды появляется выделенное направление. То, что вы можете высунуть руку из окна поезда и измерить вашу скорость относительно воздуха, не меняет того факта, что законы физики инвариантны относительно скорости. На самом деле иногда из осторожности говорят о «скрытой» симметрии, а не о «спонтанно нарушенной». Подробнее об этом понятии спонтанности будет сказано в одиннадцатой главе.

Оказалось, что идея Янга и Миллса по поводу симметричности нейтронов и протонов была в основном правильной. Теперь мы, конечно, уже знакомы с кварками, так что симметрию между верхними и нижними кварками можно предположить по аналогии. И в этом случае возникают похожие проблемы, ведь верхние и нижние кварки имеют различные массы и различные электрические заряды. Если бы эти различия можно было объяснить существованием хиггсовского поля, мы оказались бы правы. И как выяснилось, это действительно можно сделать.

Вот тут все становится настолько запутанным, что более подробное описание этих идей вынесено в Приложение 1. (Эти теории и не должны быть простыми. Мы рассказываем о серии открытий, за которые присуждено несколько Нобелевских премий!) Основные сложности заключаются в том, что элементарные фермионы обладают определенным свойством, называющимся «спин». Безмассовые частицы, которые всегда движутся со скоростью света, могут вращаться в одном из двух направлений: по часовой стрелке или против (если считать, что они летят на нас), то есть быть либо правшами, либо левшами. Секрет слабых взаимодействий состоит в том, что существует симметрия в отношении всех частиц-левшей и связанная с ней сила, но нет соответствующей симметрии для частиц-правшей. Слабые взаимодействия нарушают четность – они по-разному относятся к левшам и правшам. Можно составить представление о четности, вообразив, что вы смотрите на мир, отраженный в зеркале, где право и лево переставлены местами. Большая часть взаимодействий (сильные, гравитационные, электромагнитные) проявляют себя одинаково, смотрите ли вы на них непосредственно или через зеркало, но слабые взаимодействия воздействуют на правшей и левшей по-разному.

Симметрия слабых взаимодействий разбивает левые частицы на следующие пары:

верхний кварк ↔ нижний кварк

очарованный кварк ↔ странный кварк

истинный кварк ↔ прелестный кварк

электрон ↔ электронное нейтрино

мюон ↔ мюонное нейтрино

тау-частица ↔ тау-нейтрино.