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

Наш первый ответ: «При столкновениях протонов друг с другом». Но если немного поразмышлять, мы вспомним, что протон состоит из трех кварков и глюонов, не говоря уже о виртуальных антикварках. То есть некоторые комбинации кварков и глюонов сталкиваются друг с другом, чтобы образовать бозон Хиггса. Теперь вспомним, что в главе 7 мы говорили о законах сохранения и утверждали, что свойства типа электрического заряда, числа кварков или числа лептонов остаются неизменными в любом известном процессе взаимодействия частиц. И поэтому не может быть, чтобы, например, два верхних кварка столкнулись и образовали бозон Хиггса. Бозон Хиггса имеет нулевой электрический заряд, а каждый кварк – заряд +2/3, так что баланс не сходится. Кроме того, для двух верхних кварков общее число участвующих в реакции кварков равно 2, в то время как в бозоне Хиггса нет кварков, так что и это не сходится. Если бы сталкивались кварк и антикварк, у нас появился бы шанс.

А как насчет глюонов? Короткий ответ – да, два глюона могут объединиться, чтобы родить бозон Хиггса, но есть и длинный ответ, посложнее. Вспомним, что миссия поля Хиггса (или во всяком случае одна из его миссий) состоит в том, чтобы дать массу другим частицам. Чем сильнее бозон Хиггса взаимодействует с частицей, тем большую массу она в конце концов приобретает. Верно и обратное: поле Хиггса очень охотно взаимодействует с тяжелыми частицами, менее охотно с легкими и совсем не взаимодействует (напрямую) с безмассовыми частицами, такими как фотоны и глюоны. Но с помощью волшебной силы квантовой теории поля оно может взаимодействовать не напрямую. Глюоны прямо не взаимодействуют с бозонами Хиггса, но они взаимодействуют с кварками, а кварки взаимодействуют с бозоном Хиггса. Таким образом два глюона могут столкнуться и родить бозон Хиггса, пройдя через промежуточную стадию образования кварков.

В физике элементарных частиц разработан очень подробный и тщательно апробированный формализм для описания взаимодействия частиц друг с другом – метод диаграмм Фейнмана. Ричард Фейнман – колоритная фигура, нобелевский лауреат – изобрел этот чрезвычайно полезный метод отслеживания трансформаций всех входящих и образования выходящих частиц. Эти рисунки словно коротенькие комиксы, герои которых – частицы, взаимодействующие и превращающиеся с течением времени в другие частицы. Обычно бозоны – переносчики взаимодействий – изображаются волнистыми линиями, фермионы – сплошными линиями, а бозон Хиггса – пунктирной линией. Начав с фиксированного набора фундаментальных взаимодействий, соединяя и сопоставляя соответствующие диаграммы, мы можем перебрать все различные способы, с помощью которых частицы образуются или преобразуются в другие частицы.

Например, два взаимодействующих глюона изобразим двумя входящими волнистыми линиями. Эти колебания глюонного поля возбуждают колебания поля кварков, которые могут рассматриваться как пара кварк-антикварк. Поскольку в каждом случае это один кварк и один антикварк, суммарный заряд и число участвующих кварков равно нулю, что согласуется с аналогичными характеристиками первоначальных глюонов. Эти кварки – виртуальные частицы – играют роль посредников, и они обречены на исчезновение прежде, чем появятся в детекторе частиц. Одна пара соответствующих друг другу кварка и антикварка встречается и уничтожает друг друга, а другая пара встречается и порождает бозон Хиггса. В этом процессе участвуют все виды кварков, но наибольший вклад вносят истинные кварки (самые тяжелые кварки), так как они взаимодействуют с бозоном Хиггса сильнее всего. Все это можно точно описать с помощью пары строчек страшных математических формул, а можно вместо этого изобразить на одной понятной диаграмме.

Фейнмановская диаграмма, описывающая слияние двух глюонов и образование бозона Хиггса через промежуточную стадию рождения виртуальных кварков.

Диаграммы Фейнмана дают нам забавный и наглядный способ отследить, что может произойти, когда частицы сойдутся для взаимодействий. Физики, однако, используют их для очень прагматичных целей расчета квантовой вероятности изображаемого взаимодействия. Каждая диаграмма соответствует значению вероятности, которое потом вычисляется с помощью ряда простых правил. На первый взгляд эти правила способны ввести в заблуждение, например движущаяся назад во времени частица считается античастицей, и наоборот. Когда две частицы встречаются, чтобы породить третью (или одна частица распадается на две), полная энергия и все другие сохраняющиеся величины должны быть сбалансированы. Но виртуальные частицы – те, что рождаются и исчезают внутри диаграммы, но не присутствуют в исходном наборе частиц или среди продуктов реакции, – не обязаны иметь ту же массу, которую закон сохранения накладывает на реальную частицу. Правильный способ прочтения приведенной мною диаграммы таков: два колебания глюонного поля складываются вместе и создают колебания кваркового поля, которые в конечном итоге приводят к колебаниям поля Хиггса. А на самом деле мы видим две встречающиеся частицы-глюона, при столкновении рождающие бозон Хиггса.

Первым человеком, понявшим, что «слияние глюонов» – возможный способ создания хиггсовских бозонов, был Фрэнк Вильчек. Этот американский теоретик в значительной степени сформировал наше представление о сильных взаимодействиях. Свою работу по сильным взаимодействиям он сделал, еще будучи аспирантом, в 1973 году, и именно за нее и получил Нобелевскую премию (совместно с двумя другими физиками). В 1977 году Вильчек работал в Принстонском университете, но летом решил побывать в лаборатории Ферми, в Фермилабе. Даже великим мыслителям приходится сталкиваться с житейскими проблемами, и как-то раз Вильчеку пришлось целый день ухаживать за больными – женой Бетси Дивайн и маленькой дочерью Эмити. Когда жена и дочь вечером наконец спокойно заснули, Вильчек отправился побродить по территории Фермилаба и подумать о физике. В то время основная структура Стандартной модели уже, как выразился Вильчек, «в значительной степени сложилась», но свойства бозона Хиггса еще оставались относительно мало исследованными. Со времен своей дипломной работы он испытывал большую нежность к глюонам и их взаимодействиям, и, гуляя, он вдруг понял, что глюоны предоставляют отличный способ получить хиггсовские бозоны (и что бозон Хиггса, в свою очередь, может распасться на глюоны). Сейчас, 35 лет спустя, выяснилось, что этот процесс является самым главным способом образования бозона Хиггса на БАКе. Во время той же прогулки у Вильчека появилась еще одна идея – идея «аксиона», гипотетического более легкого двоюродного брата Хиггса, из которого, как считается сегодня, скорее всего состоит темная материя Вселенной. Этот эпизод показывает, как иногда бывают важны для научного прогресса долгие, неспешные прогулки.

В Приложении 3 мы обсудим различные способы взаимодействия частиц в рамках Стандартной модели и соответствующие каждому способу диаграммы Фейнмана. Обсуждение будет не столь глубоким, чтобы по его окончании вы смогли защитить диссертацию по физике, но, надеюсь, достаточным, чтобы дать общее представление. Одно должно быть ясно: с этим придется повозиться. Легко сказать: «Мы сталкиваем протоны друг с другом и ждем, что появится бозон Хиггса», на самом деле здесь очень много работы – нужно сесть и сделать расчеты. Когда все сказано и сделано, мы понимаем, что есть несколько различных процессов, в которых на БАКе могут родиться хиггсовские бозоны: слияние двух глюонов (которое мы только что обсуждали); аналогичное слияние W+– и W−-бозонов или двух Z-бозонов, или кварка и антикварка; рождение W– или Z-бозона, которые выплевывают хиггсовский бозон, а затем продолжают двигаться дальше. Детали зависят от массы бозона Хиггса, а также от энергии исходных столкновений. Надо сказать, расчет подходящих процессов обеспечил физиков-теоретиков работой по-полной.