Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

для объединения электромагнетизма и слабого взаимодействия. Вайнберг понял, что ему необходимо придать массу трем калибровочным полям — двум W и Z, — поэтому ему требовался более экзотический бозон Хиггса, имеющий минимум четыре рабочие части. Три из них будут «съедены», придавая массу калибровочным полям, а четвертая останется. Это будет тот тяжелый бозон Хиггса, об открытии которого объявят 4 июля 2012 года.

Когда в следующем году присуждали Нобелевскую премию, многие ожидали, что лауреатами станут именно авторы этих статей 1964 года. В конце концов, пятеро из шести физиков были еще живы, лишь Роберт Браут скончался за год до открытия хиггсона. Конечно, выбрать между ними было невозможно (по крайней мере, это было бы несправедливо), поэтому ходили слухи, что Нобелевский комитет на этот раз откажется от правила, позволяющего награждать только трех человек. Он не отказался. Гуральник, Хейген и Киббл остались без премии.

Это решение многих разочаровало. К тому времени я был знаком с Томом Кибблом — сэром Томом, как его стали называть позже. Я часто видел его на регулярных собраниях британских космологов. Сейчас такие встречи собирают до сотни участников, однако начинались они с десятка коллег, обменивавшихся идеями в офисе Тома в Имперском колледже Лондона. Том Киббл был гигантом физики и настоящим джентльменом. Он никогда не стремился оказаться в центре внимания и всегда предпочитал отмечать чужие достижения, а не собственные. Из шести физиков, на труды которых опирается наше понимание бозона Хиггса, он был, на мой взгляд, самым мудрым. Он больше других построил на основе эти первоначальных идей и в итоге оставил свой след не в одной, а в двух Нобелевских премиях[131].

Механизм Хиггса: как придать массу калибровочному бозону за 8 простых шагов

Формально это неестественно

Бозон Хиггса обманул нас. Долго мы верили, что электромагнетизм и слабое взаимодействие различаются. Он скрыл от нас симметрию и красоту электрослабой теории, и в результате W и Z стали слишком тяжелыми, чтобы проникать в наш макроскопический мир. Он оставил нам фотон и электромагнитную силу, на которые мы привыкли полагаться. Большинство наших привычных устройств зависят от электричества и магнетизма или используют радиопередачи. Нам нужен электромагнетизм, чтобы пользоваться приложениями на мобильных телефонах, поддерживать свежесть еды в холодильнике или слушать любимые песни онлайн. Безусловно, наше повседневное существование является электромагнитным, а не слабым и не электрослабым, и это заслуга бозона Хиггса.

От хиггсона и его сломанной красоты растолстели не только W- и Z-бозоны. То же сделали и кварки — верхние и нижние, странные и очаровательные, истинные и прелестные. И лептоны: электроны, мюоны, тау-лептоны и нейтрино. Историю о том, как они получили свою массу, лучше всего рассказать с помощью грамотной аналогии, которая восходит к 1993 году, когда ученые из ЦЕРН обратились к британскому правительству за поддержкой строительства Большого адронного коллайдера. Уильям Уолдгрейв, член кабинета, отвечавший в то время за науку, пытался понять физику бозона Хиггса, поэтому он предложил ученым придумать аналогию размером в одну страницу, которая доступно объяснит работу бозона. Уолдгрейв даже предложил за лучшее объяснение бутылку марочного шампанского. В итоге британское правительство предоставило ЦЕРН финансовую поддержку, а бутылка «Вдовы Клико» 1985 года за блестящую аналогию ушла Дэвиду Миллеру из Университетского колледжа Лондона.

Я передам ее своими словами (с некоторыми творческими вольностями). Рядом с моим домом есть магазинчик, которым управляет человек по имени Дэйв. Он достаточно дружелюбный парень, но за пределами нашей деревни не особо известен. Однажды Дэйв оказывается в одной комнате с мировой суперзвездой — музыкантом Эдом Шираном. Дэйву не очень нравятся знаменитости, поэтому атмосфера в помещении немного напряженная, и оба решают уйти. Так случилось, что у Эда и Дэйва очень похожее телосложение и они двигаются приблизительно с одинаковой скоростью. Если комната пуста, оба пройдут ее примерно за одинаковое время. Это своеобразная симметрия, основанная на их физическом сходстве. Но если помещение наполнено сотнями кричащих фанатов Ширана (к большому раздражению Дэйва), то симметрия нарушается. Толпа мешает обоим мужчинам, но в случае Эда эффект проявляется гораздо сильнее. Его постоянно просят дать автограф и пытаются сделать с ним селфи, а Дэйв может прокладывать себе дорогу без такого активного внимания.

Эд и Дэйв — кварки: Эд — истинный, а Дэйв — верхний; полчища поклонников — поле Хиггса. Как вы понимаете, фанаты будут гораздо активнее взаимодействовать со своим любимым певцом, чем с владельцем магазина из Ноттингема. Когда они заполняют комнату — иными словами, когда поле Хиггса «включено», — они замедляют Эда гораздо сильнее, чем Дейва. Кажется, что он в каком-то смысле стал тяжелее: они придают ему больше массы. То же происходит с истинным и верхним кварками. Истинный кварк сильнее взаимодействует с полем Хиггса, поэтому при «включении» хиггсовского поля он приобретает большую массу. В этой аналогии есть даже сам бозон Хиггса. Вы можете представить его в виде волны возбуждения, пробегающей по фанатам. Возможно, до них дошел слух, что Эд собирается петь, и они начинают обсуждать шепотом эту новость, собираясь в группы-кластеры. Эти кластеры перемещаются по помещению, как бозон Хиггса, двигающийся по туннелям под горами в ЦЕРН. Если в зале соберется больше фанатов, кластеры будут двигаться медленнее, потому что увеличилось число людей, которым нужно рассказать слух. Это похоже на то, как хиггсон взаимодействует сам с собой: замедляя себя, придавая своему колебанию немного больше массы.

Обнаружить такой бозон Хиггса, как наш, — все равно что найти снеговика в пламени ада. Это может случиться, но в реальности не должно происходить. Предположим, вы поместили кубик льда в какое-то горячее место. Действительно горячее — печь или огненную бездну вечного проклятия. Вы не ожидаете, что кубик льда продержится очень долго. Проблема в том, что в окружающей среде слишком много тепловой энергии. Когда молекулы воздуха отскакивают ото льда, они передают ему эту энергию и кубик тает. Есть очень маленькая вероятность, что этого не произойдет: если молекулы чудесным образом будут пролетать мимо куба, лед уцелеет. Но это очень маловероятно.

Ситуация с бозоном Хиггса очень похожа. Имеется окружающая квантовая энергия, которая хочет сделать его намного тяжелее, чем он есть на самом деле, — таким тяжелым, как мимарида! Эта квантовая энергия исходит от виртуальных частиц — тех, которые вы никогда не сможете подержать в руках. Помните, что квантовые поля всегда общаются друг с другом и у частицы это иногда может вызвать кризис идентичности.

Чтобы лучше понять это, забудем ненадолго о бозоне Хиггса. Представьте, что у вас есть фотон, который пролетел из Лондона в Париж. Фейнман уже рассказал нам, что любая частица, двигающаяся между двумя точками, будет