Закрученные пассажи. Проникая в тайны скрытых размерностей пространства - Лиза Рэндалл

Роль хиггсовского поля очень похожа на роль гаишников в истории выше и сводится к ограничению влияния слабого взаимодействия очень малыми расстояниями. При попытке передать слабое взаимодействие удаленным частицам слабые калибровочные бозоны, переносящие взаимодействие, влетают в хиггсовское поле, которое мешает их движению и не пропускает дальше. Подобно Икару, который мог свободно удаляться только на расстояние в полмили, слабые калибровочные бозоны движутся без помех только на очень коротких расстояниях порядка 10-16 см. Слабые калибровочные бозоны и Икар свободно путешествуют на короткие расстояния, но на дальних расстояниях их задерживают.

В вакууме слабый заряд размазан так тонко, что на коротком расстоянии почти не чувствуются следы ненулевого хиггсовского поля и связанного с ним заряда. На коротких расстояниях кварки, лептоны и слабые калибровочные бозоны распространяются свободно, как будто заряд вакуума практически не существует. Поэтому слабые калибровочные бозоны передают взаимодействия на короткие расстояния, как будто оба хиггсовских поля равны нулю.

Однако на больших расстояниях частицы разлетаются все дальше и поэтому испытывают более значительное влияние слабого заряда. Конкретное количество этого заряда зависит от плотности заряда, которая, в свою очередь, зависит от величины ненулевого хиггсовского поля. Путешествие на большие расстояния (и передача слабого взаимодействия) не есть вопрос выбора для слабых калибровочных бозонов низких энергий, так как во время экскурсий на большие расстояния слабый заряд в вакууме накапливается по дороге.

Именно это требуется нам для того, чтобы придать смысл существованию слабых калибровочных бозонов. Квантовая теория поля утверждает, что частицы, которые свободно движутся на короткие расстояния, и только необычайно редко — на большие расстояния, обладают ненулевой массой. Прерванное путешествие слабых калибровочных бозонов означает, что они ведут себя так, как будто обладают массой, так как именно массивные калибровочные бозоны далеко не улетают. Пропитывающий пространство слабый заряд препятствует путешествию слабых калибровочных бозонов, заставляя их вести себя в точности так, как это необходимо для согласия с экспериментами.

Плотность слабых зарядов в вакууме примерно соответствует числу зарядов, находящихся на расстоянии 10-16 см. При такой плотности слабого заряда массы слабых калибровочных бозонов — заряженных W± и нейтрального Z0 — принимают измеренные значения, равные примерно 100 ГэВ.

И это не все, на что способен механизм Хиггса. Он также несет ответственность за массы кварков и лептонов — элементарных частиц, образующих вещество в Стандартной модели. Кварки и лептоны приобретают массу способом, очень похожим на тот, который используется для слабых калибровочных бозонов. Кварки и лептоны взаимодействуют с распределенным в пространстве хиггсовским полем, и поэтому испытывают сопротивление со стороны слабого заряда Вселенной. Как и слабые калибровочные бозоны, кварки и лептоны приобретают массу за счет отскоков от хиггсовкого заряда, распределенного во всем пространстве-времени. Если бы не было хиггсовского поля, эти частицы должны были бы иметь нулевую массу. Но повторим еще раз: ненулевое хиггсовское поле и слабый заряд вакуума препятствуют движению и заставляют частицы иметь массу. Чтобы приобрести свою массу, кваркам и лептонам также необходим механизм Хиггса.

Может создаться впечатление, что механизм Хиггса является избыточно хитроумным способом приобретения массы, чем это необходимо, но квантовая теория поля говорит, что это есть единственный разумный способ приобретения массы слабыми калибровочными бозонами. Красота механизма Хиггса состоит в том, что он придает массу слабым калибровочным бозонам, осуществляя именно ту задачу, которая была поставлена в начале этой главы. Механизм Хиггса выглядит так, как будто симметрия слабого взаимодействия сохраняется на малых расстояниях (что, согласно квантовой механике и специальной теории относительности, эквивалентно высоким энергиям), но нарушается на больших расстояниях (что эквивалентно низким энергиям). Механизм Хиггса нарушает симметрию слабого взаимодействия спонтанно, и это спонтанное нарушение лежит в основе решения проблемы массивных калибровочных бозонов. Этот более сложный вопрос объясняется в следующем разделе (при желании вы можете пропустить его и перейти сразу к следующей главе).

Спонтанное нарушение симметрии слабого взаимодействия

Мы видели, что связанное со слабым взаимодействием преобразование внутренней симметрии меняет местами все, что обладает зарядом слабого взаимодействия, так как преобразование симметрии действует на все, что взаимодействует со слабыми калибровочными бозонами. Следовательно, такая внутренняя симметрия должна действовать и на поля хиггс1 и хиггс2, или, иначе говоря, на частицы хиггс1 и хиггс2, которые эти поля порождают, и также рассматривать их как эквивалентные. Аналогично рассматриваются как взаимозаменяемые частицы кварки и и d, также испытывающие слабое взаимодействие.

Если бы оба хиггсовских поля были равны нулю, они были бы эквивалентны и взаимозаменяемы, так что полная симметрия, связанная со слабым взаимодействием, должна была бы сохраняться. Однако, когда одно из двух хиггсовских полей принимает ненулевое значение, хиггсовские поля спонтанно нарушают симметрию слабого взаимодействия. Если одно из полей равно нулю, а другое — нет, то нарушается электрослабая симметрия, благодаря которой хиггс1 и хиггс2 взаимозаменяемы.

Точно так же, как первый гость, выбравший себе левый или правый стакан, нарушает лево-правую симметрию за круглым столом, одно хиггсовское поле, принявшее ненулевое значение, нарушает симметрию слабого взаимодействия, обменивающую два хиггсовских поля. Симметрия нарушается спонтанно, так как то, что ее нарушает, это вакуум — реальное состояние системы, в данном случае, ненулевое поле. Тем не менее законы физики, остающиеся неизменными, сохраняют симметрию.

С помощью картинки можно проследить, каким образом ненулевое поле нарушает симметрию слабого взаимодействия. На рис. 58 показан график с двумя осями, помеченными х и у. Эквивалентность двух хиггсовских полей похожа на эквивалентность осей х и у, на которых не помечены точки. Если повернуть график так, чтобы оси поменялись местами, картинка будет выглядеть так же, как и раньше. Это есть следствие обычной вращательной симметрии.

Заметим, что если изобразить точку в положении х = 0, у = 0, то вращательная симметрия полностью сохранится. Но если изобразить точку так, что у нее появится одна ненулевая координата, например, если x = 5 и y = 0, то вращательная симметрия оказывается нарушенной. Две оси уже более не эквивалентны, так как у этой точки значение ж, но не у, отлично от нуля.

Аналогичным образом механизм Хиггса спонтанно нарушает симметрию слабого взаимодействия. Если два хиггсовских поля равны нулю, симметрия сохраняется. Но если одно поле равно нулю, а другое отлично от нуля, симметрия слабого взаимодействия спонтанно нарушается.