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

Массы слабых калибровочных бозонов характеризуют точную величину энергии, при которой спонтанно нарушается симметрия слабого взаимодействия. Эта энергия равна 250 ГэВ, так что масштаб энергии слабых взаимодействий очень близок к массам слабых калибровочных бозонов W-, W+ и Z. Когда энергия частиц больше 250 ГэВ, взаимодействия происходят так, как будто симметрия сохраняется, но если энергия частиц меньше 250 ГэВ, симметрия нарушена и слабые калибровочные бозоны взаимодействуют так, как будто у них есть масса. При правильно подобранном значении неисчезающего хиггсовского поля симметрия слабого взаимодействия спонтанно нарушается при нужной энергии, а слабые калибровочные бозоны получают в точности нужную массу.

Преобразования симметрии, действующие на слабые калибровочные бозоны, действуют также на кварки и лептоны. При этом оказывается, что такие преобразования не будут оставлять все неизменным, за исключением случая, когда кварки и лептоны безмассовы. Это означает, что симметрия слабого взаимодействия будет сохраняться, только если кварки и лептоны не будут иметь массы. Так как симметрия слабого взаимодействия существенна при больших энергиях, то спонтанное нарушение симметрии необходимо не только для того, чтобы массы появились у слабых калибровочных бозонов, но и для того, чтобы массу приобрели кварки и лептоны. Механизм Хиггса — единственный способ приобретения масс у всех массивных фундаментальных частиц Стандартной модели.

Механизм Хиггса действует именно так, как требуется для того, чтобы в любой теории, включающей этот механизм, могли появиться массивные слабые калибровочные бозоны (а также массивные кварки и лептоны), но тем не менее можно было получать правильные предсказания для поведения процессов при больших энергиях. В частности, для слабых калибровочных бозонов больших энергий (т. е. с энергией больше 250 ГэВ) симметрия, по-видимому, сохраняется, так что неправильных предсказаний не возникает. При больших энергиях внутренняя симметрия, связанная со слабым взаимодействием, отсекает проблематичную поляризацию слабого калибровочного бозона, которая могла бы привести к слишком большой вероятности взаимодействий. Но при низких энергиях, когда масса существенна, чтобы согласовать с опытом короткий радиус слабых взаимодействий, эта симметрия нарушается.

Именно поэтому механизм Хиггса столь важен. Ни одна другая теория, содержащая такие массы, не обладает указанными свойствами. Другие идеи проваливаются либо при низких энергиях, когда приводят к неправильным массам, либо при высоких энергиях, где неправильно предсказываются вероятности взаимодействий.

Бонус

Существует еще одно интересное свойство Стандартной модели, которое я еще не объяснила. Хотя в последующих главах будет идти речь о хиггсовском поле, это свойство нам не понадобится, поэтому обсуждаться не будет. Однако оно настолько удивительное, что его нельзя не упомянуть.

Механизм Хиггса говорит нам не только о слабом взаимодействии. Удивительным образом он позволяет глубже понять, почему электромагнетизм является особенным взаимодействием. До 1960-х годов никто не верил, что можно узнать что-то новое об электромагнитном взаимодействии, которое усиленно и успешно изучалось на протяжении почти ста лет. Однако в 1960-е годы предложенная Шелдоном Глэшоу, Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом электрослабая теория предсказала, что когда Вселенная начала свою эволюцию при высоких температуре и энергии, существовали три слабых калибровочных бозона и четвертый, независимый нейтральный бозон, отвечающий за другую силу взаимодействия. Вездесущий и важный в наши дни фотон не входил в этот список. Авторы электрослабой теории вывели свойства четырех слабых калибровочных бозонов на основании как математических, так и физических аргументов, которые я здесь не буду обсуждать.

Примечательно, что фотон изначально ничем не выделялся. А на самом деле фотон, о котором мы говорим сегодня, есть смесь двух из четырех исходных калибровочных бозонов. Причина особого положения фотона состоит в том, что он — единственный калибровочный бозон, участвующий в электрослабых взаимодействиях, который не подвержен влиянию слабого заряда вакуума. Главным отличительным свойством фотона является то, что он может без помех путешествовать сквозь слабо заряженный вакуум, и поэтому сам не имеет массы.

В противоположность W и Z, движение фотона не нарушается ненулевым зарядом хиггсовского поля. Это происходит потому, что, несмотря на наличие у вакуума слабого заряда, у него нет электрического заряда. Фотон, переносящий электромагнитное взаимодействие, взаимодействует только с электрически заряженными телами. По этой причине фотон может переносить дальнодействующее взаимодействие без всяких помех со стороны вакуума. Поэтому фотон остается единственным безмассовым калибровочным бозоном, даже при наличии ненулевого хиггсовского ПОЛЯ.

Ситуация очень напоминает радарные ловушки для лихачей, с которыми вступил в борьбу Икар (хотя, по общему признанию, эта часть аналогии несколько слабее). Ловушки для лихачей пропускают скучные автомобили безнаказанно. Фотоны, как скучные нейтральные автомобили, всегда распространяются без помех.

Кто бы мог подумать? Фотон, про который физики в течение многих лет считали, что знают про него все, имеет происхождение, которое можно понять только в рамках более сложной теории, объединяющей слабое и электромагнитное взаимодействия в единую теорию. Эту теорию принято называть электрослабой теорией, а соответствующую симметрию — электрослабой симметрией. Электрослабая теория и механизм Хиггса — главные успехи физики частиц. В рамках этой теории ясно объясняются не только массы слабых калибровочных бозонов, но и значение фотона. Кроме того, теория позволяет понять происхождение масс кварков и лептонов. Только что рассмотренные нами довольно абстрактные идеи четко объясняют весьма широкий круг свойств нашего мира.

Предупреждение

Механизм Хиггса действует замечательно и придает массы кваркам, лептонам и слабым калибровочным бозонам, не приводя при этом к бессмысленным предсказаниям при высоких энергиях, а также объясняет, откуда возник фотон. Однако осталось еще одно существенное свойство хиггсовской частицы, которое физики до конца не понимают.

Для того чтобы придать частицам их измеряемые массы, электрослабая симметрия должна быть нарушена примерно при 250 ГэВ. Эксперименты показывают, что частицы с энергиями больше 250 ГэВ ведут себя так, как будто они безмассовы, в то время как частицы с энергиями меньше 250 ГэВ действуют так, как будто у них есть массы. Однако электрослабая симметрия будет нарушаться при энергиях порядка 250 ГэВ, только если хиггсовская частица (иногда ее называют хиггсовским бозоном) сама имеет примерно такую же массу (мы опять используем соотношение E = mc2). Теория слабого взаимодействия не будет работать, если масса хиггсовского бозона будет намного больше. Если бы масса хиггсовского бозона была больше, нарушение симметрии происходило бы при более высокой энергии, и слабые калибровочные бозоны были бы тяжелее, в противоречии с экспериментальными данными.

Однако ниже, в гл. 12, мы увидим, что легкая хиггсовская частица приводит к большой теоретической проблеме. Вычисления с учетом квантовой механики говорят, что хиггсовская частица должна быть гораздо тяжелее, и физики до сих пор не понимают, почему масса хиггсовского бозона должна быть столь малой. Это затруднение стимулирует ученых к обсуждению новых идей в физике частиц и построению ряда моделей с дополнительным числом измерений, которые мы позднее рассмотрим.