Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Но в сверхпроводнике конденсат переносит не слабый заряд, а электрический. То есть конденсат как бы придает массу фотону, который передает электромагнитное взаимодействие внутри сверхпроводника. Масса экранирует заряд; это значит, что внутри сверхпроводящего материала электрическое и магнитное поля далеко не распространяются, а силы спадают очень быстро на коротких расстояниях. Квантовая механика и специальная теория относительности утверждают, что расстояние экранирования внутри сверхпроводника есть прямое следствие фотонной массы, которая существует только в сверхпроводящем субстрате. В этих материалах электрические поля не могут проникать дальше, чем на расстояние экранирования, потому что фотон, отражаясь от пронизывающих сверхпроводник электронных пар, обретает массу.

Механизм Хиггса работает аналогичным образом[52]. Но вместо электронных пар (несущих электрический заряд), пронизывающих вещество, мы говорим здесь о поле Хиггса (несущем слабый заряд), пронизывающем вакуум. А вместо фотона и его массы, экранирующей электрический заряд, речь идет о слабых калибровочных бозонах и их массах, экранирующих слабый заряд. Слабые калибровочные бозоны обладают ненулевой массой, поэтому слабое взаимодействие эффективно лишь на очень малых субъядерных расстояниях.

Поскольку это единственный непротиворечивый способ объяснить существование массы у слабых калибровочных бозонов, физики уверены, что механизм Хиггса в природе действует. И мы считаем его ответственным не только за массы слабых калибровочных бозонов, но и за массы всех вообще элементарных частиц. У нас нет никакой другой непротиворечивой теории, которая позволила бы частицам Стандартной модели, несущим слабый заряд, обладать массой.

Вы преодолели очень сложный раздел книги, содержащий несколько абстрактных концепций. Представление о механизме Хиггса и поле Хиггса неразрывно связано с квантовой теорией поля и физикой элементарных частиц и далеко от любых явлений, которые человек может хотя бы вообразить. Поэтому позвольте мне еще раз коротко сформулировать некоторые основные положения. Если бы механизма Хиггса не было, мы вынуждены были бы отказаться либо от признания масс элементарных частиц, либо от обоснованных предсказаний, связанных с высокими энергиями. Но и то и другое представляет собой важную часть верной теории. Предлагаемое решение состоит в том, что законы природы предусматривают симметрию, но она может спонтанно нарушаться из‑за ненулевой величины поля Хиггса. Нарушение симметрии вакуума позволяет элементарным частицам иметь ненулевую массу. Однако поскольку спонтанное нарушение симметрии связано с определенным диапазоном энергий (и расстояний), его действие сказывается только при низких энергиях. Речь идет об энергиях, соответствующих массам элементарных частиц, и о более низких энергиях (и, соответственно, о расстояниях, характерных для слабого взаимодействия и больших). Для этих энергий и масс действие гравитации пренебрежимо мало, и Стандартная модель (с учетом масс) верно описывает измерения в физике элементарных частиц. В то же время симметрия, предусмотренная законами природы, позволяет строить разумные высокоэнергетические прогнозы. Плюс к тому механизм Хиггса объясняет нулевую массу фотона как результат его невзаимодействия с пронизывающим Вселенную полем Хиггса.

Однако, хотя теоретически все это выглядит последовательно и логично, экспериментальные доказательства изложенных выше идей нам еще только предстоит получить. Даже Питер Хиггс признал важность подобной проверки. В 2007 г. он сказал, что математические построения кажутся ему очень убедительными, но «если это не подтверждено экспериментально, то это просто игра; все это необходимо проверить». Мы считаем предложенную Питером Хиггсом гипотезу верной, а потому ожидаем в самые ближайшие годы интереснейших открытий. Доказательства должны появиться на БАКе в виде одной или нескольких частиц; в простейшем варианте доказательством стала бы частица, известная как бозонХиггса, илихиггс.

«Хиггс» означает не только человека и механизм, но и название предполагаемой частицы. Бозон Хиггса — ключевое недостающее звено Стандартной модели[53]. Это признак существования механизма Хиггса, который мы надеемся обнаружить в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере. Его открытие подтвердило бы теоретические построения и показало бы, что поле Хиггса действительно пронизывает вакуум. У нас есть серьезные основания считать, что механизм Хиггса действует во Вселенной — ведь никто не может без него сконструировать сколько‑нибудь разумную теорию, которая объясняла бы массы элементарных частиц. Мы также считаем, что в самом скором времени должны появиться и какие‑то экспериментальные доказательства в пользу наших теоретических построений, поскольку БАК вот–вот должен начать эксперименты на соответствующем масштабе энергий. Скорее всего, этим доказательством будет бозон Хиггса.

Отношения между полем Хиггса, составляющим часть механизма Хиггса, и бозоном Хиггса, который представляет собой реальную частицу, достаточно сложны, но очень напоминают отношения между электромагнитным полем и фотоном. Вы можете ощутить действие классического магнитного поля, просто поднеся магнит к холодильнику, хотя никаких реальных физических фотонов при этом не возникает. Классическое поле Хиггса — поле, существующее даже при отсутствии квантовых эффектов — пронизывает все пространство и может принимать ненулевое значение, оказывая, таким образом, влияние на массы частиц. Но ненулевое значение поля может возникать и в том случае, когда реальных частиц в пространстве нет.

Однако если что‑нибудь «заденет» поле, то есть передаст ему немного энергии, то эта энергия может породить флуктуации поля, которые, в свою очередь, приведут к рождению частицы. Если речь идет об электромагнитном поле, родится фотон. Если речь идет о поле Хиггса, родится бозон Хиггса. Поле Хиггса пронизывает пространство и отвечает за нарушение электрослабой симметрии. Частица Хиггса, с другой стороны, возникает из поля Хиггса везде, где есть энергия: к примеру, в БАКе. О том, что поле Хиггса существует, свидетельствует существование массы у элементарных частиц само по себе. Открытие бозона Хиггса на БАКе усилило нашу убежденность в том, что за происхождение этой массы отвечает именно механизм Хиггса.