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

Мысль о том, что частицы не имеют изначальных прав на свои массы, звучит весьма авторитарно. Казалось бы, каждая частица должна иметь возможность выбора, иметь ей ненулевую массу покоя или нет. Однако тонкая структура Стандартной модели и любой теории взаимодействий правит твердой рукой и не оставляет своим подданным свободы выбора. Она ограничивает типы дозволенных масс. Для калибровочных бозонов объяснение звучит немного иначе, нежели для фермионов, но базовая логика в том и другом случае имеет отношение к симметриям, лежащим в основе любой теории взаимодействий.

Стандартная модель физики элементарных частиц включает в себя электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, причем каждое взаимодействие связано с одним из типов симметрии. Без симметрии теория этих взаимодействий, основанная на квантовой механике и специальной теории относительности, предсказывала бы для калибровочных бозонов — частиц, ответственных за передачу взаимодействий — слишком много колебательных режимов, или мод. Если теория не включает симметрию, теоретические расчеты дают бессмысленные предсказания: к примеру, что вероятность высокоэнергетических взаимодействий выше, чем вероятность случайных колебательных мод. Ясно, что в любом точном описании природы такие нефизические частицы — частицы, которые не могут в реальности существовать, потому что колеблются не в том направлении — должны быть заранее исключены.

Можно сказать, что симметрии действуют как спам–фильтры или, может быть, скорее как контроль качества. В любой теории взаимодействий симметрии действуют как фильтры и отбрасывают те элементы, которые неправильно себя ведут. Дело в том, что взаимодействия между нежелательными частицами не уважают симметрий, тогда как частицы, взаимодействующие с сохранением необходимых симметрий, колеблются, как надо. Таким образом, симметрии гарантируют, что теоретические прогнозы касаются только физических частиц, а потому имеют смысл и должны совпадать с результатами экспериментов.

Исходя из вышесказанного симметрии позволяют сформулировать теорию взаимодействий более тонко. Вместо того чтобы исключать в каждом расчете нефизические режимы по одному, симметрии одним широким взмахом исключают из расчета сразу все нефизические частицы. Любая теория с симметричными взаимодействиями рассматривает только физические колебательные режимы, поведение которых, собственно, мы и хотим описать.

Все это замечательно работает в любой теории взаимодействий, где переносчики этих взаимодействий имеют нулевую массу покоя. В симметричных теориях все предсказания в отношении высокоэнергетических взаимодействий имеют смысл, а участвуют в них только физические, то есть реально существующие в природе, колебания. Для безмассовых калибровочных бозонов задача высокоэнергетических взаимодействий решается относительно просто, потому что ограничения соответствующей симметрии устраняют из теории все нефизические, неправильно ведущие себя колебания.

Таким образом, симметрии решают одновременно две задачи: устранение нефизических колебаний и связанных с ними некорректных прогнозов.

Однако калибровочный бозон с ненулевой массой обладает дополнительным физическим — существующим в природе — режимом колебаний. Именно к этой категории относятся калибровочные бозоны, передающие слабое взаимодействие. Симметрии устранили бы слишком большую долю их колебательных режимов. Без какого‑то нового, дополнительного ингредиента массы слабых бозонов никак не укладываются в Стандартную модель с ее симметриями. Для калибровочных бозонов с ненулевыми массами мы вынуждены учитывать неправильно ведущие себя колебания, а это значит, что решение задачи о высокоэнергетических взаимодействиях перестает быть таким уж простым. Чтобы теория давала разумные прогнозы, необходимо что‑то еще.

Далее, ни одна из элементарных частиц Стандартной модели без учета модели Хиггса не может обладать ненулевой массой и соответствовать при этом всем симметриям теории взаимодействий. В присутствии симметрий, связанных с взаимодействиями, кварки и лептоны в безхиггсовской Стандартной модели тоже не могли бы обладать ненулевыми массами.

В главе 14 мы представили таблицу, в которой присутствуют как левые, так и правые фермионы — частицы, которые становятся парными при ненулевых массах. Кварки или лептоны, обладающие ненулевыми массами, порождают взаимодействия, которые превращают левые фермионы в правые. Но, чтобы левые и правые фермионы способны были превращаться друг в друга, те и другие должны участвовать в одних и тех же взаимодействиях. В то же время эксперименты показывают, что слабое взаимодействие иначе действует на левые фермионы, чем на правые, в которые могут превращаться массивные кварки и лептоны. Такое нарушение пространственной симметрии при первом знакомстве кажется поразительным. В конце концов, остальные известные законы природы не различают левое и правое. Но эта замечательная особенность — то, что слабое взаимодействие по–разному относится к левому и правому — была продемонстрирована экспериментально и представляет собой существенную характеристику Стандартной модели.

Тот факт, что левые и правые кварки и лептоны взаимодействуют по–разному, говорит о том, что без дополнительного ингредиента ненулевые массы кварков и лептонов никак не согласуются с известными физическими законами. Эти ненулевые массы связали бы частицы, несущие слабый заряд, с частицами, такого заряда не несущими.

Иными словами, поскольку слабый заряд несут только левые частицы, он может теряться. Судя по всему, заряд при этом уходит в вакуум — пространство, не содержащее никаких частиц. Вообще‑то, такого происходить не должно. Заряды должны сохраняться. Если заряд может появляться и исчезать, симметрии, связанные с соответствующим взаимодействием, оказываются нарушенными — и у нас вновь появятся причудливые вероятностные прогнозы высокоэнергетических взаимодействий калибровочных бозонов. Заряды не должны волшебным образом появляться и исчезать, если вакуум на самом деле пуст и не содержит ни частиц, ни полей.

Но заряды вполне могут появляться и исчезать, если вакуум на самом деле не пуст, а содержит поле Хиггса, которое придает ему слабый заряд. Поле Хиггса, даже если оно придает вакууму заряд, не состоит из реальных частиц. По существу, это распределение слабого заряда в пределах Вселенной, возникающее только тогда, когда само поле приобретает ненулевую величину. Когда поле Хиггса отлично от нуля, дело обстоит так, как будто Вселенная имеет неограниченные запасы слабого заряда. Представьте, что вы располагаете неограниченным источником денег. Вы можете раздавать деньги или брать их себе, и в вашем распоряжении по–прежнему будет оставаться неограниченная сумма. Примерно так же поле Хиггса насыщает вакуум неограниченным слабым зарядом. При этом оно нарушает симметрии, связанные с взаимодействиями, и позволяет зарядам уходить в вакуум и извлекаться из него, в результате чего возникают массы частиц.

Один из способов представить себе механизм Хиггса и происхождение масс состоит в том, что этот механизм позволяет вакууму вести себя подобно вязкой жидкости — полю Хиггса, пронизывающему вакуум, — несущей слабый заряд. Частицы, несущие этот заряд, такие как слабые калибровочные бозоны, а также кварки и лептоны Стандартной модели, могут взаимодействовать с этой «жидкостью», и это взаимодействие замедляет частицы. Такое замедление говорит об обретении частицами массы — ведь безмассовые частицы путешествуют сквозь вакуум со скоростью света.