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

Этот тонкий процесс, посредством которого элементарные частицы обретают массу, известен как механизм Хиггса. Он говорит нам не только о том, как частицы обретают массу, но и о свойствах этих масс. Механизм Хиггса объясняет, к примеру, почему одни частицы тяжелые, а другие — легкие. Дело в том, что у частиц, сильнее взаимодействующих с полем Хиггса, масса больше, а у тех, которые взаимодействуют слабее, масса меньше. Истинный, или t–кварк, самый тяжелый из всех, взаимодействует сильнее остальных. Электрон или u–кварк, обладающие небольшой массой, взаимодействуют намного слабее.

Механизм Хиггса позволяет также глубоко заглянуть в природу электромагнетизма и фотонов, которые передают это взаимодействие. Механизм Хиггса говорит нам, что массу обретают только те переносчики взаимодействия, которые взаимодействуют с распределенным в вакууме слабым зарядом. Калибровочные W- и Ζ–бозоны взаимодействуют с этим зарядом и потому обладают неисчезающей массой. Однако поле Хиггса, насыщающее вакуум и несущее слабый заряд, электрически нейтрально. Фотон не взаимодействует со слабым зарядом, и его масса остается нулевой. Таким образом, фотон — исключение.

Без механизма Хиггса в природе было бы три безмассовых слабых калибровочных бозона и еще один переносчик взаимодействия (тоже с нулевой массой), известный как гиперзарядный калибровочный бозон, и никто и никогда не стал бы вообще говорить о фотоне. Но в присутствии поля Хиггса только уникальная комбинация гиперзарядного калибровочного бозона и одного из трех слабых калибровочных бозонов не взаимодействует с зарядом в вакууме — и именно эта комбинация представляет собой фотон, передающий электромагнитное взаимодействие. Отсутствие у фотона массы имеет принципиальное значение для многих важных явлений, представляющих собой следствие электромагнетизма. Безмассовость фотона объясняет, почему радиоволны распространяются на гигантские расстояния, тогда как слабое взаимодействие ограничено расстояниями крохотными. Поле Хиггса несет слабый заряд, но не несет электрического. Поэтому фотон имеет нулевую массу и путешествует со скоростью света по определению, тогда как переносчики слабого взаимодействия массивны.

Не запутайтесь: фотоны — элементарные частицы. Но в определенном смысле первоначальные калибровочные бозоны были идентифицированы неверно, потому что они не соответствовали никаким физическим частицам, которые имеют определенные массы (возможно, нулевые) и проходят сквозь вакуум беспрепятственно. До тех пор пока нам не известны слабые заряды, распределенные по вакууму посредством механизма Хиггса, мы никак не можем определить, какие частицы обладают ненулевыми массами, а какие нет. В соответствии с зарядами, полученными вакуумом через механизм Хиггса, гиперзарядный калибровочный бозон и слабый калибровочный бозон при движении сквозь вакуум то и дело превращаются друг в друга, и мы не можем приписать ни одному из них определенной массы. С учетом слабого заряда вакуума можно утверждать, что только фотон и Ζ–бозон проходят сквозь вакуум, не меняя своей сущности, причем Ζ–бозон приобретает массу, а фотон — нет. Таким образом, механизм Хиггса делает исключение для одной конкретной частицы под названием «фотон» и для одного конкретного типа заряда — электрического, который фотон переносит.

Таким образом, механизм Хиггса объясняет, почему из всех переносчиков взаимодействий только фотон имеет нулевую массу. Он объясняет и еще одно свойство массы. Этот урок немного тоньше, но он дает нам возможность глубоко разобраться в том, почему механизм Хиггса допускает массы, которые хорошо согласуются с разумными высокоэнергетическими предсказаниями. Если представить себе поле Хиггса как жидкость, то можно вообразить, что при определении массы частиц плотность этой жидкости также имеет значение. А если мы представим эту плотность как результат действия зарядов, расположенных на фиксированных расстояниях, то получится, что одни частицы пролетают настолько маленькие расстояния, что никогда не встречаются со слабым зарядом, — они движутся так, как если бы обладали нулевой массой; частицы же, проходящие большие расстояния, неизбежно сталкиваются со слабыми зарядами и замедляются.

Все вышесказанное соответствует тому факту, что механизм Хиггса связан со спонтанным нарушением симметрии, связанной со слабым взаимодействием, а это нарушение симметрии связано с определенным масштабом.

Спонтанное нарушение симметрии возникает в тех случаях, когда симметрия присутствует в законах природы — как в теории фундаментальных взаимодействий, — но нарушается в реальном состоянии системы. Как мы уже говорили, симметрии должны существовать по причинам, связанным с высокоэнергетическим поведением частиц в этой теории. Тогда единственное решение заключается в том, что симметрии существуют, однако спонтанно нарушаются, чтобы слабый калибровочный бозон мог обладать массой, но избегать при этом «неправильного» поведения при высоких энергиях.

Механизм Хиггса основан на представлении о том, что симметрия на самом деле — это часть теории. Законы природы предполагают симметрию. Но реальное состояние окружающего мира игнорирует ее. Вообразите себе карандаш, который сначала стоит торчком (симметрично), а потом падает, выбирая тем самым одно определенное направление. Пока карандаш стоял, все направления для него были одинаковы, но при его падении симметрия нарушается. Таким образом, лежащий карандаш спонтанно нарушает симметрию, которая для стоящего карандаша соблюдалась.

Точно так же механизм Хиггса спонтанно нарушает симметрию слабого взаимодействия. Это означает, что законы физики предусматривают симметрию, но для вакуума, насыщенного зарядом слабого взаимодействия, симметрия нарушается. Поле Хиггса, пронизывающее Вселенную несимметричным образом, нарушает симметрию слабого взаимодействия, которая без него соблюдалась бы, и позволяет элементарным частицам обзаводиться массой.

Помещая в вакуум некий заряд, механизм Хиггса нарушает симметрию, связанную со слабым взаимодействием, причем делает это на определенном масштабе. Этот масштаб задается распределением слабых зарядов в вакууме. На высоких энергиях или на маленьких расстояниях частицы не встречают никаких слабых зарядов и потому ведут себя как безмассовые. Это означает, что на маленьких расстояниях (или на высоких энергиях, что эквивалентно) симметрия, судя по всему, соблюдается. Однако на больших расстояниях слабый заряд действует в некоторых отношениях как сила трения и замедляет частицы. Похоже, что поле Хиггса придает частицам массу только на низких энергиях, то есть на относительно больших расстояниях.

Именно это нам и нужно. Опасные взаимодействия, которые не имели бы смысла для массивных частиц, применимы только на высоких энергиях. На низких энергиях частицы могут — и должны, как показывают эксперименты — обладать массой. Механизм Хиггса, спонтанно нарушающий симметрию слабого взаимодействия, — единственный известный нам способ обеспечить такое положение вещей.

Хотя мы до сих пор не видели частиц, ответственных за механизм Хиггса, который, в свою очередь, отвечает за массы элементарных частиц, у нас имеются экспериментальные свидетельства того, что механизм Хиггса в природе существует. Его действие мы много раз наблюдали в совершенно ином контексте: а именно в сверхпроводящих материалах. Сверхпроводимость возникает тогда, когда электроны образуют пары и эти пары пронизывают весь материал. Так называемый конденсат в сверхпроводниках состоит из электронных пар, играющих ту же роль, что и поле Хиггса в приведенном выше примере.