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

Иногда пресса — а вслед за ней и публика, падкая на громкие и интригующие названия — называет бозон Хиггса «частицей Бога». Репортерам нравится это название, потому что на него обращают внимание; именно поэтому, кстати, это случайное выражение в устах физика Леона Ледермана было подхвачено с таким энтузиазмом. Бозон Хиггса — замечательное открытие, но его «псевдоним» не стоит воспринимать всерьез.

Возможно, это прозвучит излишне наукообразно, но существование новой частицы, играющей роль бозона Хиггса, очень солидно обосновано. Помимо изложенного выше теоретического обоснования, этого требует структура Стандартной модели. Представьте, что фундаментальная теория предусматривала бы массивные частицы, а механизма Хиггса для объяснения массы не существовало. В этом случае, как объяснялось в начале главы, предсказания для высокоэнергетических взаимодействий выглядели бы абсурдно — в них появлялись бы даже вероятности больше единицы. Разумеется, мы не можем верить таким предсказаниям. Стандартная модель без дополнительных структур неизбежно оказалась бы неполной. Единственный выход — введение дополнительных частиц и взаимодействий.

Теория с участием бозона Хиггса аккуратно обходит проблемы высокоэнергетических прогнозов. Взаимодействия с бозоном Хиггса не только изменяют прогноз для высокоэнергетических взаимодействий, но полностью устраняют «неправильное» поведение частиц на высоких энергиях. Разумеется, это не просто совпадение. Это именно то, что гарантирует механизм Хиггса. Мы пока не знаем наверняка, верно ли мы предсказываем реальные следствия действия механизма Хиггса, но физики уверены, что в масштабе слабого взаимодействия должна появиться новая частица или несколько частиц.

Исходя из этих соображений, мы уверены, что новые частицы или взаимодействия, «спасающие» теорию, не могут быть слишком тяжелыми или происходить при слишком высоких энергиях. При отсутствии дополнительных частиц некорректные предсказания появляются уже на энергиях около 1 ТэВ. Поэтому можно сказать, что бозон Хиггса (или что‑то иное, что играет ту же роль) не только существует, но и должен быть достаточно легким, чтобы попасть в пределы доступных БАКу энергий. Точнее говоря, расчеты показывают: чтобы Стандартная модель не давала некорректных предсказаний для высокоэнергетических взаимодействий, необходимо, чтобы масса бозона Хиггса не превосходила 800 ГэВ.

В реальности мы ожидаем, что бозон Хиггса окажется заметно легче этого показателя. Существующие теории тяготеют к относительно легкому бозону Хиггса — большая часть теоретических предположений указывает на массу, лежащую лишь чуть выше предела, достигнутого в экспериментах 1990–х гг. на LEP, то есть чуть выше 114 ГэВ. Если бы бозон Хиггса был легче названной величины, его можно было бы получить и обнаружить на LEP, и многие в то время думали, что стоят на пороге открытия. Сегодня большинство физиков считает, что масса бозона Хиггса должна быть очень близка к этой величине и, по всей видимости, не превосходит 140 ГэВ.

Самый весомый аргумент в пользу легкого бозона Хиггса основан на экспериментальных данных — не только на результатах поиска самого бозона, но и на результатах измерения других величин Стандартной модели. Предсказания Стандартной модели очень хорошо согласуются с результатами измерений, и даже небольшие отклонения могли бы нарушить эту согласованность. Бозон Хиггса влияет на предсказания Стандартной модели через квантовые эффекты. При слишком тяжелом бозоне Хиггса эти эффекты были бы слишком велики, и согласованность между экспериментальными данными и теоретическими предсказаниями нарушалась бы.

Напомню, что согласно квантовой механике в любом взаимодействии принимают участие и виртуальные частицы. Они появляются на краткий миг и исчезают вновь, какое бы начальное состояние вы ни выбрали, и вносят свой вклад в итоговое взаимодействие. Так что хотя многие процессы Стандартной модели проходят вообще без участия бозона Хиггса, обмен частицей Хиггса тем не менее влияет на все предсказания в рамках Стандартной модели, такие как скорость распада калибровочного Ζ–бозона на кварки и лептоны и отношение масс W- и Ζ–бозонов. Влияние виртуальных эффектов Хиггса на эти точные электрослабые измерения зависит от массы бозона Хиггса. При этом оказывается, что предсказания хорошо согласуются с экспериментом только в том случае, если масса бозона Хиггса не слишком велика.

Вторая (более умозрительная) причина считать, что бозон Хиггса должен оказаться не слишком тяжелым, имеет отношение к теории так называемой суперсимметрии, к которой мы вскоре обратимся. Многие физики считают, что суперсимметрия реально существует в природе, и исходя из этой теории масса бозона Хиггса должна быть близка к измеренной массе калибровочного Ζ–бозона, то есть относительно невелика.

Учитывая предположение о том, что бозон Хиггса не слишком тяжел, можно задать вопрос: почему мы видели все частицы Стан-, дартной модели, но никогда не видели бозона Хиггса. Все дело в его свойствах. Даже если масса частицы невелика, мы ее не увидим до тех пор, пока не сумеем получить на коллайдере и зарегистрировать. А наша способность сделать это определяется свойствами этой частицы. В конце концов, частицу, которая вообще ни с чем не взаимодействует, никто никогда не увидит, какой бы легкой она ни была.

Мы немало знаем о том, как должны выглядеть взаимодействия бозона Хиггса, потому что бозон Хиггса и поле Хиггса, хоть это и разные вещи, похоже взаимодействуют с другими элементарными частицами. А о взаимодействиях поля Хиггса с элементарными частицами мы можем судить по массам этих частиц. Поскольку механизм Хиггса отвечает за массы элементарных частиц, мы можем сказать, что поле Хиггса сильнее всего взаимодействует с самыми тяжелыми частицами. А поскольку бозон Хиггса возникает из поля Хиггса, мы можем сказать то же и о его взаимодействиях. Бозон Хиггса, как и поле Хиггса, сильнее взаимодействует с теми частицами Стандартной модели, которые обладают наибольшей массой.

Более сильное взаимодействие между бозоном Хиггса и тяжелыми частицами подразумевает, что для получения бозона Хиггса лучше всего было бы начать с тяжелых частиц и их столкновений. К несчастью, в коллайдерах мы не можем начать с тяжелых частиц.

Представьте, как в БАКе могли бы возникнуть бозон Хиггса или, вообще говоря, любая частица. В столкновениях на БАКе участвуют легкие частицы. Судя по небольшой массе, с частицей Хиггса они взаимодействуют так слабо, что если бы в рождении бозона Хиггса не участвовали никакие другие частицы, то возникал бы он слишком редко, чтобы мы могли его обнаружить на любом из наших коллайдеров.

К счастью, квантовая механика предлагает нам и другие варианты. Бозон Хиггса незаметно рождается в коллайдерах с участием тяжелых виртуальных частиц. При столкновении легких кварков могут родиться тяжелые частицы, которые затем испустят бозон Хиггса. К примеру, легкие кварки могут при столкновении породить виртуальный W–бозон, первый в ряду калибровочных бозонов. Эта виртуальная частица может затем излучить бозон Хиггса (схему этого процесса можно увидеть на первой схеме рис. 51). Поскольку виртуальный W–бозон намного тяжелее и верхнего, и нижнего кварков в составе протона, с бозоном Хиггса он взаимодействует соответственно сильнее. При достаточном количестве протонных столкновений именно так должен рождаться хиггс.