Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса

Голдберг Дэйв

При очень высоких энергиях — из тех, которые наполняли вселенную в первые 10^–12 с после Большого взрыва — электромагнетизм и слабое взаимодействие были едины, как мы уже видели. При этом и W-бозоны, и Z⁰, и фотоны были переносчиками электрослабого взаимодействия. Между тем наличествовало и еще одно поле — поле Хиггса. Именно поле Хиггса и стартовало с вершины горы.

Бозон Хиггса в последние несколько лет так и мелькал в прессе. Мы — то есть физическое сообщество — придаем ему такое значение, поскольку это последняя частица, предсказанная стандартной моделью, и мы ее нашли! Бозон Хиггса и есть ответ на вопрос, почему слабое взаимодействие такое слабое. А еще его роль

так важна, поскольку он объясняет, откуда у Z⁰ и W-бозонов взялась масса. Массивные посредники не могут летать далеко, и именно поэтому два атома водорода должны подойти друг к другу близко-близко, прежде чем можно будет задумываться о термоядерном синтезе (не забывайте, речь идет о слабом взаимодействии). Скажем, для того, чтобы запустить слабое взаимодействие в молекуле воды (два атома водорода и один атом кислорода), ее нужно сжать примерно в миллион раз. Вот и хорошо. Вы на 70 % состоите из воды, и будет очень некстати, если в вас вдруг запустится термоядерный синтез.

В 1964 году полдюжины исследователей — Роберт Браут, Франсуа Энглер, Карл Хаген, Джеральд Гуральник, Питер Хиггс и Том Киббл — обнаружили, что нарушение симметрии объясняет наличие массы у Z⁰ и W-бозонов [102] . Поначалу эта мысль показалась полной чушью — даже тем, кому она пришла в голову.

Вот как сам Хиггс писал об этом коллеге:

Этим летом я сделал совершенно бесполезное открытие.

История с полем Хиггса очень интересная. Как мы уже видели, она начинается на вершине симметричной на первый взгляд горы. Поле Хиггса сидело себе в шатком равновесии на вершине, однако подобно тому как нейтрино и электрон можно считать двумя сторонами одной медали, так и поле Хиггса обладает двойственностью.

102

В целом это заслуга Хиггса, о чем свидетельствует и название частицы, однако сам он предлагал, чтобы ее назвали H-бозон (по первой букве фамилии Higgs).

Об этом важно помнить. Не забывайте, что симметрия электрона и нейтрино прямо связана со слабым взаимодействием. Помимо всего прочего, частица Хиггса взаимодействует с частицами W и Z. Вселенная в первые моменты своего существования была раскалена до такой степени, как будто бы на батуте Хиггса прыгала огромная толпа или — что то же самое — Сизиф катал свой камень туда-сюда в случайных направлениях, как заведенный.

Иначе говоря, было так жарко, что валун Хиггса не успел бы укатиться по склону очень уж далеко — его толкнули бы обратно. Когда вселенная стала остывать, Сизиф немного унялся, и валун покатился вниз и в конце концов очутился в относительно глубокой долине. Этот спуск нарушает прекрасную симметрию, с которой начался наш разговор. Сначала поле Хиггса могло покатиться в любую сторону, но когда валун уже покатился, это само по себе, в сущности, выбрало и закрепило одно из направлений, придало ему особость.

Поле Хиггса напрочь позабыло, что только что было на вершине горы, и быстренько обустроилось в долине. Однако поля, попавшие в долины и ущелья, как мы уже знаем, свидетельствуют о том, что соответствующая частица обладает массой. Частица Хиггса приобрела массу из ничего, всего-навсего нарушив симметрию. Вот так сюрприз!

Как бозон Хиггса создает массу

Масса бозона Хиггса, само собой, создается из чистой энергии. Это подарок Эйнштейна нам всем. Однако бозон Хиггса знаменит не тем, что у него есть масса, — он знаменит тем, что снабжает массой другие частицы.

Если хотите, чтобы я вам дешево и сердито объяснил, как бозон Хиггса создает массу, вспомните, что поле Хиггса взаимодействует с другими полями. В царстве физики взаимодействие означает энергию, а энергия означает массу. На языке батута или гитарной струны, его простоватой кузины, можно

уподобить поле Хиггса зажиманию струн пальцами: это повышает все частоты, а следовательно, и энергии. Получающаяся энергия и есть то, что мы считаем массой частиц.

Однако это описание слишком легкое. Чтобы по-настоящему понять, как бозон Хиггса создает массу, нам надо разобраться, как поле Хиггса меняется со временем. Разные поля взаимодействуют друг с другом. Электронное поле взаимодействует с фотонным. Само собой, это электромагнитное взаимодействие. Подобным же образом поле Хиггса идет на поводу у других полей. Вообще-то это не должно нас особенно тревожить. В пустых областях пространства можно ожидать, что взаимодействие, например, с Z⁰ вообще сведется к нулю — поскольку в среднем в пустоте поле Хиггса полностью исчезает.

Но стоит полю Хиггса скатиться с горы в долину, как все встает с ног на голову.

Вспомните, что поле Хиггса особенно живо реагирует на слабое взаимодействие. Как только валун скатывается с горы, возникает постоянное поле и, следовательно, постоянная энергия взаимодействия между полем Хиггса и полями W и Z⁰. Однако взаимодействия эти направлены в обе стороны. Не забывайте:

Третий закон Ньютона. Сила действия равна силе противодействия, или силы, с которыми два тела действуют друг на друга, всегда равны по величине и направлены в противоположных направлениях.

Стоило нам добавить постоянное взаимодействие, как у нас — крэкс, пэкс, фэкс — появилась масса! Можно считать, что это просто наглядная иллюстрация понятия «общее благо» (как говорил Кеннеди, «На большой волне все лодки поднимаются»). Поскольку поле Хиггса больше не покоится на вершине горы, ни одно из полей, с которыми оно взаимодействует, больше не находится в его положении равновесия. Бозон Хиггса и переносчики слабого взаимодействия — они как Чудо-Близнецы субатомного мира. Стоит одному из них изменить свойства, как меняются все сразу.

Тут можно воспользоваться одной удачной аналогией. Бозон Хиггса — бозон, а значит, входит в одну категорию с фотоном, глюонами и прочими частицами-переносчиками, третейскими судьями в мире элементарных частиц. Большинство физиков не считают бозон Хиггса переносчиком взаимодействия, однако вы можете считать иначе: пусть он будет переносчиком взаимодействия, но особого рода, таким, который помогает частице взаимодействовать с самой собой. Частица W⁺ только и делает, что испускает и принимает бозоны Хиггса, но она не рассылает их никуда, а что сеет, то и пожинает, а в процессе выдает еще и энергию взаимодействия в качестве, так сказать, пота. Поскольку энергия и есть масса, W ₊ набирает вес — вроде бы из ничего.

Если немного углубиться в математические подробности, станет ясно, что механизм Хиггса позволяет сделать множество предположений, главное из которых — что частицы W и Z⁰ должны обладать массой. Это очень далеко идущее предположение. В частности, оно позволяет вычислить, что масса Z⁰ в 1,14 раз больше массы W, и эксперименты это подтверждают.

Я отдаю себе отчет, что вся картина взаимодействия полей — не самая интуитивно понятная концепция на свете. Вокруг нее, словно грибы, разрослись разные кустарные способы разъяснения механизма Хиггса при помощи незатейливых сравнений.

Например, некоторые ученые уподобляют поле Хиггса космической цистерне с патокой. Когда молекулы движутся сквозь патоку, то встречают сопротивление движению, а это точь-в-точь масса!

Казалось бы, все это очень красиво — но тут становится ясно, что очень много вопросов так и остались без ответов. Например, почему это только некоторые частицы взаимодействуют с патокой Хиггса? Почему не все одинаково? Если бы нам с вами пришлось плавать в густом сиропе, он одинаково мешал бы обоим — однако частица Z⁰ гораздо массивнее электрона! А фотон и вообще лишен массы.