Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
«В мире науки»
«Знание — сила»
«Квант»
«Квантик»
«Кот Шрёдингера»
«Наука и жизнь»
«Наука из первых рук»
«Популярная механика»
«Потенциал»: Химия. Биология. Медицина
«Потенциал»: Математика. Физика. Информатика
«Природа»
«Троицкий вариант»
«Химия и жизнь»
«Что нового...»
«Экология и жизнь»
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

«Квантик»


 
журнал для любознательных





Главная / Библиотека / В популярных журналах / «Квант» версия для печати

К открытию бозона Хиггса

Валерий Рубаков
«Квант» №5–6, 2012

Четвертого июля 2012 года произошло событие, имеющее выдающееся значение для современной физики: в ЦЕРНе — Европейском центре ядерных исследований — было объявлено об открытии новой частицы, свойства которой, как осторожно заявляют авторы открытия, соответствуют ожидаемым свойствам теоретически предсказанного элементарного бозона Стандартной модели физики частиц. Следуя распространенной терминологии, этот бозон часто называют бозоном Хиггса, хотя это название не вполне адекватно. Как бы то ни было, речь идет об открытии одного из центральных объектов фундаментальной физики, не имеющего аналогов среди известных элементарных частиц и занимающего уникальное место в физической картине мира.

Большой адронный коллайдер
Большой адронный коллайдер

Первые указания на существование нового бозона были получены еще в декабре 2011 года в экспериментах, выполняемых на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Кроме того, незадолго до объявления об открытии появилось сообщение о том, что данные, полученные на протон-антипротонном коллайдере Tevatron (США), также указывают на существование нового бозона. Всего этого было недостаточно для того, чтобы можно было говорить об открытии, но с декабря количество данных, набранных на Большом адронном коллайдере, удвоилось и, кроме того, были усовершенствованы методы их обработки. Результат оказался впечатляющим: в каждом из экспериментов статистическая достоверность сигнала достигла уровня, который в физике элементарных частиц считается уровнем открытия.

Что представляет собой новая частица

Прежде всего скажем, что минимальная версия теории микромира носит неуклюжее название Стандартной модели. Эта теория описывает все известные элементарные частицы и все известные взаимодействия между ними1. Бозон Хиггса был единственным не открытым до последнего времени элементом Стандартной модели.

Мы назвали эту модель минимальной именно потому, что других элементарных частиц в ней нет. В частности, в ней имеется один и только один бозон Хиггса, и он является элементарной, а не составной частицей. Большинство аспектов Стандартной модели, за исключением той ее части, которой принадлежит бозон Хиггса, проверены в многочисленных экспериментах, и главная задача Большого адронного коллайдера — выяснить, действительно ли в природе реализуется минимальный вариант теории и насколько полно эта теория описывает микромир2.

Вполне естественно, что программа поиска бозона Хиггса была с самого начала одной из главных, если не самой главной, на Большом адронном коллайдере. В ходе выполнения этой программы и была открыта новая частица. Она довольно тяжелая по меркам физики микромира. В этой области науки массу измеряют в единицах энергии, имея в виду связь E = mc2 между массой и энергией покоя. В качестве единицы энергии используют электронвольт (эВ) — энергию, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов 1 вольт, и производные единицы — МэВ (миллион электронвольт, 106 эВ), ГэВ (миллиард электронвольт, 109 эВ), ТэВ (триллион электронвольт, 1012 эВ). Масса электрона в этих единицах равна 0,5 МэВ, протона — примерно 1 ГэВ, масса самой тяжелой известной элементарной частицы, t-кварка, — 173 ГэВ. Так вот, масса новой частицы составляет 125–126 ГэВ (неопределенность связана с погрешностью измерений).

Эта новая частица, назовем ее Н, не имеет электрического заряда. Она нестабильна и может распадаться по-разному. На Большом адронном коллайдере ее открыли, изучая распады в два фотона: H → γγ и в две пары электрон-позитрон и/или мюон-антимюон: H → e+ee+e, H → e+eμ+μ, H → μ+μμ+μ. Второй тип процессов записывают как H → 4l, где l обозначает одну из частиц e+, e, μ+ или μ — их коллективно называют лептонами. Имеются также сообщения о некотором избытке событий, который можно объяснить распадами H → 2l2ν , где ν — нейтрино. Этот избыток, впрочем, пока не имеет высокой статистической достоверности.

Напомним, что элементарные частицы могут обладать спином — внутренним угловым моментом. Спин частицы может быть целым, включая ноль, или полуцелым в единицах постоянной Планка ħ. Частицы с целым и полуцелым спином называются бозонами и фермионами соответственно. Все известные до последнего времени элементарные частицы имеют ненулевой спин; так, спин электрона равен 1/2, а спин фотона равен 1. Из существования обсуждавшихся распадов следует, что спин новой частицы целый — она является бозоном. Кроме того, ее спин не может быть равным единице — частица со спином 1 не может распадаться на два фотона. Остается спин 0, 2 или выше. Хотя прямого экспериментального измерения спина новой частицы пока нет, крайне маловероятно, что мы имеем дело с частицей со спином 2 или больше. Почти наверняка спин Н равен нулю. Как мы увидим, именно таким должен быть бозон Хиггса.

Вообще, всё, что сейчас известно о новой частице, согласуется с ее интерпретацией как бозона Хиггса, предсказанного Стандартной моделью макромира. В рамках этой модели можно вычислить как вероятность рождения бозона Хиггса в протон-протонных столкновениях, так и вероятности его распадов — и тем самым предсказать число ожидаемых событий. Эти предсказания и подтверждаются экспериментом, конечно в пределах экспериментальных погрешностей. Эти погрешности пока велики, да и измеренных величин пока совсем немного. Тем не менее трудно сомневаться в том, что открыт именно бозон Хиггса или что-то очень похожее на него. Особенно если учесть, что распады H → γγ и H → 4l должны быть очень редкими: на два фотона распадается 2 из 1000 бозонов Хиггса, а на две e+e и/или μ+μ пары — 1 из 10 000.

Более чем в половине случаев бозон Хиггса должен распадаться на пару b-кварк–b-антикварк: H → . Рождение пары в протон-протонных (и протон-антипротонных) столкновениях — явление очень частое и без всякого бозона Хиггса, и выделить сигнал от бозона Хиггса из этого «шума» (физики говорят «фона») в экспериментах на Большом адронном коллайдере пока не удалось.

Заканчивая описание известных свойств новой частицы, скажем, что живет она довольно долго по меркам физики микромира. На основе имеющихся экспериментальных данных можно получить оценку снизу на ее время жизни: τH ≥ 10–24 с, что не противоречит предсказанию Стандартной модели: τH = 1,6·10–22 с. Для сравнения, время жизни t-кварка составляет τt = 3·10–25 с . Отметим, что прямое измерение времени жизни новой частицы на Большом адронном коллайдере вряд ли возможно.

Зачем нужен новый бозон?

В квантовой физике каждая элементарная частица является квантом некоторого поля и, наоборот, каждому полю соответствует своя частица-квант. Наиболее известный пример: электромагнитное поле и его квант фотон. Поэтому вопрос, поставленный в заглавии этого раздела, можно переформулировать так: зачем нужно новое поле и каковы его ожидаемые свойства?

Краткий ответ состоит в том, что симметрии теории микромира — будь то Стандартная модель или какая-то более сложная теория — запрещают элементарным частицам иметь массы, а новое поле нарушает эти симметрии и обеспечивает существование масс частиц.

Рассмотрим, хотя бы в общих чертах, роли симметрий в физике микромира.

Симметрии, законы сохранения и запреты. Общим свойством физических теорий, будь то ньютонова механика, механика специальной теории относительности, квантовая механика или теория микромира, является то, что каждой симметрии соответствует свой закон сохранения. Например, симметрии относительно сдвигов во времени (то есть тому обстоятельству, что законы физики одинаковы в каждый момент времени) соответствует закон сохранения энергии, симметрии относительно сдвигов в пространстве — закон сохранения импульса, а симметрии относительно поворотов в пространстве (все направления в пространстве равноправны) — закон сохранения углового момента. Законы сохранения можно интерпретировать и как запреты: перечисленные симметрии запрещают изменение энергии, изменение импульса и изменение углового момента замкнутой системы при ее эволюции.

Наоборот, каждому закону сохранения соответствует своя симметрия; это утверждение является точным в квантовой теории. Спрашивается, какая же симметрия соответствует закону сохранения электрического заряда? Ясно, что симметрии пространства и времени здесь ни при чем. Тем не менее, необходимая симметрия имеется. Дело в том, что помимо очевидных пространственно-временных симметрий существуют неочевидные, «внутренние» симметрии. Одна из них и приводит к сохранению электрического заряда. Для нас важно, что эта же внутренняя симметрия (только понимаемая в расширенном смысле — физики употребляют термин «калибровочная инвариантность») объясняет и тот факт, что у фотона нет массы. Отсутствие массы у фотона в свою очередь тесно связано с тем, что у света могут быть только два типа поляризации — левая и правая.

Чтобы пояснить эту связь между наличием только двух типов поляризации света и отсутствием массы у фотона, отвлечемся на время от разговора о симметриях и снова напомним, что элементарные частицы характеризуются спином, который может быть полуцелым или целым (в единицах постоянной Планка). Элементарные фермионы (частицы с полуцелым спином) имеют спин 1/2. Это электрон e, электронное нейтрино νe, тяжелые аналоги электрона — мюон μ и τ-лептон, их нейтрино νμ и ντ, кварки шести типов u, d, c, s, t, b и соответствующие всем им античастицы (позитрон e+, антинейтрино , антикварк ũ и т. д.). Кварки u и d — легкие, и из них состоят протон (кварковый состав uud) и нейтрон (udd). Остальные кварки — более тяжелые, они входят в состав короткоживущих частиц, например К-мезонов.

Частицы с целым спином называют бозонами. К ним относится фотон, он имеет спин 1. Единичным спином обладают и глюоны — отдаленные аналоги фотона, отвечающие за взаимодействия между кварками и связывающие их в протон, нейтрон и другие составные частицы. Кроме того, есть еще три частицы с единичным спином — электрически заряженные W+W-бозоны и нейтральный Z-бозон. О них еще пойдет речь впереди. Ну а частица Хиггса должна иметь нулевой спин.

Заметим, кстати, что мы только что перечислили все элементарные частицы, имеющиеся в Стандартной модели.

Элементарные частицы Стандартной модели микромира
Элементарные частицы Стандартной модели микромира

Вернемся к свойствам частиц со спином. Массивная частица со спином s (в единицах ħ) имеет (2s + 1) состояний с разными проекциями спина на заданную ось (спин — это вектор, так что понятие его проекции на заданную ось имеет обычный смысл). Например, спин электрона в его системе покоя может быть направлен вверх: sz = +1/2 или вниз: sz = –1/2. Бозон Z обладает ненулевой массой и спином s = 1, поэтому состояний с разными проекциями спина у него три: sz = +1, 0 или –1. Совершенно иначе обстоит дело с безмассовыми частицами. Поскольку они летают со скоростью света, перейти в систему отсчета, где такая частица покоится, нельзя. Тем не менее, можно говорить о проекции спина на направление движения. Так вот, несмотря на то что спин фотона равен единице, таких проекций может быть всего две — вдоль и против направления движения. Это и есть правая и левая поляризации фотона (света). Третье состояние с нулевой проекцией спина, которое обязано было бы существовать, будь у фотона масса, запрещено глубокой внутренней симметрией электродинамики, той самой симметрией, что приводит к сохранению электрического заряда. Таким образом, эта внутренняя симметрия запрещает и существование массы у фотона!

Что-то не так! Ключевыми для нас являются, однако, не фотоны, a W±- и Z-бозоны. Эти частицы, открытые в 1983 году и задолго до этого предсказанные теоретиками, обладают спином 1 и довольно большой массой: W±-бозоны имеют массу 80 ГэВ (то есть они примерно в 80 раз тяжелее протона), а Z-бозон имеет массу 91 ГэВ. Свойства W±- и Z-бозонов сейчас хорошо известны, в основном благодаря экспериментам на электрон-позитронном и протон-антипротонном коллайдерах: точность измерений целого ряда величин, относящихся к W±- и Z-бозонам, лучше 0,1%. Эти свойства, как и свойства других частиц, прекрасно описываются Стандартной моделью. Последнее замечание относится и к взаимодействиям W±- и Z-бозонов с электроном, нейтрино, кварками и другими частицами. Эти взаимодействия, кстати, называют слабыми. Они изучены во всех деталях; один из давно известных примеров их проявления — это β-распады мюона, нейтрона и ядер.

Электромагнитное (а) и слабые (б, в) взаимодействия
Электромагнитное (а) и слабые (бв) взаимодействия

Как мы уже говорили, каждый из W±- и Z-бозонов может находиться в трех спиновых состояниях, а не в двух, как фотон. Тем не менее, их взаимодействия с фермионами (нейтрино, кварками, электроном и т. д.) устроены в принципе так же, как взаимодействие фотона. Например, фотон взаимодействует с электрическим зарядом электрона и электрическим током, который создает движущийся электрон. Точно так же Z-бозон взаимодействует с некоторым зарядом электрона и током, возникающим при движении электрона, только эти заряд и ток не совпадают с электрическими. С точностью до важной особенности, о которой пойдет вскоре речь, аналогия будет полной, если помимо электрического заряда электрону приписать еще и z-заряд. Своими z-зарядами обладают и кварки, и нейтрино.

Аналогия с электродинамикой простирается еще дальше. Так же, как и теория фотона, теория W±- и Z-бозонов обладает глубокой внутренней симметрией, близкой к той, что приводит к закону сохранения электрического заряда. В полной аналогии с фотоном, эта внутренняя симметрия запрещает W± и Z-бозонам иметь третью поляризацию, а стало быть и массу. Вот тут и получается нестыковка: симметрийный запрет на массу частицы со спином 1 действительно работает в случае фотона, а в случае W±- и Z-бозонов этот запрет не работает!

Дальше — больше. Слабые взаимодействия — взаимодействия электронов, нейтрино, кварков и других частиц с W±- и Z-бозонами — устроены так, как если бы эти фермионы не имели никакой массы. Дело здесь не в числе поляризаций: и у массивных, и у безмассовых фермионов поляризаций (направлений спина) может быть ровно две. А в том, как именно взаимодействуют фермионы с W±- и Z-бозонами.

Чтобы пояснить суть проблемы, выключим сначала массу электрона (в теории такое позволено) и рассмотрим воображаемый мир, в котором масса электрона равна нулю. В таком мире электрон летает со скоростью света и может иметь спин, направленный вдоль направления движения или против него. Так же, как и для фотона, в первом случае имеет смысл говорить об электроне с правой поляризацией или, короче, о правом электроне, во втором — о левом электроне.

Поскольку мы хорошо знаем, как устроены электромагнитные и слабые взаимодействия (только в них электрон и участвует), мы вполне способны описать свойства электрона в нашем воображаемом мире. А они таковы. Во-первых, в этом мире правый и левый электроны — две совершенно разные частицы: правый электрон никогда не превращается в левый, и наоборот. Действительно, превращение правого электрона в левый на лету запрещено законом сохранения углового момента (в данном случае спина), а взаимодействия электрона с фотоном и Z-бозоном не меняют его поляризацию. Во-вторых, взаимодействие электрона с W-бозоном испытывает только левый электрон, а правый в нем вообще не участвует. Третьей важной особенностью, о которой мы обмолвились выше, является в этой картине то, что z-заряды левого и правого электронов различны — левый электрон взаимодействует с Z-бозоном сильнее, чем правый. Аналогичные свойства имеются и у мюона, и у тау-лептона, и у кварков.

Неизменность проекции спина электрона при испускании фотона или Z-бозона
Неизменность проекции спина электрона при испускании фотона или Z-бозона

Подчеркнем, что в воображаемом мире с безмассовыми фермионами нет никаких проблем с тем, что левые и правые электроны взаимодействуют с W- и Z-бозонами по-разному, в частности что «левый» и «правый» z-заряды различны. В этом мире левые и правые электроны — это разные частицы, и дело с концом. Нас же не удивляет, что разные частицы, например электрон и нейтрино, имеют разные электрические заряды (в данном случае –1 и 0).

Попробуем теперь включить массу электрона — и немедленно придем к противоречию. Быстро движущийся электрон, скорость которого близка к скорости света, а спин направлен против направления движения, выглядит почти так же, как левый электрон из нашего воображаемого мира. И взаимодействовать он должен почти так же3. Если это взаимодействие связано с z-зарядом, то этот быстрый электрон должен иметь «левое» значение z-заряда — такое же, как z-заряд левого электрона в нашем воображаемом мире. Однако скорость массивного электрона все-таки меньше скорости света, и всегда можно перейти в систему отсчета, движущуюся еще быстрее. В новой системе направление движения электрона изменится на противоположное, а направление спина останется прежним. Проекция спина на направление движения будет теперь положительной, и такой электрон будет выглядеть как правый, а не как левый4. Соответственно, и z-заряд его должен быть таким же, как у правого электрона из нашего воображаемого мира. Такого не может быть: значение заряда не должно зависеть от системы отсчета. Противоречие налицо. Подчеркнем, что мы пришли к нему, предполагая, что z-заряд сохраняется; если заряд не сохраняется, то о его значении для данной частицы и говорить не приходится.

Это противоречие показывает, что симметрии Стандартной модели (для определенности будем говорить о ней, хотя всё сказанное относится к любому другому варианту теории) должны были бы запрещать существование масс не только у W±- и Z-бозонов, но и у фермионов. При чем тут симметрии? При том, что они должны были бы приводить к сохранению z-заряда. Измерив z-заряд электрона, мы смогли бы однозначно сказать, левый этот электрон или правый. А это возможно только тогда, когда масса электрона равна нулю.

Таким образом, в мире, где все симметрии Стандартной модели реализовывались бы так же, как в электродинамике, все элементарные частицы должны были бы иметь нулевые массы. В реальном мире эти массы есть, значит, с симметриями Стандартной модели что-то должно происходить.

Нарушение симметрии. Говоря о связи симметрии с законами сохранения и запретами, мы упустили из виду одно обстоятельство. Оно заключается в том, что законы сохранения и симметрийные запреты выполняются только тогда, когда симметрия присутствует явно. Однако симметрии могут быть и нарушенными. Например, в однородном образце железа при комнатной температуре всегда имеется магнитное поле, направленное в какую-то сторону; образец представляет собой магнит. Если бы существовали микроскопические существа, живущие внутри этого магнита, то они бы обнаружили, что не все направления пространства вокруг них равноправны: на электрон, летящий поперек магнитного поля, действует сила со стороны магнитного поля — сила Лоренца, а на электрон, летящий вдоль поля, сила не действует. Соответственно, движение электрона вдоль магнитного поля происходит по прямой, поперек поля — по окружности, а в общем случае — по спирали. Стало быть, магнитное поле внутри образца нарушает симметрию относительно вращений в пространстве. В связи с этим внутри магнита не выполняется и закон сохранения углового момента: при движении электрона по спирали проекция углового момента на ось, перпендикулярную магнитному полю, меняется со временем.

Движение электрона по спирали в магнитном поле
Движение электрона по спирали в магнитном поле

Здесь мы имеем дело со спонтанным нарушением симметрии. В отсутствие внешних воздействий (например, магнитного поля Земли) в разных образцах железа магнитное поле может быть направлено в разные стороны, и ни одно из этих направлений не будет предпочтительнее другого. Исходная симметрия относительно вращений по-прежнему имеется, и проявляется она в том, что магнитное поле в образце может быть направлено куда угодно. Но раз уж магнитное поле возникло, появилось и выделенное направление, и симметрия внутри магнита оказалась нарушенной. На более формальном уровне: уравнения, управляющие взаимодействием атомов железа между собой и с магнитным полем, симметричны относительно вращений в пространстве, но состояние системы этих атомов — образца железа — несимметрично. В этом и состоит явление спонтанного нарушения симметрии. Отметим, что мы здесь говорим о наиболее выгодном состоянии, имеющем наименьшую энергию; такое состояние называют основным. Именно в нем окажется в конце концов образец железа, даже если изначально он был ненамагниченным.

Итак, спонтанное нарушение некоторой симметрии имеет место тогда, когда уравнения теории симметричны, а основное состояние — нет. Слово «спонтанное» употребляют в этом случае в связи с тем, что система сама, без нашего участия, выбирает несимметричное состояние, поскольку именно оно является энергетически наиболее выгодным. Из приведенного примера ясно, что если симметрия спонтанно нарушена, то вытекающие из нее законы сохранения и запреты не работают; в нашем примере это относится к сохранению углового момента. Подчеркнем, что полная симметрия теории может быть нарушена лишь частично: в нашем примере из полной симметрии относительно всех вращений в пространстве остается ненарушенной симметрия относительно вращений вокруг направления магнитного поля.

Спонтанное нарушение симметрии в образце железа в присутствии магнитного поля
Спонтанное нарушение симметрии в образце железа в присутствии магнитного поля

Микроскопические существа, живущие внутри магнита, могли бы задать себе вопрос: «В нашем мире не все направления равноправны, угловой момент не сохраняется, но является ли пространство фундаментально несимметричным относительно вращений?» Изучив движение электронов и построив соответствующую теорию (в данном случае электродинамику), они бы поняли, что ответ на этот вопрос отрицателен: уравнения этой теории симметричны, но эта симметрия спонтанно нарушена за счет «разлитого» вокруг них магнитного поля. Развивая эту теорию дальше, они бы предсказали, что поле, отвечающее за спонтанное нарушение симметрии, должно иметь свои кванты. И построив внутри магнита маленький ускоритель, с радостью убедились бы, что эти кванты действительно существуют — они рождаются в столкновениях электронов!

В общих чертах ситуация в физике элементарных частиц похожа на ту, что мы только что описали. Но есть и важные отличия.

Во-первых, ни о какой среде наподобие кристаллической решетки атомов железа говорить уже не приходится. Состоянием с наинизшей энергией в природе является вакуум (по определению!). Это не означает, что в вакууме — основном состоянии природы — не может быть однородно «разлитых» полей, подобных магнитному полю в нашем примере. Наоборот, нестыковки, о которых мы говорили, свидетельствуют о том, что симметрии Стандартной модели (точнее, их часть) должны быть спонтанно нарушенными, а это предполагает, что в вакууме имеется какое-то поле, обеспечивающее это нарушение.

Во-вторых, речь идет не о пространственно-временных, как в нашем примере, а о внутренних симметриях. Пространственно-временные симметрии, наоборот, не должны нарушаться из-за присутствия поля в вакууме. Отсюда следует важный вывод о том, что, в отличие от магнитного, это поле не должно выделять никакого направления в пространстве (точнее, в пространстве-времени, поскольку мы имеем дело с релятивистской физикой). Поля с таким свойством называют скалярными; им соответствуют частицы со спином 0. Стало быть, поле, «разлитое» в вакууме и приводящее к нарушению симметрии, должно быть новым. Действительно, известным полям, о которых мы явно или неявно упоминали выше, — электромагнитному полю, полям W±- и Z-бозонов, глюонов — соответствуют частицы со спином 1, такие поля выделяют направления в пространстве-времени и называются векторными, а нам требуется скалярное. Поля, соответствующие фермионам (спин 1/2), тоже не годятся.

В-третьих, новое поле должно нарушать симметрии Стандартной модели не полностью, внутренняя симметрия электродинамики должна оставаться ненарушенной.

Наконец, и это самое главное, взаимодействие нового поля, «разлитого» в вакууме, с W±- и Z-бозонами, электронами и другими фермионами должно приводить к появлению масс у этих частиц.

Механизм генерации масс частиц со спином 1 — в природе это W±- и Z-бозоны — за счет спонтанного нарушения симметрии был предложен в контексте физики элементарных частиц теоретиками из Брюсселя Франсуа Энглером и Робертом Браутом и чуть позже физиком из Эдинбурга Питером Хиггсом. Произошло это в 1964 году. Они опирались на представление о спонтанном нарушении симметрии (но в теориях без векторных полей, т. е. без частиц со спином 1), которое было введено в физику элементарных частиц в 1960–1961 годах в работах Й. Намбу, Й. Намбу и Дж. Йона-Лазинио, В. Г. Вакса и А. И. Ларкина, Дж. Голдстоуна. (Й. Намбу, совместно с М. Кобаяши и Т. Маскава, получил за это Нобелевскую премию в 2008 году.) В отличие от предыдущих авторов, Энглер, Браут и Хиггс рассмотрели теорию (в то время умозрительную), в которой присутствует как скалярное (спин 0), так и векторное (спин 1) поле. В этой теории имеется внутренняя симметрия, вполне аналогичная той симметрии электродинамики, которая приводит к сохранению электрического заряда и запрету массы фотона, но, в отличие от электродинамики, внутренняя симметрия спонтанно нарушена однородным скалярным полем, имеющимся в вакууме. Замечательным результатом Энглера, Браута и Хиггса стала демонстрация того факта, что это нарушение симметрии автоматически влечет за собой появление массы у частицы со спином 1 — кванта векторного поля!

Довольно прямолинейное обобщение механизма Энглера–Браута–Хиггса, связанное с включением в теорию фермионов и их взаимодействия с нарушающим симметрию скалярным полем, приводит к тому, что массы появляются и у фермионов. Все начинает становиться на свои места. Стандартная модель теперь получается в результате дальнейшего обобщения путем включения не одного, а нескольких векторных полей — фотона, W±- и Z-бозонов и разных типов фермионов. Последний шаг на самом деле весьма нетривиален; за формулировку полной теории слабых и электромагнитных взаимодействий Стивен Вайнберг, Шелдон Ли Глэшоу и Абдус Салам получили в 1979 году Нобелевскую премию.

Вернемся в 1964 год. Для исследования свойств своей теории Энглер и Браут использовали довольно вычурный по сегодняшним меркам подход. Наверное поэтому они не заметили, что наряду с массивной частицей со спином 1 эта теория предсказывает существование еще одной частицы — бозона со спином 0. А вот Хиггс заметил, и сейчас эту новую бесспиновую частицу часто называют бозоном Хиггса. Как было отмечено в начале статьи, такая терминология представляется не вполне корректной: ключевое предложение использовать скалярное поле для спонтанного нарушения симметрии и генерации масс частиц со спином 1 впервые сделали всё же Энглер и Браут. Не вдаваясь больше в терминологию, подчеркнем, что новый бозон с нулевым спином является квантом того самого скалярного поля, которое нарушает симметрию. И в этом его уникальность.

Здесь нужно сделать уточнение. Повторим, что если бы спонтанного нарушения симметрии не было, то W±- и Z-бозоны были бы безмассовыми. Каждый из трех бозонов W+, W, Z имел бы две поляризации, как фотон. Итого, считая частицы с разными поляризациями разными, мы бы имели 2 × 3 = 6 типов W±- и Z-бозонов. В Стандартной модели W±- и Z-бозоны — массивные, каждый из них имеет три спиновых состояния, то есть три поляризации, итого 3 × 3 = 9 типов частиц — квантов полей. Спрашивается, откуда взялись три «лишних» типа квантов? Дело заключается в том, что в Стандартной модели необходимо ввести не одно, а четыре скалярных поля Энглера–Браута–Хиггса. Квант одного из них — это бозон Хиггса, новая частица, открытая в ЦЕРНе. А кванты трех других полей в результате спонтанного нарушения симметрии как раз и превращаются в три «лишних» кванта, имеющихся у массивных W±-, Z-бозонов. Искать их бесполезно, они уже давно найдены, коль скоро известно, что W±- и Z-бозоны имеют массу: три «лишних» спиновых состояния W+-, W- и Z-бозонов — это они и есть.

Эта арифметика, кстати, согласуется с тем, что все четыре поля Энглера–Браута–Хиггса — скалярные, их кванты имеют нулевой спин. Безмассовые W±- и Z-бозоны имели бы проекции спина на направление движения, равные –1 и +1. Для массивных W±- и Z-бозонов эти проекции принимают значения –1, 0 и +1, то есть «лишние» кванты имеют нулевую проекцию. Три поля Энглера–Браута–Хиггса, из которых эти «лишние» кванты получаются, тоже имеют нулевую проекцию спина на направление движения просто потому, что их вектор спина равен нулю. Всё сходится.

Итак, бозон Хиггса — это квант одного из четырех скалярных полей Энглера–Браута–Хиггса, существующих в Стандартной модели. Три других поедаются (научный термин!) W±- и Z-бозонами, превращаясь в их третьи, недостающие спиновые состояния.

А действительно ли нужен новый бозон?

Самое удивительное в этой истории заключается в том, что сегодня мы понимаем: механизм Энглера–Браута–Хиггса — отнюдь не единственный возможный механизм нарушения симметрии в физике микромира и генерации масс элементарных частиц, а бозон Хиггса мог бы и не существовать. Этому нас учит, в частности, физика конденсированных сред (жидкостей, твердых тел). В ней имеется множество примеров спонтанного нарушения симметрии и разнообразие механизмов этого нарушения. И в большинстве случаев ничего похожего на бозон Хиггса в этих примерах нет.

Ближайшим твердотельным аналогом спонтанного нарушения симметрии Стандартной модели в вакууме является спонтанное нарушение внутренней симметрии электродинамики в толще сверхпроводника. Оно приводит к тому, что в сверхпроводнике фотон в определенном смысле обладает массой (как W±- и Z-бозоны в вакууме). Проявляется это в эффекте Мейсснера — выталкивании магнитного поля из сверхпроводника. Фотон не хочет проникать внутрь сверхпроводника, где он становится массивным: ему там «тяжело», ему энергетически невыгодно там находиться (вспомните mc2). Магнитное поле, которое можно несколько условно воспринимать как набор фотонов, обладает тем же свойством: оно в сверхпроводник не проникает. Это и есть эффект Мейсснера.

Эффективная теория сверхпроводимости, теория Гинзбурга–Ландау, чрезвычайно похожа на теорию Энглера–Браута–Хиггса (точнее наоборот: теория Гинзбурга–Ландау на 14 лет старше). В теории Гинзбурга–Ландау тоже есть скалярное поле, которое однородно «разлито» по сверхпроводнику и приводит к спонтанному нарушению симметрии. Однако теорию Гинзбурга–Ландау недаром называют эффективной: она ухватывает, образно говоря, внешнюю сторону явления, но совершенно неадекватна для понимания фундаментальных, микроскопических причин возникновения сверхпроводимости. Никакого скалярного поля в сверхпроводнике на самом деле нет, в нем есть электроны и кристаллическая решетка, а сверхпроводимость обусловлена особыми свойствами основного состояния системы электронов, возникающими благодаря взаимодействию между ними.

Не может ли подобная картина иметь место и в микромире? Не может ли быть так, что никакого фундаментального скалярного поля, «разлитого» в вакууме, нет, а спонтанное нарушение симметрии вызвано совершенно иными причинами? Если рассуждать чисто теоретически и не обращать внимания на экспериментальные факты, то ответ на этот вопрос — утвердительный. Примером может служить так называемая модель техницвета, предложенная в 1979 году уже упоминавшимся Стивеном Вайнбергом и независимо Леонардом Сасскиндом. В ней нет никаких фундаментальных скалярных полей, нет и бозона Хиггса. Вместо этого есть много новых элементарных частиц, по своим свойствам напоминающих известные кварки. Взаимодействие между этими новыми частицами и приводит к спонтанному нарушению симметрии и к генерации масс W±- и Z-бозонов. С массами известных фермионов, например электрона, дело обстоит хуже, но и эту проблему можно решить за счет усложнения теории.

Внимательный читатель может задать вопрос: «А как же с аргументами, говорящими, что нарушать симметрию должно именно скалярное поле?» Лазейка здесь в том, что это скалярное поле может быть составным — в том смысле, что соответствующие ему частицы-кванты не элементарны, но состоят из других, элементарных частиц.

Давайте вспомним в этой связи квантово-механическое соотношение неопределенностей Гейзенберга ∆x · ∆p ≥ ħ , где ∆x и ∆p — неопределенности координаты и импульса соответственно. Одно из его проявлений состоит в том, что структура составных объектов с характерным внутренним размером ∆x проявляется лишь в процессах, где участвуют частицы с достаточно высокими импульсами р ≥ ħ/∆x, а значит, с высокими энергиями. Здесь уместно напомнить о Резерфорде, который бомбардировал атомы электронами высоких по тем временам энергий и таким образом выяснил, что атомы состоят из ядер и электронов. Разглядывая атомы в микроскоп даже с самой совершенной оптикой (то есть используя свет — фотоны низких энергий), обнаружить, что атомы — составные, а не элементарные, точечные частицы, невозможно: не хватает разрешения.

Таким образом, при низких энергиях составная частица выглядит как элементарная. Для эффективного описания таких частиц при низких энергиях вполне можно считать, что они являются квантами некоторого поля. Если спин составной частицы равен нулю, то это поле будет скалярным.

Подобная ситуация реализуется, например, в физике π-мезонов — частиц со спином 0. До середины 60-х годов прошлого века не было известно, что π-мезоны состоят из кварков и антикварков. Тогда π-мезоны описывались элементарными скалярными полями. Теперь мы знаем, что π-мезоны — составные частицы, но «старая» полевая теория π-мезонов остается в силе постольку, поскольку рассматриваются процессы при низких энергиях. Лишь при энергиях порядка 1 ГэВ и выше начинает проявляться кварковая структура π-мезонов, и эта теория перестает работать. Энергетический масштаб 1 ГэВ здесь появился не случайно: это масштаб сильных взаимодействий, связывающих кварки в π-мезоны, протон, нейтрон и т. д., это масштаб масс сильновзаимодействующих частиц, например протона. Отметим, что сами π-мезоны стоят особняком — по причине, о которой мы не будем здесь говорить, они имеют гораздо меньшие массы: mπ+ = 140 МэВ, mπ0 = 135 МэВ.

Итак, скалярные поля, ответственные за спонтанное нарушение симметрии, могут в принципе быть составными. Именно такая ситуация предполагается в модели техницвета. При этом три бесспиновых кванта, которые поедаются W±- и Z-бозонами и становятся их недостающими спиновыми состояниями, имеют близкую аналогию с π+-, π- и π0-мезонами. Только теперь соответствующий энергетический масштаб — не 1 ГэВ, а несколько ТэВ. В такой картине ожидается существование множества новых составных частиц — аналогов протона, нейтрона и т. д. — с массами в области нескольких ТэВ. Сравнительно легкий бозон Хиггса в ней, наоборот, отсутствует. Еще одна особенность модели в том, что W±- и Z-бозоны являются в ней отчасти составными частицами, поскольку, как мы сказали, некоторые их компоненты аналогичны π-мезонам. Это должно было бы проявляться во взаимодействиях W±- и Z-бозонов.

Именно последнее обстоятельство привело к тому, что модель техницвета (по крайней мере в ее изначальной формулировке) была отвергнута задолго до недавнего экспериментального обнаружения нового бозона: точные измерения свойств W±- и Z-бозонов не согласуются с предсказаниями модели. Открытие же нового бозона окончательно поставило крест на модели техницвета. Красивая теория была разгромлена упрямыми экспериментальными фактами! Тем не менее, мне, как и ряду других теоретиков, идея о составных скалярных полях представляется более привлекательной по сравнению с теорией Энглера–Браута–Хиггса, использующей элементарные скалярные поля. Конечно, после открытия в ЦЕРНе нового бозона идея о составленности оказалась в более трудном положении, чем раньше: если эта частица составная, она должна достаточно успешно мимикрировать под элементарный бозон Хиггса. И всё же подождем, что скажут по этому поводу эксперименты на Большом адронном коллайдере, в первую очередь — более точные измерения свойств нового бозона.

Открытие сделано. Что дальше?

Вернемся, в качестве рабочей гипотезы, к минимальной версии теории — к Стандартной модели с одним элементарным бозоном Хиггса. Поскольку в этой теории именно поле (точнее, поля) Энглера–Браута–Хиггса дает массы всем элементарным частицам, взаимодействие каждой из этих частиц с бозоном Хиггса жестко фиксировано. Чем больше масса частицы, тем сильнее взаимодействие; чем сильнее взаимодействие, тем более вероятен распад бозона Хиггса на пару частиц данного сорта. Распады бозона Хиггса на пары реальных частиц , ZZ и W+W запрещены законом сохранения энергии, который требует, чтобы сумма масс продуктов распада была меньше массы распадающейся частицы (опять вспоминаем mc2 ), а у нас, напомним, mH ≈ 125 ГэВ, mt = 173 ГэВ, mZ = 91 ГэВ и mW = 80 ГэВ. Следующим по массе стоит b-кварк с массой mb = 4 ГэВ, и именно поэтому, как мы говорили, бозон Хиггса охотнее всего распадается на пару . Интересен и распад бозона Хиггса на пару довольно тяжелых τ-лептонов: H → τ+τ (mτ = 1,8 ГэВ); он должен происходить с вероятностью 6% (это означает, что так распадаются 6 бозонов Хиггса из 100). Распад H → μ +μ (mτ = 106 МэВ) должен происходить с еще меньшей, но всё еще неисчезающей вероятностью 0,02%. Помимо обсуждавшихся выше распадов H → γγ, H → 4l и H → 2l2ν, отметим еще распад H → Zγ, вероятность которого должна составлять 0,15%. Все эти вероятности можно будет измерить на Большом адронном коллайдере, и любое отклонение от этих предсказаний будет означать, что наша рабочая гипотеза — Стандартная модель — неверна. И наоборот, согласие с предсказаниями Стандартной модели будет всё больше и больше убеждать нас в ее справедливости.

То же можно сказать и о рождении бозона Хиггса в столкновениях протонов на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса может рождаться в одиночку, или вместе с парой легких кварков высоких энергий, или вместе с одним W- или Z-бозоном, наконец, вместе с парой . Частицы, рождающиеся вместе с бозоном Хиггса, можно детектировать и отождествлять, поэтому разные механизмы рождения можно изучать на Большом адронном коллайдере по отдельности. Тем самым можно извлекать информацию о взаимодействии бозона Хиггса с W±-, Z-бозонами и t-кварком.

Наконец, важным свойством бозона Хиггса является его взаимодействие с самим собой. Оно должно проявляться в процессе H* → HH , где H* — виртуальная частица. В Стандартной модели свойства этого взаимодействия тоже однозначно предсказываются. Впрочем, его изучение — дело отдаленного будущего.

Итак, на Большом адронном коллайдере имеется обширная программа исследования взаимодействий нового бозона. В результате ее выполнения станет более или менее ясно, описывается ли природа Стандартной моделью или мы имеем дело с какой-то другой, более сложной (а может быть, и более простой) теорией. Дальнейшее продвижение связано с существенным повышением точности измерений; оно потребует строительства нового e+e-коллайдера с рекордной для этого типа машин энергией. Очень может быть, что на этом пути нас поджидает масса сюрпризов.

Вместо заключения: в поисках «новой физики»

С «технической» точки зрения, Стандартая модель внутренне непротиворечива. Это означает, что в ее рамках можно — хотя бы в принципе, а как правило и на практике — вычислить любую физическую величину (разумеется, относящуюся к тем явлениям, которые призвана описывать Стандартная модель) и результат не будет содержать неопределенностей. Тем не менее, многие, хотя и не все, теоретики считают положение дел в Стандартной модели не вполне удовлетворительным, мягко говоря. И связано это в первую очередь с ее энергетическим масштабом.

Как ясно из предыдущего, энергетический масштаб Стандартной модели имеет порядок Мс.м. = 100 ГэВ (мы здесь не говорим о сильных взаимодействиях с масштабом 1 ГэВ, с этим масштабом всё проще). Это масштаб масс W±- и Z-бозонов и бозона Хиггса. Много это или мало? С экспериментальной точки зрения — немало, а вот с теоретической...

В физике имеется еще один масштаб энергий. Он связан с гравитацией и равен планковской массе MP = 1019 ГэВ. При низких энергиях гравитационные взаимодействия между частицами пренебрежимо слабы, но они усиливаются с ростом энергии, и при энергиях порядка MP гравитация становится сильной. Область энергий выше MP — это область квантовой гравитации, что бы она из себя ни представляла. Для нас важно, что гравитация — самое, пожалуй, фундаментальное взаимодействие, и гравитационный масштаб MP — самый фундаментальный масштаб энергий. Почему же тогда масштаб Стандартной модели так далек от гравитационного масштаба?

У обозначенной проблемы есть еще один, более тонкий аспект. Он связан со свойствами физического вакуума. В квантовой теории вакуум — основное состояние природы — устроен совсем нетривиально. В нем всё время рождаются и уничтожаются виртуальные частицы, иными словами, образуются и исчезают флуктуации полей. Непосредственно наблюдать эти процессы мы не можем, но они оказывают влияние на наблюдаемые свойства элементарных частиц, атомов и т. д. Например, взаимодействие электрона в атоме с виртуальными электронами и фотонами приводит к наблюдаемому в атомных спектрах явлению — лэмбовскому сдвигу. Другой пример — поправка к магнитному моменту электрона или мюона (аномальный магнитный момент) тоже обусловлена взаимодействием с виртуальными частицами. Эти и подобные эффекты вычислены и измерены (в указанных случаях с фантастической точностью!), так что мы можем быть уверены, что имеем правильную картину физического вакуума.

В этой картине все параметры, изначально закладываемые в теорию, получают поправки, связанные с взаимодействием с виртуальными частицами. Их называют радиационными поправками. В квантовой электродинамике эти поправки малы, а вот в теории Энглера–Браута–Хиггса они огромны. Такова особенность элементарных скалярных полей; у других полей этого свойства нет. Главный эффект здесь состоит в том, что радиационные поправки стремятся «подтянуть» энергетический масштаб Стандартной модели к гравитационному масштабу. Если оставаться в рамках Стандартной модели, то единственный выход — подобрать изначальные параметры теории так, чтобы вместе с радиационными поправками они приводили к правильному значению Мс.м.. При этом выясняется, что точность подгонки должна составлять величину, близкую к отношению Мс.м.2/MP2 = 10–34! В этом и состоит второй аспект проблемы энергетического масштаба Стандартной модели: представляется неправдоподобным, что такая подгонка имеет место в природе.

Многие (хотя, повторим, не все) теоретики считают, что эта проблема однозначно свидетельствует о необходимости выхода за рамки Стандартной модели. Действительно, если Стандартная модель перестает работать или существенно расширяется на энергетическом масштабе новой физики Мн.ф., то аргумент о радиационных поправках модифицируется. Требуемая точность подгонки параметров в этом случае составляет, грубо говоря, Мс.м.2/Мн.ф.2, а на самом деле на пару порядков слабее. Если считать, что тонкой подстройки параметров в природе нет, то отсюда следует, что масштаб «новой физики» должен лежать в области 1–2 ТэВ, то есть как раз в области, доступной для исследования на Большом адронном коллайдере!

Какой могла бы быть «новая физика»? Единства у теоретиков по этому поводу нет. Один вариант — составная природа скалярных полей, обеспечивающих спонтанное нарушение симметрии. О нем мы уже говорили. Другая, тоже популярная (пока?) возможность — суперсимметрия. На ней мы останавливаться не будем; скажем только, что суперсимметрия предсказывает целый зоопарк новых частиц с массами в области сотен ГэВ — нескольких ТэВ. Обсуждаются и весьма экзотические варианты вроде дополнительных измерений пространства.

Несмотря на все усилия, до сих пор никаких экспериментальных указаний на «новую физику» получено не было. Это, вообще-то, уже начинает внушать тревогу: а правильно ли мы всё понимаем? Вполне возможно, впрочем, что мы еще не добрались до «новой физики» по энергии и по количеству набранных данных и что именно с ней будут связаны новые, революционные открытия. Основные надежды здесь возлагаются опять-таки на Большой адронный коллайдер, который через полтора года начнет работать на полную энергию 13–14 ТэВ и быстро набирать данные. Так что следите за новостями!


1 Гравитационное взаимодействие стоит особняком: независимо от того, какие бывают элементарные частицы, оно описывается общей теорией относительности Эйнштейна.

2 Стандартная модель на самом деле заведомо неполна, но это предмет отдельного разговора. Отметим только, что о ее неполноте свидетельствуют данные космологии — науки о Вселенной. Проявится ли неполнота Стандартной модели при энергиях Большого адронного коллайдера — открытый и интригующий вопрос.

3 В реальном мире для ограниченного (но только ограниченного!) круга процессов так оно и оказывается. Например, взаимодействие быстрого массивного электрона, спин которого направлен против направления движения, с покоящейся или медленно движущейся мишенью (скажем, атомным ядром) практически не отличается от взаимодействия левого безмассового электрона.

4 Противоречия с утверждением, сделанным в предыдущей сноске, здесь нет: в новой системе мишень движется быстрее электрона, и в реальном мире взаимодействие электрона с ней существенно отличается от взаимодействия с покоящейся мишенью.


Комментарии (5)


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия