XXX. Нарушение симметрии электрослабого взаимодействия

Горный хребет, отмечающий начало нарушения электрослабой симметрии, следует разлому между континентальными плитами, проходящему с севера на юг по всем широтам нашей карты, даже в южном полушарии. Начиная спуск в лежащие под нами леса с перевала, который мы преодолели, мы ждем сюрпризов.

На этой долготе существенные изменения в физике влияют на многие эксперименты и наблюдения. Возможно, самым очевидным в этом процессе является один факт, с которым мы в последний раз сталкивались в поезде на острове Адрон и на острове Кварков, а именно: рассеяние электронов на протонах, что впервые выявило присутствие кварков внутри адронов.

В этих экспериментах пучок лептонов – обычно электронов или позитронов – рассеивается на адроне – обычно протоне. Этот пучок передает так много энергии и импульса, что адрон разрушается. Обычно это электромагнитное взаимодействие, согласно которому электрон и кварк обмениваются виртуальным фотоном. Однако электрон-протонные столкновения могут осуществляться и путем слабого взаимодействия, означающего обмен W– и Z-бозоном. Поскольку первый из них уносит электрический заряд электрона, то в этом случае возникающий лептон – это нейтрино. Как и следовало ожидать, эти события «заряженного тока» происходят гораздо реже, чем электромагнитное рассеяние, отражая тот факт, что слабое взаимодействие гораздо слабее электромагнитного. С увеличением масштаба энергии при движении на восток темпы этих двух типов рассеяния сходятся по мере того, как мы опускаемся ниже. Скоро они станут примерно равными – когда мы спустимся до основания хребта Нарушения электрослабой симметрии. Если мы соберем воедино все, что узнали из наших прошлых путешествий, то теперь мы знаем достаточно, чтобы понять, почему так происходит.

На западе при более низких энергиях основное различие в силе и масштабе действия сил электромагнитного и слабого взаимодействия возникает из-за разных масс бозонов-переносчиков. Масса фотона равна нулю, в то время как W– и Z-бозоны имеют массы чуть ниже 10¹¹ эВ, то есть примерно в 100 раз больше атома водорода. Масштаб и сила взаимодействия зависят от массы обмениваемых частиц, потому что эти частицы – виртуальные и не обладают правильной массой. На самом деле они не могут иметь правильную массу – электрон не может внезапно испустить реальный фотон, W– или Z-бозон и не нарушить при этом закон сохранения энергии. Единственный способ избежать противоречий – это считать, что масса излучаемой частицы неправильная. И мы уже знаем, что чем дальше значение массы виртуальной частицы от правильного, тем менее вероятно испускание такой частицы или ее участие в процессах обмена. В низкоэнергетических взаимодействиях на земле Атома, да и в повседневной жизни на западе массивные W– и Z-бозоны гораздо «дальше» от их правильной массы, чем фотон, и поэтому их рождение гораздо менее вероятно. Вот почему электромагнитное взаимодействие сильнее и наблюдается чаще, чем слабое.

Но идем дальше на восток, где энергии еще выше и разница в массах между W– и Z-бозонами и фотоном становится все менее и менее значимой, а слабое взаимодействие становится по силе очень похожим на электромагнитное. В терминах транспортной сети на нашей карте, полет на самолете за хребтом гор окажется так же распространен, как и автомобильные путешествия – главным образом, потому, что дороги окажутся труднопроходимыми. Проблема массы становится еще важнее. Массы W– и Z-бозона играют критическую роль для определения параметров слабого взаимодействия. Кроме того, у нас никуда не делась проблема того, что эти массивные бозоны поломают перенормировку, заведя нас в бесконечность. Состояние замерзших стекол нашей машины и «говорящее» название только что пройденной горы – «Нарушение электрослабой симметрии» – указывают на то, что нарушенная симметрия осталась позади.

Ученые подозревали об этом уже несколько десятилетий назад, еще до создания стандартной модели и даже до обнаружения острова Кварков. Если фундаментальные частицы – какими бы они ни были – обладают массой, то что-то должно дать им эту массу. Что-то странное и необычное должно отыскаться в глубинах леса, в который мы как раз заходим.

XXXI. Охота на Хиггса

В нижней части горной дороги мы разбиваем лагерь, и небольшая группа исследователей отправляется пешком на изучение флоры и фауны этого уголка новой земли. Мы спрятались под покровом какой-то густой растительности и стали свидетелями драматического зрелища. Крупные хищники преследуют еще более крупных травоядных животных. Один из наших провожатых, определив виды этих зверей, шепотом комментирует происходящее:

«Слабые бозоны объединились в небольшую охотничью стаю. Беззвучно, скрытно, обнюхивая подлесок, они приближаются к ничего не подозревающим бозонам Голдстоуна. Смотрите, один из бозонов Голдстоуна, возможно, что-то почуял: он резко поднял голову кверху. Слабые бозоны нападают! Три бозона Голдстоуна сбиты с ног, растерзаны и съедены в мгновение ока. Они обеспечат слабым бозонам необходимые для их жизнедеятельности состояния продольной поляризации. Но смотрите: четвертый, самый бдительный бозон Голдстоуна спасается бегством! Казалось бы, такая бесспиновая частица, а сумела обрести собственную массу и удрать дальше на восток. Там она отыщет укрытие и спрячется, чтобы прожить еще один день…»

Воистину, Бозония – жестокое место! Но эта зарисовка из природоведения содержит решение проблемы наличия массы у W– и Z-бозонов. Решение широкомасштабно и требует нескольких предварительных шагов, несколько дополнений к стандартной модели физики частиц, которую мы изучаем. При построении подобной многошаговой новой теории необходимо сделать драматический первый шаг. Нам нужно изобрести новое квантовое поле, которое, в отличие от всех предыдущих и знакомых нам, должно пронизывать всю Вселенную, присутствовать повсюду на нашей карте. И поле это не должно иметь ни заряда, ни спина. Вторым делом изобретенному нами полю нужно придать скрытую симметрию – подобную той, что оказалась на замерзшем стекле нашей машины в горах, но обладающую параметром дополнительного поворота. Это нужно понимать так. Представьте, что молекулы воды несут магнитный диполь. В жидком состоянии они все будут указывать разные направления. Они непрерывно сшибают друг друга, выстраиваясь в разные конфигурации, и вообще вертятся с большим энтузиазмом. Общего магнитного поля нет. По мере охлаждения и замерзания воды всеобщее покачивание туда-сюда постепенно прекращается, и в конечном итоге все молекулы успокаиваются: диполи указывают в одном направлении, которое соответствует самому низкому значению энергии. Из-за выравнивания диполей образуется и магнитное поле. Это магнитное поле тоже нарушает симметрию системы, потому что выбирает выделенное направление от северного к южному магнитным полюсам, в то время как в жидкости такого направления не было.

Для решения проблемы массы W– и Z-бозонов мы постулируем квантовое поле во Вселенной, которое имитирует вышеуказанное поведение. Так, когда Вселенная горячая и плотная, то симметрия присутствует, и введенное нами поле обладает средним значением, равным нулю. Когда мы уменьшаем энергию ниже шкалы нарушения симметрии электрослабого взаимодействия, наше поле приобретает ненулевое среднее значение.

На третьем этапе мы называем массу фундаментальных частиц свойством, которое они приобретают, взаимодействуя с ненулевым значением введенного нами поля. Для поля (без спина, без заряда) это можно организовать математически. Таким образом, за три шага мы получаем преимущество: симметрия все еще присутствует в теории, так что бесконечности нас боятся, но в то же время симметрия отсутствует в повседневной жизни, и поэтому частицы могут иметь массу.

Это все очень аккуратно. Даже слишком аккуратно.

Когда симметрия скрыта подобным образом, она оставляет следы. В частности, она оставляет новые способы передачи информации, оставляет после себя новые частицы, безмассовые бозоны, которые блуждали по Бозонии и в квантовых петлях стандартной модели. Но таких частиц нет и следа. Точные исследования и измерения не оставляют белых пятен на нашей карте, и в этом беда нашего «аккуратного» трюка с нарушением симметрии. Существует даже математическая теорема Голдстоуна: если симметрия скрыта, то соответствующие бозоны должны существовать. Их можно увидеть в физических примерах, которые нам встречались. Как только кристалл или регулярный набор магнитных диполей сформирован, появляется новый канал передачи информации через кристалл. Действительно, если немного сместить атом в решетке или сместить диполь, возмущения – то есть энергия и информация – станут передаваться по всему веществу. Это классический аналог того, как в квантовом поле вел бы себя безмассовый бозон.

На первый взгляд квантовое поле, нужное для придания массы W– и Z-бозонам, порождает четыре таких безмассовых бозона, и мы посетили достаточно земель, чтобы убедиться, что их там нет. Это проблема, с которой столкнулись несколько физиков в 60-х годах прошлого века. Не в контексте этих бозонов, конечно, потому что тогда их еще не открыли, но при исследовании массивных фундаментальных частиц. Если кратко, то проблема в следующем: если массивный бозон является переносчиком взаимодействия, то симметрия обязательно должна быть скрыта. Но если симметрия скрыта, то должны быть бозоны Голдстоуна. Но где же они? Ответ был получен двумя бельгийскими физиками – Франсуа Энглером и Робертом Браутом, а также Питером Хиггсом из Эдинбурга. Решение мы уже видели, когда оказались свидетелями облавы в лесах неподалеку от хребта Нарушения электрослабой симметрии. Безмассовый бозон, который обладает одной единицей спина, например фотон или глюон, может иметь две возможные ориентации спина. Спин может быть ориентирован по направлению движения или против него – это определяет спиральность, с которой мы встречались раньше – при описании нейтрино.

Безмассовая частица должна двигаться со скоростью света, так что направление движения всегда четко определено. Не существует системы отсчета, в которой бы безмассовый бозон покоился. Это также было бы верно для безмассовых W– и Z-бозонов, но как только они становятся массивными, это утверждение больше несправедливо. Куда ж тогда направлен спин, если такой бозон будет неподвижен? Ответ такой: для массивных бозонов требуется дополнительная опция – так называемое продольное состояние, отсутствующее для безмассовых частиц. Это новое состояние соответствует направлению спина, перпендикулярное направлению движения частицы. Бозоны W и Z соответствуют трем бозонам Голдстоуна, чтобы обеспечить эти продольные состояния, по одному для W⁺, W^— и один для Z. В некотором смысле первые пожирают бозоны Голдстоуна. Бозония – суровое место, хотя все эти математические перипетии стандартной модели представляют собой весьма красивое и захватывающее зрелище.

Охота на более бдительного бозона Голдстоуна, который – помните? – сбежал на восток, заняла несколько десятилетий. Это скалярная частица – это значит, что у нее нет спина. Такая безспиновая частица – единственная в стандартной модели. Теперь она обретает массу.

Существование такой частицы было предсказано теоретическим механизмом, который мы собрали для объяснения нарушения электрослабой симметрии. Если мы обнаружим эту частицу в Бозонии, то слабое взаимодействие и эта часть карты будут иметь смысл. А если не найдем, то у нас будут большие неприятности.

Эта частица известна как бозон Хиггса. Отыскивая следы этого сбежавшего бозона в непроходимом подлеске Бозонии, мы руководствовались некоторыми подсказками. Так, точные измерения массы истинного кварка и W-бозона на теватронном протон-антипротонном ускорителе частиц в Чикаго в сочетании с еще более точными измерениями Z-бозона в ЦЕРНе и на Стэнфордском линейном ускорителе в Калифорнии сильно сузили область поисков бозона Хиггса. Опять же, если он существует, то виртуальные бозоны Хиггса должны влиять на уже измеренные процессы с учетом петлевых поправок.

Стандартная модель также предсказывает, как именно бозон Хиггса должен проявиться в эксперименте. Он должен быть очень короткоживущим и распадаться с разными темпами на другие частицы стандартной модели. Эти темпы могут быть предсказаны для любой заранее заданной массы бозона Хиггса, но сама его масса не была известна и не предсказывалась – кроме, разве что, того, что она должна быть где-то в пределах досягаемости шкалы нарушения электрослабой симметрии.

Последний аргумент для полного охвата всей территории на нашей карте, которая могла бы содержать недостающий бозон Хиггса в стандартной модели, пришел с Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе. Этот прибор, основой работы которого были столкновения встречных протонов с выделением беспрецедентно огромных энергий, послужил самым мощным из когда-либо созданных в мире микроскопов.

Это дало нам доступ ко всей Бозонии и к землям за ее пределами. В 2012 году бозон Хиггса наконец-то обнаружили. Он наблюдался в процессе распада на пары фотонов и пары виртуальных Z-бозонов, а позже – и в других каналах распада. Его масса составила около 125 ГэВ, что примерно в 130 раз больше массы протона. Такая масса помещает бозон Хиггса в самые восточные районы Бозонии, но в пределах диапазона, требуемого для соответствия предсказаниям стандартной модели.

Мы выходим из лесов Бозонии и достигаем восточного побережья. Бозоны Хиггса изучаются очень подробно в оживленном и шумном приморском городе, который мы видим на побережье. Тем не менее, его жители рады услышать, что мы встречали бозон Хиггса в его естественной среде обитания. Уникальная экосистема бозонов, возможно, еще сможет нас чему-то научить.

Кульминация нашего путешествия обернулась триумфом не только для нас, исследователей, но и для предсказательной силы картографического описания теории. Зная, что бозон Хиггса существует, мы получаем теорию, которая позволяет W– и Z-бозонам иметь наблюдаемую массу, и которая одновременно обладает симметриями, нужными для устранения бесконечностей. Значит, эта теория позволяет делать расчеты для энергий, выходящих за верхние рамки электрослабой шкалы и распространяющихся в далекие восточные области.