5. Пятое фундаментальное взаимодействие: поле Хиггса

К происхождению массы

Эквивалентность массы и энергии

Четыре фундаментальные силы составляют основу, на которой зиждется существование Вселенной. Между тем существует пятая сила, еще более незаметная, чем слабое взаимодействие, имеющая огромное значение, поскольку именно она придает массу элементарным частицам: речь идет о взаимодействии с полем Хиггса, чье существование было подтверждено совсем недавно (в 2012 г.).

Чтобы познакомить вас ним, мы начнем с того, что напомним, что такое масса. Мы уже много говорили о ней в главе 2, используя понятие инертной массы, пассивной и активной гравитационной массы. Но тогда мы рассматривали лишь последствия существования массы, оставляя в стороне ее происхождение. Между тем теория относительности (глава 26) дает неожиданную и таинственную информацию на эту тему при помощи формулы E = mc².

Обычно эту формулу называют эквивалентностью массы и энергии. Но такое наименование ошибочно: частица может обладать энергией, но не иметь массы, как, например, фотон. Не следует забывать, что энергия массы E = mc²всего лишь часть общей энергии частицы, которая выражается E = γmc². E = mc² не включает кинетическую энергию перемещения в пространстве: речь идет только об энергии покоя. То есть необходимо запомнить, что существует «эквивалентность между энергией покоя частицы и ее массой».

Это также применимо к любому объекту, состоящему из частиц, что приводит к значительным последствиям.

Пример отрицательной массы

Рассмотрим неподвижный атом водорода, состоящий из электрона и протона. Какова его масса? Можно дать поспешный ответ, что масса представляет собой сумму масс электрона и протона. Однако энергия массы водорода E = mc² включает всю энергию системы (протон + электрон), а точнее:

• Энергию массы электрона.

• Энергию массы протона.

Но также:

• Потенциальную энергию электростатического взаимодействия между протоном и электроном.

• Кинетическую энергию электрона и протона (атом в покое остается неподвижен, но заряды внутри могут перемещаться).

Чтобы упростить, представим, что электрон и протон изначально неподвижны и что их стараются разделить (атом водорода разрушают). Получаем отдельно электрон и протон: теперь энергия каждой частицы соответствует их энергии массы. Но чтобы реализовать этот процесс, необходимо добавить энергии атому водорода, чтобы преодолеть притяжение между электроном и протоном. Поскольку системе была придана энергия, это значит, что конечная энергия будет больше исходной. Таким образом, исходная энергия атома водорода меньше, чем энергия электрона и протона, полученных в финале. Это значит, что потенциальная энергия электростатического взаимодействия внутри водорода отрицательная, поскольку она уменьшает общую энергию.

Данное умозаключение справедливо для любого атома. Примечательно, что инерция объекта (его масса) напрямую зависит от его внутренней электростатической энергии (которая обеспечивает целостность объекта), тогда как два этих понятия логически совершенно не связаны между собой. Другими словами, чем ближе электроны к протонам внутри объекта, тем больше отрицательная внутренняя энергия взаимодействия, то есть объект легче!

Рис. 28.10 – Баланс массы при ионизации водорода

Конечная энергия больше исходной, поскольку энергия была добавлена для разделения двух частиц. Таким образом, энергия атома водорода меньше энергии электрона + протона, взятых по отдельности. То же самое касается массы.

В главе 2 мы уже могли убедиться, что масса имеет странный характер при тождестве «инертная масса = пассивная гравитационная масса = активная гравитационная масса»: чем тяжелее объект (пассивная гравитационная масса), тем сложнее придать ему ускорение (инертная масса) и тем больше он притягивает другие объекты (активная гравитационная масса). Мы преодолеваем новый этап, дополняя это равенство:

инертная масса = пассивная гравитационная масса = активная гравитационная масса = внутренняя энергия.

Инерция объекта, его способность притягивать и способность быть притянутым гравитационно – три свойства, вытекающие из внутренней связи объекта (которая изначально не имеет ничего общего ни с гравитацией, ни с понятием инерции). Это заключение, хотя и нелогичное, есть прямой результат теории относительности, широко подтвержденной опытами.

Происхождение массы Вселенной

Важность этого заключения огромна. В самом деле, основная часть массы объектов, которые нас окружают, состоит из протонов и нейтронов (масса электронов в сравнении с ними очень мала). Однако протоны и нейтроны не являются элементарными частицами: они состоят из трех кварков. Чтобы понять массу протона или нейтрона, нужно принять во внимание кинетическую и потенциальную энергию кварков, которые их составляют. На этом этапе возникает удивительный вывод: сильное взаимодействие, обеспечивающее связь кварков, возрастает с увеличением расстояния (в противоположность электростатической силе между протоном и электроном). Как будто кварки соединены между собой резинкой. Отметим, что это является результатом действия виртуальных частиц, разделяющих кварки, что на таком микроскопическом уровне становится важнейшим фактом.

Когда кварки пытаются удалиться друг от друга, сильное взаимодействие на большой скорости влечет их обратно. И наоборот, когда кварки слишком близко подходят друг к другу, сила, действующая между ними, снова становится очень слабой (слабая потенциальная энергия взаимодействия), но их кинетическая энергия сильно повышается. В итоге сумма (кинетическая энергия + потенциальная) кварков положительная (хотя она была отрицательной при взаимодействии электрона с протоном). Таким образом, масса протона больше, чем сумма масс трех кварков, из которых он состоит. Учитывая интенсивность сильного взаимодействия (самого мощного из четырех фундаментальных сил), эта энергия сцепления огромна, гораздо выше энергии массы трех кварков: почти вся масса протона состоит из сильного взаимодействия между кварками, а не из массы кварков.

То же самое касается нейтрона, также состоящего из трех кварков. Данное умозаключение можно переносить на любые объекты, которые нас окружают: основная часть видимой массы Вселенной происходит от сильного взаимодействия, которое обеспечивает сцепление материи. Масса элементарных частиц составляет лишь ничтожную часть массы объектов.

Поле Хиггса

Необходимость пятого взаимодействия

Этот вывод приводит к естественному важному вопросу: если основная часть массы Вселенной приходится на фундаментальные силы, которые действуют внутри частиц (например, сильное взаимодействие), что можно сказать о массе элементарных частиц? Слово «элементарный» подразумевает, что они не могут делиться на более мелкие частицы, то есть их масса не может состоять из взаимодействия более мелких частиц. Следовательно, эта масса имеет другое происхождение, что является довольно интригующим: сложно допустить, что один и тот же параметр (масса) может иметь два совершенно независимых источника.

Чтобы связать эти два вроде бы различных происхождения, нужно допустить, что модель, представленная до сих пор, не является полной. Обобщим еще раз четыре фундаментальных взаимодействия:

• Сила гравитации: никоим образом не объясняет происхождение массы частиц, зато является результатом действия этих масс (понятие гравитационной массы). Эта сила передается гравитационными волнами, квантовые составляющие которых бозоны, называемые гравитонами.

• Электромагнитная сила: стремится немного уменьшить массу атомов относительно протонов и электронов. Выдвигает понятие инерции объекта (инертная масса). Эта сила передается электромагнитными волнами, квантовые составляющие которой называются фотонами.

• Сильное взаимодействие: объясняет происхождение подавляющей части массы Вселенной взаимодействием между кварками. Квантовые составляющие волн взаимодействия – бозоны, называемые глюонами.

• Слабое взаимодействие: позволяет одной элементарной частице превращаться в другую. Ее бозоны взаимодействия нестабильны и обозначаются W- и Z-бозонами.

Последнее взаимодействие интересно тем, что оно изменяет сами элементарные частицы: подобно тому, как электрон излучает фотон под действием внутренней электромагнитной силы (которая приближает электрон к протону), u-кварк излучает W⁺-бозон под действием слабого внутреннего взаимодействия (превращаясь таким образом в d-кварк).

Поскольку слабое взаимодействие способно «создавать» элементарные частицы (из других частиц), не может ли оно создавать их массу? Увы, мощность слабого взаимодействия не позволяет объяснить массу частиц. Тем не менее физики не останавливаются на полпути: поскольку масса, по-видимому, является результатом существования внутреннего взаимодействия, они предположили пятый тип взаимодействия, поле Хиггса, чьей квантовой составляющей является бозон (как и при других взаимодействиях), названный «бозоном Хиггса».

Так же как фотон соответствует колеблющемуся электромагнитному полю, бозон Хиггса соответствует элементарному колебанию поля Хиггса. Придавая внутреннюю энергию элементарным частицам, поле Хиггса создает их массу. Отметим, что бозон Хиггса, как и W- и Z-бозоны, имеет очень краткий срок существования из-за своей огромной энергии. Представим поле Хиггса в виде очень жесткой скатерти. Скатерть возможно заставить колебаться, только если очень сильно ее встряхнуть, вызвав появление очень мощных бозонов Хиггса. Но скатерть существует и при отсутствии колебаний: именно она придает массу элементарным частицам, а не бозоны Хиггса. Бозоны являются лишь признаками, индикаторами существования этого поля.

Именно бозон Хиггса, а не поле Хиггса пытались поймать физики в Большом адронном коллайдере. Идея была в том, чтобы создать как можно более сильное круговое движение, которое заставит проявиться бозон Хиггса. Это потребовало огромных энергетических затрат: этого достигли, отправив два протона на высокой скорости навстречу друг другу. В итоге бозон Хиггса был выявлен 4 июля 2012 г. с ожидаемыми характеристиками и добавлен к основному обоснованию теоретической системы Стандартной модели.

Скалярное поле

Отметим, наконец, что взаимодействие Хиггса стоит несколько особняком от четырех фундаментальных сил, рассмотренных ранее. В самом деле, речь идет о «скалярном», а не «векторном» поле.

Уточним: когда масса находится в гравитационном поле, она испытывает на себе силу, которая ее ускоряет в определенном направлении с определенной мощностью. Это взаимодействие должно изображаться с помощью вектора, который позволит охарактеризовать интенсивность и направление силы. Именно поэтому говорят, что гравитационное поле «векторное». То же самое касается трех других фундаментальных сил.

Теперь поместим элементарную частицу в поле Хиггса: она не испытывает ни малейшего ускорения. Единственный эффект поля Хиггса – придача частице внутренней энергии, то есть массы. Таким образом, простой величины достаточно, чтобы охарактеризовать силу этого взаимодействия: вектор больше не нужен, поскольку нет направления ускорения. Именно поэтому такое поле называют скалярным.

В конечном итоге существует четыре фундаментальные силы Вселенной, которые управляют ее развитием. Пятое взаимодействие, поле Хиггса, только придает массу частицам. Между тем мы еще не способны объяснить, почему взаимодействие Хиггса сильнее для кварков, чем для электронов (то есть почему кварк тяжелее электрона). В настоящем состоянии науки понятие поля Хиггса не решает важных вопросов: оно лишь переводит в другую область проблему, касающуюся загадочного значения масс элементарных частиц.

Важно ли знать, что масса происходит из пятого взаимодействия? Ответ – да, потому что бозон Хиггса существует и добавляется к другим частицам, заполняющим Вселенную (даже если он очень редкий). Подтверждение механизма Хиггса – это открытая дверь к лучшему будущему пониманию основ физики. Он показывает, что внутри элементарных частиц явно что-то происходит. Физика только что установила важную веху, которая станет отправной точкой для дальнейшего понимания работы Вселенной.

БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР

Запущенный в конце 2008 г. БАК (LHC), расположенный на франко-щвейцарской границе, является ускорителем частиц, на который фундаментальная физика возлагает все свои надежды. Протоны там разгоняются с поистине умопомрачительной скоростью – 99,999 999 % скорости света! Это соответствует релятивистскому сжатию расстояния более чем в 7000 раз: вместо 27 км периметра окружности, по которой они проносятся, протоны «видят» дистанцию лишь в несколько метров.

Цель ученых спровоцировать столкновения протонов невиданной силы: выделенная при ударе энергия будет соответствовать десяткам тысяч миллиардов наложенных друг на друга фотонов, сконцентрированных в одной микроскопической точке пространства…

При такой энергии может произойти множество реакций, слишком сложных, чтобы рассматривать их здесь. Главной целью таких реакций является создание новых частиц, которые откроют прекрасные перспективы в понимании фундаментальной физики. Именно так были обнаружены первые бозоны Хиггса в 2012 г. Плотность энергии, достигнутой в БАК, такова, что некоторые опасались создания маленьких черных дыр, способных целиком поглотить Землю. Но не стоит забывать, что космические лучи, которые постоянно бомбардируют Землю из космоса, обладают еще более мощной энергией и также способны создавать маленькие черные дыры, тем не менее Земля все еще существует.

Не стоит волноваться: еще далеко то время, когда человек станет сильнее природы…

СЛЕДУЕТ ЗАПОМНИТЬ

• Протоны и нейтроны состоят из трех частиц, кварков. Кварки u составляют 2/3 заряда протона, кварки d составляют 1/3 заряда протона. В протоне 2 кварка u и 1 кварк d, в нейтроне 2 кварка d и 1 кварк u.

• Сильное взаимодействие является фундаментальной силой, притягивающей кварки, ее частица-переносчик – глюон. «Цвет» является характерным параметром этой силы и может быть трех типов: «красный», «зеленый» или «синий».

• Протон и нейтрон состоят из трех кварков разных цветов: результирующий цвет белый («нейтральный заряд» сильного взаимодействия). Хотя протон и нейтрон белого цвета, они притягиваются с близкого расстояния от сильного взаимодействия, благодаря тому что три кварка не расположены в одном и том же месте.

• Кварк u может превращаться в кварк d при слабом взаимодействии, и обратно. Это позволяет нейтронам становится протонами, и наоборот.

• Число нейтронов в ядре регулируется двумя параметрами: слишком малое количество нейтронов провоцирует слишком сильное электростатическое отталкивание, слишком большое количество нейтронов провоцирует их мутацию в протоны, масса которых меньше, и, следовательно, энергия тоже меньше.

• Во время бета-минус-распада нейтрон ядра превращается в протон. Во время бета-плюс-распада протон ядра превращается в нейтрон. В обоих случаях это меняет название элемента.

• В тяжелых ядрах (очень тяжелых элементов) электростатическое отталкивание между протонами становится мощнее сильного взаимодействия, потому что действует на большем расстоянии. Это объясняет альфа-распад, при котором ядро гелия (2 протона и 2 нейтрона) отделяется, чтобы сформировать более легкое ядро.

• Легкие элементы теряют энергию, становясь более тяжелыми из-за сильного взаимодействия: это объясняет преимущество ядерного синтеза, при котором выделяется энергия. Тяжелые элементы, напротив, теряют энергию, становясь меньше из-за сильного электростатического отталкивания больших ядер. Это объясняет преимущество расщепления ядра, при котором также выделяется энергия.

• Масса любой материальной системы связана с внутренним взаимодействием. На практике сильное взаимодействие, соединяющее кварки между собой, объясняет основную часть массы протона и нейтрона, то есть бóльшую часть массы видимой Вселенной.

• Масса элементарных частиц происходит из особенного взаимодействия – поля Хиггса. Элементарное колебание этого поля называется бозоном Хиггса. Обладая очень мощной энергией и очень кратким сроком существования, бозон Хиггса впервые был обнаружен только в 2012 г.