Компьютерра - Компьютерра PDA 21.08.2010-27.08.2010

Физика элементарных частиц - это не оторванная или абстрактная наука, это наше желание осознать устройство мира. Человек любопытен, и одно из его основных желаний на протяжении веков - понять, как все устроено. В детстве мы ломаем игрушки и разрезаем яблоко, чтобы узнать, что внутри. А потом, переходя к меньшим масштабам, мы уходим в мир элементарных частиц и хотим найти самый маленький кирпичик, из которого состоят все другие частицы.

Итак, развитие физики привело к тому, что были открыты четыре фундаментальных взаимодействия: сначала гравитационное и электромагнитное, которые определяют нашу повседневную жизнь, потом было осознано, что есть силы, связанные со строением ядра (это сильные взаимодействия). Было также понято, что есть и слабое взаимодействие, объясняющее распад нейтрона. С повышением энергии роль слабого взаимодействия растет, условно оно становится сильнее, а электромагнитное - слабее.

Было доказано, что эти взаимодействия между собой очень сильно связаны. Их объединение и привело к появлению электрослабой или Стандартной модели. Слово "Стандартная" появилось случайно, это означает, на мой взгляд, что это устоявшаяся красивая теория. Попытки объединения электрических и слабых сил были очень продуктивны, но в любой теории есть свои вопросы. Чтобы она была самосогласованной, и в ней не было внутренних противоречий, потребовалось ввести ещё одно поле - скалярное, или Хиггсовское, которое взаимодействует и с электромагнитным, и со слабым полем. С ним электрослабая модель становится согласованной, в ней исчезают расходимости, и это само по себе - большое достижение теории.

Тем не менее, электрослабая модель в её первоначальном виде не отвечала на очень важные вопросы. Откуда берется масса? Почему некоторые частицы являются безмассовыми? Почему массы такие разные? Есть, например, электрон, у которого масса всего лишь половина 1 МэВ, есть пи-мезон, масса которого около 130 МэВ, есть W-бозон, переносчик слабого взаимодействия, его масса 100 ГэВ. Это колоссальный масштаб различия масс, что тоже само по себе уникальное явление! Надеясь ответить на эти вопросы, Питер Хиггс предложил механизм спонтанного нарушения калибровочной симметрии. Это нетривиальное явление не следует из известных законов физики, а придумано человеком.

В механизме Хиггса вводится специальная зависимость потенциала скалярного поля от величины поля, которая симметрична и является неустойчивой. В природе неустойчивое состояние не может сохраняться долго и переходит в состояние с минимальной энергией. Это общеизвестное явление.

Явление спонтанного нарушения симметрии, то есть явление, при котором зависимость поля от потенциала становится несимметричной, получило название механизма Хиггса. Безмассовые поля (векторные бозоны) поглощают часть скалярного поля и приобретают массу. Оставшееся скалярное поле также имеет массу и проявляет себя как новая скалярная частица - бозон Хиггса.

Обнаружение бозона Хиггса будет являться основным доказательством, что этот механизм правильный, что природа устроена именно так, как мы думаем. Теория не исключает нескольких Хиггсовских бозонов.

Нынешнее время - это эра торжества Стандартной модели. Она замечательным образом объясняет явление нарушения комбинированной четности. Нет ни одного эксперимента, где бы было значимое указание на то, что в ней есть нарушения. За исключением, пожалуй, аномального магнитного момента мюона, где есть некое отклонение от Стандартной модели, и это есть предмет дальнейшей работы и теоретиков, и экспериментаторов.

- То есть других отклонений нет?

В том виде, в котором Стандартная модель существует сейчас, она объясняет все явления, доступные для экспериментальной проверки, и нет явлений, которые не согласовывались бы с экспериментом. Но мы определенно знаем, что Стандартная модель не охватывает всего, и попытки по её подобию объединить все взаимодействия (это называется Великое объединение) встречают существенные затруднения. Дело в том, что константы взаимодействий ведут себя так, что как бы "хотят" сравняться при энергиях ~10 15ГэВ.

В простом расширении Стандартной модели это не происходит в одной точке. Кроме того, в таком подходе устремляются в бесконечность радиационные поправки к массе Хиггсовского бозона, что очень неприятно с теоретической точки зрения. Но здесь на помощь приходит другой класс теорий - суперсимметричные модели.

- Почему тогда считается, что Стандартная модель требует подтверждений?

- Без наблюдения таких фундаментальных явлений, как механизм Хиггса, мы никогда не будем уверены, что природа устроена именно так, как мы предполагаем. Поэтому это первоочередная задача. Предположим маловероятный случай, что Хиггсовский бозон не будет найден. Это будет означать, что мир устроен совсем по-другому, чем мы думали.

- Возможно ли построение с помощью LHC новой картины мира?

- LHC, конечно, ответит на многие вопросы. В частности, будет вестись поиск суперсимметрии. Суперсимметрия - это гипотетическая симметрия, связывающая фермионы и бозоны, это значит, что они могут переходить друг в друга. В суперсимметричных моделяхвозможно объединение всех взаимодействий. Константы слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий сравниваются в одной точке, решается вопрос расходимостью радиационных поправок к массе Хиггсовского бозона. Суперсимметричные модели предсказывают большое количество частиц с массами, доступными для изучения на LHC. И если суперсимметричные частицы будут открыты на LHC, это будет, несомненно, революционный шаг в нашем понимании мира и новое торжество Стандартной модели. В суперсимметричных моделях может быть введена и гравитация.

- Частица Хиггса пока не обнаружена. Какие есть косвенные или прямые подтверждения существования механизма Энглера - Браута - Хиггса?

- Косвенных подтверждений, что Хиггсовский бозон существует, очень много. Он входит в расчёты всех процессов в Стандартной модели, в них обязательно есть обмен Хиггсовским бозоном. Без него невозможно вычислить многие измеряемые величины, такие как массы векторных бозонов и Т-кварка, бегущую константу электромагнитного взаимодействия и другие. Более того, из прецизионных измерений этих величин получаются серьёзные ограничения на массу Хиггса: она не может быть более 165 ГэВ с вероятностью 95%. Нижний предел составляет 115 ГэВ (означающий, что Хиггс с массой менее 115 ГэВ не существует) получен экспериментально на установке LEP в CERN.

- Какие теории ожидается подтвердить с помощью LHC? В каком из этих направлений уже есть намеки на результаты?