Лиза Рэндалл - Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Именно это нам и нужно. Опасные взаимодействия, которые не имели бы смысла для массивных частиц, применимы только на высоких энергиях. На низких энергиях частицы могут — и должны, как показывают эксперименты — обладать массой. Механизм Хиггса, спонтанно нарушающий симметрию слабого взаимодействия, — единственный известный нам способ обеспечить такое положение вещей.

Хотя мы до сих пор не видели частиц, ответственных за механизм Хиггса, который, в свою очередь, отвечает за массы элементарных частиц, у нас имеются экспериментальные свидетельства того, что механизм Хиггса в природе существует. Его действие мы много раз наблюдали в совершенно ином контексте: а именно в сверхпроводящихматериалах. Сверхпроводимость возникает тогда, когда электроны образуют пары и эти пары пронизывают весь материал. Так называемый конденсатв сверхпроводниках состоит из электронных пар, играющих ту же роль, что и поле Хиггса в приведенном выше примере.

Но в сверхпроводнике конденсат переносит не слабый заряд, а электрический. То есть конденсат как бы придает массу фотону, который передает электромагнитное взаимодействие внутри сверхпроводника. Масса экранируетзаряд; это значит, что внутри сверхпроводящего материала электрическое и магнитное поля далеко не распространяются, а силы спадают очень быстро на коротких расстояниях. Квантовая механика и специальная теория относительности утверждают, что расстояние экранированиявнутри сверхпроводника есть прямое следствие фотонной массы, которая существует только в сверхпроводящем субстрате. В этих материалах электрические поля не могут проникать дальше, чем на расстояние экранирования, потому что фотон, отражаясь от пронизывающих сверхпроводник электронных пар, обретает массу.

Механизм Хиггса работает аналогичным образом [52] Описание сверхпроводимости через фотонную массу дали в 1950 г. В. Л. Гинзбург и Л. Д. Ландау. Идея генерации массы частиц путем спонтанного нарушения симметрии высказана в 1962 г. Филипом Андерсоном. Питер Хиггс в 1964 г. предложил для релятивистских уравнений Гинзбурга — Ландау решение в виде частиц и предсказал существование тяжелого скалярного бозона. Аналогичные идеи одновременно выдвинули Браут и Энглерт, Гуральник, Хаген и Киббл. Последующие работы Виктора Попова и Людвига Фаддеева по калибровочным полям, Стивена Вайнберга и Абдуса Салама по теории электрослабого взаимодействия и Герарда ’т Хоофта по перенормировке позволили к середине 1970–х гг. сформулировать то, что сейчас известно как механизм Хиггса. — Прим. пер. . Но вместо электронных пар (несущих электрический заряд), пронизывающих вещество, мы говорим здесь о поле Хиггса (несущем слабый заряд), пронизывающем вакуум. А вместо фотона и его массы, экранирующей электрический заряд, речь идет о слабых калибровочных бозонах и их массах, экранирующих слабый заряд. Слабые калибровочные бозоны обладают ненулевой массой, поэтому слабое взаимодействие эффективно лишь на очень малых субъядерных расстояниях.

Поскольку это единственный непротиворечивый способ объяснить существование массы у слабых калибровочных бозонов, физики уверены, что механизм Хиггса в природе действует. И мы считаем его ответственным не только за массы слабых калибровочных бозонов, но и за массы всех вообще элементарных частиц. У нас нет никакой другой непротиворечивой теории, которая позволила бы частицам Стандартной модели, несущим слабый заряд, обладать массой.

Вы преодолели очень сложный раздел книги, содержащий несколько абстрактных концепций. Представление о механизме Хиггса и поле Хиггса неразрывно связано с квантовой теорией поля и физикой элементарных частиц и далеко от любых явлений, которые человек может хотя бы вообразить. Поэтому позвольте мне еще раз коротко сформулировать некоторые основные положения. Если бы механизма Хиггса не было, мы вынуждены были бы отказаться либо от признания масс элементарных частиц, либо от обоснованных предсказаний, связанных с высокими энергиями. Но и то и другое представляет собой важную часть верной теории. Предлагаемое решение состоит в том, что законы природы предусматривают симметрию, но она может спонтанно нарушаться из‑за ненулевой величины поля Хиггса. Нарушение симметрии вакуума позволяет элементарным частицам иметь ненулевую массу. Однако поскольку спонтанное нарушение симметрии связано с определенным диапазоном энергий (и расстояний), его действие сказывается только при низких энергиях. Речь идет об энергиях, соответствующих массам элементарных частиц, и о более низких энергиях (и, соответственно, о расстояниях, характерных для слабого взаимодействия и больших). Для этих энергий и масс действие гравитации пренебрежимо мало, и Стандартная модель (с учетом масс) верно описывает измерения в физике элементарных частиц. В то же время симметрия, предусмотренная законами природы, позволяет строить разумные высокоэнергетические прогнозы. Плюс к тому механизм Хиггса объясняет нулевую массу фотона как результат его невзаимодействия с пронизывающим Вселенную полем Хиггса.

Однако, хотя теоретически все это выглядит последовательно и логично, экспериментальные доказательства изложенных выше идей нам еще только предстоит получить. Даже Питер Хиггс признал важность подобной проверки. В 2007 г. он сказал, что математические построения кажутся ему очень убедительными, но «если это не подтверждено экспериментально, то это просто игра; все это необходимо проверить». Мы считаем предложенную Питером Хиггсом гипотезу верной, а потому ожидаем в самые ближайшие годы интереснейших открытий. Доказательства должны появиться на БАКе в виде одной или нескольких частиц; в простейшем варианте доказательством стала бы частица, известная как бозонХиггса,или хиггс.

«Хиггс» означает не только человека и механизм, но и название предполагаемой частицы. Бозон Хиггса — ключевое недостающее звено Стандартной модели [53] Дебатируется также вопрос о том, относятся ли к Стандартной модели правые нейтрино. Даже если таковые присутствуют, они, скорее всего, чрезвычайно тяжелы и не слишком важны для низкоэнергетических процессов. — Прим. авт. . Это признак существования механизма Хиггса, который мы надеемся обнаружить в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере. Его открытие подтвердило бы теоретические построения и показало бы, что поле Хиггса действительно пронизывает вакуум. У нас есть серьезные основания считать, что механизм Хиггса действует во Вселенной — ведь никто не может без него сконструировать сколько‑нибудь разумную теорию, которая объясняла бы массы элементарных частиц. Мы также считаем, что в самом скором времени должны появиться и какие‑то экспериментальные доказательства в пользу наших теоретических построений, поскольку БАК вот–вот должен начать эксперименты на соответствующем масштабе энергий. Скорее всего, этим доказательством будет бозон Хиггса.