Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

В восьмой главе мы исследовали глубинную связь между симметрией и силами природы. Если у нас есть «локальная» или «калибровочная» симметрия, то есть та, которая работает независимо в каждой точке пространства, она обязательно сопровождается связывающим полем, а оно уже порождает силы. Было понятно, что так устроены гравитация и электромагнетизм, а в 1950-х годах Янг и Миллс придумали, как распространить эту идею на другие силы природы. Однако есть проблема, которую так упорно педалировал Вольфганг Паули: симметрии, порождающие определенные взаимодействия, всегда приводят к появлению безмассовых бозонов. В этом, в частности, проявляется власть симметрий: они диктуют строгие ограничения на свойства, которыми могут обладать частицы. Например, симметрия, лежащая в основе электромагнетизма, приводит к строгому сохранению электрического заряда при взаимодействиях.

Но действие сил, переносчиками которых являются безмассовые частицы, должно распространяться, как все считали в то время, на бесконечные расстояния, и их поэтому можно очень легко обнаружить. С гравитацией и электромагнетизмом все так и есть, а вот ядерные силы совершенно иные. Теперь мы поняли, что сильные и слабые взаимодействия – это тоже силы янгмиллсовского типа, просто соответствующие безмассовые частицы по разным причинам спрятаны от нас. В сильных взаимодействиях такие безмассовые частицы – глюоны, но они заперты внутри адронов, а в слабых взаимодействиях безмассовые W– и Z-бозоны становятся массивными из-за спонтанного нарушения симметрии.

Еще в 1949 году американский физик Джулиан Швингер выдвинул идею о том, что силы, порожденные симметрией, всегда будут переноситься безмассовыми частицами, но, продолжив заниматься этой проблемой, он в 1961 году понял, что его аргументы были небезупречны – в них была лазейка, которая позволяла калибровочным бозонам обзавестись массой. Он не был уверен, что это может на самом деле произойти, но написал статью и указал на свою предыдущую ошибку. Швингеру был свойственен элегантный и точный стиль, который проявлялся не только в манере держаться, но и в его научных работах. В этом смысле он был противоположностью Ричарду Фейнману, с которым он и Син-Итиро Томонага разделили Нобелевскую премию в 1965 году. Фейнман отличался некоторой экстравагантностью поведения и глубоко интуитивным подходом к физике, а Швингер был всегда педантичен и точен. Поэтому когда он написал статью, указав на слабое место в известной и принятой всеми теории, физическая общественность восприняла это очень серьезно.

Но один вопрос остался: что может заставить бозоны-переносчики взаимодействий обзавестись массой? Ответ пришел с несколько неожиданной стороны – не из физики элементарных частиц, а из физики конденсированных сред, занимающейся изучением материалов и их свойств. Идеи были позаимствованы по большей части из теории сверхпроводников – материалов, из которых, к слову, изготовлены гигантские магниты на БАКе.

Электрический ток представляет собой поток электронов через вещество. В обычном проводнике электроны натыкаются на атомы и другие электроны, что приводит к сопротивлению их потоку. А сверхпроводники – такие материалы, в которых, если температура достаточно низка, ток может протекать беспрепятственно. Первая обоснованная теория сверхпроводников была построена советскими физиками Виталием Гинзбургом и Львом Ландау в 1950 году. Они предположили, что сверхпроводник пронизывает особый вид поля, наделяющего массой обычно безмассовый фотон. Они, возможно, и не имели в виду новое фундаментальное поле, но сделали предположение о коллективном движении электронов, атомов и электромагнитных полей – вроде того, как звуковая волна – не колебание фундаментального поля, а коллективное движение атомов воздуха, сталкивающихся друг с другом.

Хотя Ландау и Гинзбург предположили, что за сверхпроводимость отвечало своего рода поле, они не уточнили, что это было за поле. Этот шаг сделали американские физики Джеймс Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер, которые в 1957 году построили теорию сверхпроводимости – то, что называется сегодня теорией «БКШ». Теория БКШ является одной из важнейших в физике XX века и, конечно, заслуживает отдельной книги (но моя книга про другое).

В теории БКШ за основу взята идея Купера о том, что частицы могут при очень низких температурах объединяться в пары. Именно эти «куперовские пары» формируют таинственное поле, которое ввели Ландау и Гинзбургом. В то время как один электрон будет постоянно наталкиваться на атомы вокруг него, в результате чего возникнет сопротивление, в куперовской паре электроны существуют таким образом, что когда что-то отталкивает один электрон пары, другой электрон испытывает равное и противоположное притяжение (и наоборот). В результате пары электронов проскальзывают через сверхпроводник беспрепятственно.

Это прямо связано с тем, что эффективная масса фотонов внутри сверхпроводника ненулевая. Когда частицы безмассовы, их энергия прямо пропорциональна их скорости и может варьироваться от нуля до любой величины, какую вы себе только можете представить. Массивные же частицы, напротив, имеют минимальную энергию – энергию покоя, определяемую выражением E = mc². При перемещении электронов в обычном проводнике они толкаются атомами и другими электронами, их электрическое поле мягко встряхивается, при этом создаются очень низкоэнергетические фотоны, которые вы вряд ли когда-нибудь заметите. Именно постоянное излучение фотонов заставляет электроны терять энергию и замедляться, что ведет к уменьшению тока. А в теориях Ландау-Гинзбурга или БКШ фотоны получают массу, и поэтому существует определенная минимальная энергия, необходимая для их создания. Электроны, которые не имеют такого минимального количества энергии, не могут создать какие-либо фотоны и поэтому не могут терять энергию: куперовские пары проходят через вещество с нулевым сопротивлением.

Электроны, конечно, являются фермионами, а не бозонами. Но когда они собираются вместе и создают куперовские пары, они превращаются в бозоны. Мы определили бозоны как переносчиков силовых полей, которые могут скапливаться в одном месте, что отличает их от фермионов – переносчиков полей вещества, требующих места в пространстве. Как мы обсудим в Приложении 1, поля имеют свойство под названием «спин», что также отличает бозонные поля от фермионных. Все бозоны имеют спины, которые являются целыми числами: 0, 1, 2… Фермионы же имеют полуцелые спины: 1/2, 3/2, 5/2… Электрон – фермион со спином 1/2. Когда частицы собираются вместе, их спины могут складываться или вычитаться, так что пара двух электронов может иметь спин 0 или 1 – как раз столько, сколько нужно, чтобы создать бозоны.