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

А теперь, после того как мы сделали все эти реверансы, давайте вернемся к описанию особой роли бозона Хиггса – последнего недостающего элемента Стандартной модели физики элементарных частиц. Стандартная модель объясняет все, с чем мы имеем дело в повседневной жизни (кроме гравитации, которую достаточно легко туда вставить). Кварки, нейтрино и фотоны, тепло, свет и радиоактивность, столы, лифты, и самолеты, телевидение, компьютеры и мобильные телефоны, бактерии, слоны и люди, астероиды, планеты и звезды – все это просто разные способы реализации Стандартной модели в различных обстоятельствах, и все в ней прекрасно согласуется одно с другим. С ее помощью объясняется огромное разнообразие экспериментальных данных, но – при одном условии: если существует бозон Хиггса. Без бозона Хиггса, или чего-то еще более экзотического, что могло бы выполнять его функции, Стандартная модель не работает.

Есть что-то сомнительное в этих заявлениях о суперважности бозона Хиггса. В конце концов, откуда вообще мы узнали, что он такой важный, до того, как его нашли? Что заставляло нас без конца обсуждать свойства гипотетической частицы, которую никто никогда не наблюдал?

Представьте себе, что вы видите выступление очень талантливого иллюзиониста, выполняющего необычный карточный фокус. Он состоит в том, что иллюзионист заставляет карту парить в воздухе. Этот трюк приводит вас в полное недоумение, поскольку вы абсолютно уверены: иллюзионист, заставляя карты левитировать, не использует сверхъестественные силы. Вы достаточно умны и настойчивы и, немного поразмыслив, придумываете способ, с помощью которого иллюзионист мог бы проделать свой фокус, а именно – прикрепив к карте тонкую невидимую нить. На самом деле не трудно придумать и другие варианты – например, удерживать карты в воздухе с помощью струи теплого воздуха, но сценарий с нитью – самый простой и правдоподобный. Можно пойти и дальше и даже проделать этот фокус дома – проверить, действительно ли с правильной нитью фокус получается не хуже, чем у иллюзиониста.

Потом вы идете на следующее представление этого иллюзиониста и опять видите левитирующие карты. Все в этом фокусе выглядит в точности так же, как в том опыте, который вы проделали дома. Но вот нить в руках иллюзиониста вы не видите!

Бозон Хиггса в Стандартной модели похож на эту нить. Довольно долго мы непосредственно его не видели, а видели только результаты его работы. Или по-другому: мы наблюдали явления, очень хорошо объяснимые в том случае, если он существует, но не имеющие никакого смысла без него. Без бозона Хиггса такие частицы, как, например, электрон, имели бы нулевую массу и двигались бы со скоростью света, а на самом деле у них есть масса и движутся они медленнее. Без бозона Хиггса многие элементарные частицы были бы одинаковыми, а в реальности они очень разные – с различными массами и временами жизни. С бозоном Хиггса все эти ключевые свойства элементарных частиц сразу объясняются.

В подобных обстоятельствах – идет ли речь о картах или о бозоне Хиггса – существует два варианта: либо наша теория правильна, либо существует еще более интересная и сложная теория. Факты налицо: карты левитируют, частицы обладают массой. Этому должно быть объяснение. Если мы его знаем, то можем поздравить себя с тем, что оказались такими умными, а если это нечто более сложное, то нам предстоит узнать что-то очень интересное. Может быть, частица, найденная на БАКе, выполняет только часть тех функций, которые, по нашему предположению, должен выполнять бозон Хиггса, но не все. А может быть, та работа, которую должен выполнять бозон Хиггса, делается несколькими частицами, из которых нашли пока только одну. Что бы там ни было, мы всегда окажемся в выигрыше, но при условии, что нам в конце концов удастся понять, что же происходит в действительности.

Давайте посмотрим, сможем ли мы перевести на более научный язык эти метафорические заклинания «группы поддержки» бозона Хиггса, с помощью которых нам демонстрируют его важность, и уже на этом языке объяснить, какую функцию предположительно он должен выполнять.

Частицы бывают двух типов: частицы, из которых составлена материя, их называют фермионами, и частицы-переносчики взаимодействий, называемые бозонами. Разница между ними состоит в том, что фермионам требуется для выживания много места, в то время как бозоны могут жить прямо на головах друг у друга. Нельзя взять горсть одинаковых фермионов и поместить их всех в одном месте – законы квантовой механики не позволят сделать это. Вот почему из фермионов составлены твердые объекты типа столов и планет.

Удивительное дело – чем меньше масса частицы, тем больше места она занимает. Атомы состоят всего из трех типов фермионов – верхних кварков, нижних кварков и электронов, удерживаемых вместе с помощью взаимодействий. Атомные ядра, состоящие из протонов и нейтронов, которые в свою очередь состоят из верхних и нижних кварков, относительно тяжелы и занимают относительно небольшие области пространства. Электроны, напротив, намного легче (около 1/2000 массы протона или нейтрона), но занимают гораздо больше места. В действительности именно электроны в атомах придают веществу присущую ему твердость.

Бозоны вообще не занимают никакого места. Два бозона или два триллиона бозонов – все равно сколько – могут с легкостью разместиться в том же пространстве, сидя прямо друг на друге. Бозоны, частицы, переносящие взаимодействие, вместе могут создать макроскопическое силовое поле типа гравитационного, удерживающее нас на Земле, или магнитного поля, которое заставляет отклоняться стрелку компаса.

Физики обычно считают слова «сила», «взаимодействие» и «связь» практически синонимами. Это отражает одну из глубоких истин, которая открылась физикам в XX веке: силы можно рассматривать как результат обмена частицами. (Как мы увидим позже, можно сказать и так: силы «возникают из колебаний полей».) Когда Луна чувствует гравитационное притяжение Земли, можно сказать, что между двумя этими небесными телами курсируют туда-сюда гравитоны (которые, правда, пока еще не обнаружены). Когда электрон захватывается атомным ядром, это происходит потому, что между ними произошел обмен фотонами. Но взаимодействия также ответственны и за другие процессы, происходящие с элементарными частицами, к примеру за аннигиляцию и распад, а не только за отталкивание и притяжение. Когда распадаются радиоактивные ядра, мы можем приписать эти события работе либо сильных, либо слабых ядерных сил, в зависимости от того, какой распад происходит. Силы в физике элементарных частиц отвечают за множество разнообразных процессов.