Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Все описываемое время я был убежден, что частицы Хиггса не существует. Спонтанное нарушение электрослабой калибровочной симметрии определенно имеет место, потому что W- и Z-частицы существуют и имеют массу, но введение в картину нового фундаментального скалярного поля, придуманного специально для выполнения этой задачи, казалось мне искусственным. Во-первых, никакого другого фундаментального скалярного поля в природном зоопарке частиц никогда не наблюдалось. Во-вторых, я считал, что с учетом всей той неизвестной физики, которую нам только предстояло открыть на малых масштабах, природа могла бы придумать куда более хитроумный и неожиданный способ нарушения калибровочной симметрии. Стоит постулировать существование частицы Хиггса, и встает следующий очевидный вопрос: «А почему так?» Или конкретнее: «Откуда берется нужная динамика, которая заставляет его сконденсироваться именно на этом масштабе, именно с этой массой?» Я считал, что природа нашла бы способ разбить теорию без такого произвола, и я весьма решительно выражал это свое убеждение, когда проходил собеседование как кандидат в члены Гарвардского общества исследователей после получения докторской степени.

А теперь давайте вспомним, что следует из существования механизма Хиггса. Этот механизм требует существования в природе не только новой частицы, но и невидимого фонового поля, которое должно пронизывать все пространство. Он подразумевает также, что все частицы – не только W- и Z-бозоны, но также и электроны, и кварки – в фундаментальной теории являются безмассовыми. Эти частицы взаимодействуют с фоновым хиггсовским полем и испытывают затем своего рода сопротивление движению, замедляющее их до субсветовых скоростей, – так пловец в патоке будет плыть медленнее, чем в воде. А двигаясь с субсветовой скоростью, частицы ведут себя так, будто обладают массой. Те частицы, которые сильнее взаимодействуют с этим фоновым полем, испытывают большее сопротивление и ведут себя так, будто они более массивны, – так, автомобиль, съехавший с асфальта в грязь, становится труднее толкать, чем по дороге, и толкающим он будет казаться тяжелее.

Все это очень сильное утверждение о природе реальности. Помня, что в сверхпроводниках образующийся конденсат представляет собой сложное состояние связанных пар электронов, я скептически относился к тому, что на фундаментальных масштабах в пустом пространстве все может работать намного проще и чище.

Но как можно исследовать столь замечательное утверждение? Мы используем для этого центральное свойство квантовой теории поля, которым воспользовался и Хиггс, когда предлагал свою идею. Для каждого нового поля в природе должен существовать по крайней мере один новый тип элементарных частиц с этим полем. Но как получить эти частицы, если фоновое поле заполняет собой все пространство?

Очень просто. Мы отшлепаем вакуум.

Я имею в виду, что, если мы сможем сфокусировать достаточно энергии в одной точке пространства, мы можем тем самым спровоцировать появление реальных частиц Хиггса, и их можно будет измерить. Это можно представить примерно так. Говоря языком физики элементарных частиц, используя фейнмановские диаграммы, мы можем считать, что виртуальная частица Хиггса появляется из фонового хиггсовского поля, придавая массу другим частицам. Левая диаграмма соответствует рассеянию частиц, таких как кварки и электроны, на виртуальной частице Хиггса; частицы отклоняются от своего маршрута, испытывая, таким образом, сопротивление своему движению вперед. На правой диаграмме представлен тот же эффект для таких частиц, как W и Z.

Эту картинку мы легко можем развернуть.

В этом случае можно представить, что энергичные частицы, такие как W и Z, или кварки и/или антикварки, или электроны и/или позитроны испускают виртуальные частицы Хиггса и испытывают отдачу. Если энергии входящих частиц достаточно велики, то испущенная частица Хиггса может оказаться реальной. Если энергии недостаточно, частица будет виртуальной.

А теперь вспомним, что если частица Хиггса придает другим частицам массу, то сильнее всего она будет взаимодействовать с самыми массивными частицами. Это означает, что легкие частицы, такие как электроны, вероятно, не слишком подходят для непосредственного создания частиц Хиггса на ускорителе. Вместо этого можно представить себе ускоритель с энергией, достаточной для создания тяжелых виртуальных частиц, которые, в свою очередь, будут выплевывать частицы Хиггса – как виртуальные, так и реальные.

Естественными кандидатами на роль инструмента в таком деле являются протоны. Нужно построить ускоритель или коллайдер, который будет начинать с протонов и разгонять их до таких высоких энергий, чтобы образовывалось достаточно тяжелых виртуальных составляющих, способных порождать частицы Хиггса. Эти частицы Хиггса, виртуальные или реальные, будучи тяжелыми, быстро распадутся на более легкие частицы, с которыми бозон Хиггса взаимодействует сильнее всего, – опять же это будут либо истинные или прелестные кварки, либо W- или Z-частицы. Они, в свою очередь, тоже распадутся на другие частицы.

Далее фокус будет состоять в том, чтобы рассмотреть события с наименьшим числом выходящих частиц, которые можно четко засечь, чтобы затем точно определить их энергии и импульсы, и посмотреть, нельзя ли реконструировать серию событий, которая восходила бы к единственной массивной промежуточной частице с предсказанными бозона Хиггса взаимодействиями. Неслабая задачка!

Принципиально это все было понятно уже в 1977 г., еще даже до открытия истинного кварка. (Поскольку прелестный кварк был уже открыт, а все остальные кварки существуют слабыми парами – нижний и верхний, странный и очарованный, – было ясно, что должен существовать еще один кварк, хотя открыть его удалось только в 1995 г. и оказался он в чудовищные 175 раз тяжелее протона.) Однако знать, что необходимо сделать, и на самом деле построить машину, способную это сделать, – две совершенно разные вещи.

Ускорение протонов до достаточно высоких энергий для исследования полного диапазона возможных масс частицы Хиггса далеко выходило за рамки возможностей любой установки в 1978 г., когда были подтверждены все остальные предсказания теории электрослабого взаимодействия, или в 1983 г., когда были открыты W- и Z-частицы. Требовался ускоритель по крайней мере на порядок мощнее самой мощной из существовавших на тот момент установок. Короче говоря, требовался не просто коллайдер, а суперколлайдер.