Пол Хэлперн - Коллайдер

В 1957 г. Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Роберт Шриффер (БКШ) предложили удачную квантовую теорию, объясняющую, как в материалах возникает сверхпроводящее состояние. Во главу угла она ставит особую взаимосвязь между электронами, образующими так называемые куперовские пары. Создав пару, электроны начинают, как ретивые солдаты, синхронно маршировать. После этого им никакое сопротивление не страшно, и они идеально проводят ток.

На вопрос, почему спаренные электроны могут идти в ногу, а одиночные нет, отвечает небезызвестный принцип Паули. Все элементарные частицы разбиваются на два класса: фермионы и бозоны. К примеру, электрон (вне куперовской пары) - это фермион, а фотон - это бозон. Принцип запрета Паули, играющий в квантовой механике огромную роль, гласит: два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. К бозонам этот принцип не относится - их в одном состоянии может быть сколько угодно. Это как в летнем лагере: дети (бозоны) спят в одной большой комнате, а воспитателям (фермионам) полагаются отдельные спальни. Конечно, у первых соблазн сбиться в кучу больше, чем у вторых. Поэтому неудивительно, что бозоны делают все заодно. И хотя куперовская пара состоит из двух фермионов, ведет она себя как бозон, для которого маршировать в ногу естественно.

У сверхпроводимости есть смертельный враг - тепло. При достаточно высокой температуре - для каждого материала она своя - синхронность нарушается, и сверхпроводник теряет свое исключительное положение среди проводников. Этот переход напоминает превращение кристаллов льда в жидкую воду и называется фазовым переходом.

Четыре года спустя после публикации теории БКШ американский физик японского происхождения Йоитиро Намбу заметил, что ее положения вполне можно применить к нарушению симметрии в физике элементарных частиц. Только что произошел

Большой взрыв, Вселенная расширяется, температура падает, и, возможно, происходит фазовый переход: бозоны вдруг согласовывают свои действия, и неорганизованная толпа разбивается на группы. За это выдающееся открытие в 2008 г. Намбу была присуждена Нобелевская премия.

История получила продолжение. В 1964 г. британский физик Питер Хиггс придумал такой тип бозонов, которые своей массой были обязаны спонтанному нарушению симметрии, его особой разновидности. Кроме того, получив массу сам, этот бозон наделял массой и другие частицы. Хотя его в итоге назвали в честь Хиггса, примерно в то же время независимо были предложены и другие похожие механизмы. Отметим здесь работу Джеральда Гуральника, К. Ричарда Хагена и Тома Киббла, а также вклад Франсуа Энглера и Роберта Браута.

В квантовой физике энергия поля определяется потенциалом, в котором оно «живет». Потенциал - это что-то вроде набора холмов, ям и склонов. Вместе они диктуют, как меняется энергия в зависимости от положения. Например, в скалистом потенциале резкие скачки энергии неизбежны в отличие от потенциала типа «плато». А Хиггс заставил свой бозон поселиться в особом потенциале - в форме дна бутылки от шампанского. Причем при высоких температурах бозон обитает в центральной части, а при низких - с краю. Когда температура падает ниже критической, бозон скатывается с вершины (ложный вакуум) вниз к краю (истинный вакуум) и приходит в основное состояние. Случайное место, которое бозон займет на окружности (дно бутылки с шампанским, помните?), определит вакуум во всем пространстве. (Кстати, на это место математически указывает фаза, особый внутренний параметр, «смотрящий» под разными углами - как стрелки в часах.) Именно поэтому вакуум получается единым для всех частиц, и каждая из них лишена возможности выбирать ту фазу, которая ей заблагорассудится. В результате первоначальная симметрия случайно, или, как говорят, спонтанно, нарушается.

Чтобы поближе познакомиться с этим явлением, представим себе стройку: будущий коттеджный поселок, а пока - шахматная доска из правильных квадратных участков. До появления домов еще долго, так что все участки похожи друг на друга как капли воды. Нельзя сказать, где у них север, а где юг. Допустим, вышло распоряжение местных властей, предписывающее выдерживать определенное расстояние между домами. Если один из домов поставить строго посередине участка, все остальные будут вынуждены под него подстроиться, и симметрия будет выдержана во всем поселке. Так ведут себя бозоны Хиггса при высоких температурах. А теперь, например, первый дом построили в юго-западном углу участка. Чтобы не пойти против распоряжения, дома по соседству тоже придется возвести в юго-западных частях их участков. В конце концов все дома в поселке будут несимметрично стоять в юго-западных углах. И все из-за одной-единственной местной прихоти. Если бы первый дом возвели в северо-восточном углу участка, общая архитектура снова, пожалуй, поменялась бы на тот же манер. Аналогично фаза, выбираемая бозоном Хиггса в одном месте, задает в итоге общую фазу.

Вывод Хиггса был таков: как только фаза бозона определилась, он благодаря ненулевому значению поля приобретает массу. Она не берется из ниоткуда, ведь энергия скатившегося с вершины поля увеличилась, а где энергия, там и масса (один из результатов специальной теории относительности Эйнштейна). Более того, взаимодействуя с другими частицами, бозон Хиггса и им придает их собственные массы. Не так уж невероятно, что все массивные частицы во Вселенной своей массой обязаны «хиггсу». За способность доставать массу словно из ниоткуда бозон Хиггса прозвали «божественной частицей», заставив автора этой идеи несколько смутиться. Скромный ученый долго привыкал к частице-тезке, да еще наделенной божественными чертами.

Идея Хиггса была настолько непривычной, что ведущий европейский журнал «Физикс Леттерс» отклонил его первую статью. Позже Хиггс вспомнит свое разочарование: «Я негодовал. Я считал, мои результаты могут быть полезными в физике элементарных частиц. Как-то потом мне коллега… из ЦЕРНа сказал, что теоретики там не понимают, в чем ценность моего предложения…»

«…Осознав, что моя статья мало цепляет глаз, я ее переделал и добавил туда два новых раздела. В одном из них говорилось о спонтанном нарушении так популярной сегодня (кварковой) симметрии ароматов SU(3). После этого послал ее в “Физикал Ревью Леттерс”… На этот раз статью приняли» 10.

Работа Хиггса дала возможность взглянуть на проблему объединения электромагнитного и слабого взаимодействий в единую теорию с новой стороны. А именно: из четверки частиц-переносчиков, отвечающих за возникновение соответствующих сил, три приобретают массу за счет механизма Хиггса. Переносчик взаимодействия - это бозон, который служит посредником между частицами материи, заставляя их притягиваться, отталкиваться или переходить друг в друга. Чем тяжелее переносчик, тем меньше радиус такого взаимодействия.