Джим Бэгготт - Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Многие физики были убеждены, что они очень близки к эпохальному открытию, и то, как повел себя Майани в такой ситуации, у них оставило чувство горечи. Однако, когда они скрупулезно проанализировали события, вероятность, что они действительно свидетельствовали о бозоне Хиггса, стала еще меньше. «Я понимаю раздражение и печаль тех, кому казалось, что бозон Хиггса уже у них в руках, – писал Майани в феврале 2001 года, – и кто опасается, что пройдут годы, прежде чем их труд найдет подтверждение» [147].

Единственный вывод, который могли сделать физики, – это что масса бозона Хиггса должна быть больше 114,4 ГэВ, вероятно около 115,6 ГэВ.

После открытия истинного кварка и тау-нейтрино коллекция элементарных частиц, составляющих Стандартную модель, была собрана полностью. Физики оказались в беспрецедентной ситуации, когда у них не осталось экспериментальных данных, которые не укладывались бы в предсказания теорий. И тем не менее у теоретиков было еще много работы.

Большие недостатки Стандартной модели бросались в глаза с самого момента ее создания. Модель должна учитывать весьма настораживающее количество фундаментальных или элементарных частиц. Эти частицы соединяются в структуре, для которой требуются двадцать параметров, но их нельзя вывести из теории, а можно только измерять. Из этих двадцати параметров двенадцать должны точно указывать массы кварков и лептонов, а три – силу взаимодействия между ними.

Вдобавок есть проблема и с массой самого бозона Хиггса. Бозон приобретает массу через так называемые петлевые поправки, которые учитывают его взаимодействия с виртуальными частицами. Петлевые поправки с участием более тяжелых частиц, таких как виртуальный истинный кварк, означают, что бозон Хиггса гораздо массивнее, чем должен быть, чтобы нарушить электрослабую симметрию так, как от него требует теория. В итоге теория предсказывает гораздо более слабое взаимодействие, чем оно есть на самом деле. Это называют проблемой иерархии.

К тому же, несмотря на в общем успешное объединение слабого и электромагнитного взаимодействия, осуществленное Глэшоу, Вайнбергом и Саламом, теория структуры SU(3) × SU(2) × U(1) поля Янга – Миллса, составляющая Стандартную модель, отнюдь не является абсолютно единой теорией фундаментальных взаимодействий.

В отсутствие экспериментальных указаний у теоретиков не осталось выбора, кроме как руководствоваться красотой и следовать за своей интуицией в поиске теорий, которые бы вышли за рамки Стандартной модели и объяснили законы природы на еще более фундаментальном уровне.

Помимо теорий великого объединения типа теории Джорджи – Глэшоу, существует еще один подход к объединению, который в начале 1970-х предложили теоретики в Советском Союзе и независимо открыли в 1973 году физики ЦЕРНа Юлиус Весс и Бруно Зумино. Он называется суперсимметрией. Есть много разновидностей теорий суперсимметрии, но одна из самых простых, впервые предложенная в 1981 году и названная минимальной суперсимметричной Стандартной моделью (МССМ), включает в себя «супермультиплеты», соединяющие частицы материи (фермионы) с бозонами, частицами – переносчиками взаимодействия.

В теориях суперсимметрии уравнения инвариантны относительно замены фермионов на бозоны и наоборот. Сами разнообразные свойства и поведение фермионов и бозонов в физике, которые мы наблюдаем сегодня, должны в таком случае быть следствием нарушения или скрытия этой суперсимметрии.

Одним из следствий этой суперсимметрии более высокого порядка является увеличение числа частиц. На каждый фермион теория предсказывает соответствующий суперсимметричный фермион (который называется сфермион), который на самом деле бозон. Иными словами, на каждую частицу Стандартной модели теория требует существования массивного суперсимметричного партнера со спином, отличающимся на 1/ 2. Партнер электрона называется сэлектрон (сокращение от «скалярный электрон»). У каждого кварка есть партнер в виде соответствующего скварка.

Кроме того, у каждого бозона Стандартной модели есть соответствующий симметричный бозон, который называется бозино, и на самом деле он фермион. Суперсимметричные партнеры фотона и частиц W и Z называются фотино, вино и зино.

Одно из преимуществ МССМ заключается в том, что она решает проблему бозона Хиггса. В МССМ петлевые поправки, из-за которых раздувается масса бозона Хиггса, компенсируются отрицательными поправками, проистекающими из взаимодействий с участием виртуальных суперсимметричных частиц. Например, увеличение массы бозона Хиггса благодаря взаимодействию с виртуальным истинным кварком компенсируется взаимодействием с виртуальным истинным скварком. Эта компенсация стабилизирует массу Хиггса и, следовательно, слабое взаимодействие. Чтобы этот механизм работал, МССМ требуются пять бозонов Хиггса с разной массой. Три из них нейтральны, а два переносят электрический заряд.

МССМ устраняет и еще один недостаток Стандартной модели. Как показали Вайнберг, Джорджи и Куинн в 1974 го ду, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия Стандартной модели становятся почти равными на высоких энергиях. Однако они не становятся абсолютно равными, как можно было бы ожидать в полностью объединенной теории поля электроядерного взаимодействия. МССМ предсказывает, что силы трех взаимодействий сойдутся в одной точке (см. рис. 23).

Кроме того, суперсимметрия может решить давнишнюю проблему космологии. В 1934 году швейцарский астроном Фриц Цвикки обнаружил, что средняя масса галактик в скоплении Волос Вероники, вычисленная по их гравитационным эффектам, не соответствует средней массе, вычисленной по светимости галактик в ночном небе. Целых 90 процентов массы, необходимой для объяснения гравитационных эффектов, как будто отсутствовала или была невидима. Эту невидимую массу назвали темной материей.

Рис. 23 ( а ) Если экстраполировать силы взаимодействий в Стандартной модели, из этого следует уровень энергии (и время после Большого взрыва), при котором они одинаковы и объединены. Однако они не сливаются полностью в одной точке. ( b ) В минимальной суперсимметричной Стандартной модели (МССМ) дополнительные квантовые поля влияют на экстраполяцию, и взаимодействия сливаются

Проблема темной материи не ограничилась одним скоплением галактик. Темная материя – ключевой компонент современной Стандартной модели космологии Большого взрыва, модели Лямбда-CDM (сокращение от Cold Dark Matter, холодная темная материя). Последовательные наблюдения микроволнового фонового излучения, произведенные спутником COBE и в последнее время спутником WMAP, позволяют предположить, что темная материя составляет около 22 процентов массы-энергии Вселенной. Около 73 процентов – это темная энергия, связанная со всепроникающим энергетическим полем вакуума, и таким образом на долю «видимой» материи Вселенной – звезд, нейтрино и тяжелых элементов, то есть всего, что мы есть, и всего, что мы видим вокруг, – приходится меньше 5 процентов.