Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса - Дэйв Голдберг

Иначе говоря, было так жарко, что валун Хиггса не успел бы укатиться по склону очень уж далеко — его толкнули бы обратно. Когда вселенная стала остывать, Сизиф немного унялся, и валун покатился вниз и в конце концов очутился в относительно глубокой долине. Этот спуск нарушает прекрасную симметрию, с которой начался наш разговор. Сначала поле Хиггса могло покатиться в любую сторону, но когда валун уже покатился, это само по себе, в сущности, выбрало и закрепило одно из направлений, придало ему особость.

Поле Хиггса напрочь позабыло, что только что было на вершине горы, и быстренько обустроилось в долине. Однако поля, попавшие в долины и ущелья, как мы уже знаем, свидетельствуют о том, что соответствующая частица обладает массой. Частица Хиггса приобрела массу из ничего, всего-навсего нарушив симметрию. Вот так сюрприз!

Как бозон Хиггса создает массу

Масса бозона Хиггса, само собой, создается из чистой энергии. Это подарок Эйнштейна нам всем. Однако бозон Хиггса знаменит не тем, что у него есть масса, — он знаменит тем, что снабжает массой другие частицы.

Если хотите, чтобы я вам дешево и сердито объяснил, как бозон Хиггса создает массу, вспомните, что поле Хиггса взаимодействует с другими полями. В царстве физики взаимодействие означает энергию, а энергия означает массу. На языке батута или гитарной струны, его простоватой кузины, можно уподобить поле Хиггса зажиманию струн пальцами: это повышает все частоты, а следовательно, и энергии. Получающаяся энергия и есть то, что мы считаем массой частиц.

Однако это описание слишком легкое. Чтобы по-настоящему понять, как бозон Хиггса создает массу, нам надо разобраться, как поле Хиггса меняется со временем. Разные поля взаимодействуют друг с другом. Электронное поле взаимодействует с фотонным. Само собой, это электромагнитное взаимодействие. Подобным же образом поле Хиггса идет на поводу у других полей. Вообще-то это не должно нас особенно тревожить. В пустых областях пространства можно ожидать, что взаимодействие, например, с Z0 вообще сведется к нулю — поскольку в среднем в пустоте поле Хиггса полностью исчезает.

Но стоит полю Хиггса скатиться с горы в долину, как все встает с ног на голову.

Вспомните, что поле Хиггса особенно живо реагирует на слабое взаимодействие. Как только валун скатывается с горы, возникает постоянное поле и, следовательно, постоянная энергия взаимодействия между полем Хиггса и полями W и Z0. Однако взаимодействия эти направлены в обе стороны. Не забывайте:

Третий закон Ньютона. Сила действия равна силе противодействия, или силы, с которыми два тела действуют друг на друга, всегда равны по величине и направлены в противоположных направлениях.

Стоило нам добавить постоянное взаимодействие, как у нас — крэкс, пэкс, фэкс — появилась масса! Можно считать, что это просто наглядная иллюстрация понятия «общее благо» (как говорил Кеннеди, «На большой волне все лодки поднимаются»). Поскольку поле Хиггса больше не покоится на вершине горы, ни одно из полей, с которыми оно взаимодействует, больше не находится в его положении равновесия. Бозон Хиггса и переносчики слабого взаимодействия — они как Чудо-Близнецы субатомного мира. Стоит одному из них изменить свойства, как меняются все сразу.

Тут можно воспользоваться одной удачной аналогией. Бозон Хиггса — бозон, а значит, входит в одну категорию с фотоном, глюонами и прочими частицами-переносчиками, третейскими судьями в мире элементарных частиц. Большинство физиков не считают бозон Хиггса переносчиком взаимодействия, однако вы можете считать иначе: пусть он будет переносчиком взаимодействия, но особого рода, таким, который помогает частице взаимодействовать с самой собой. Частица W+ только и делает, что испускает и принимает бозоны Хиггса, но она не рассылает их никуда, а что сеет, то и пожинает, а в процессе выдает еще и энергию взаимодействия в качестве, так сказать, пота. Поскольку энергия и есть масса, W + набирает вес — вроде бы из ничего.

Если немного углубиться в математические подробности, станет ясно, что механизм Хиггса позволяет сделать множество предположений, главное из которых — что частицы W и Z0 должны обладать массой. Это очень далеко идущее предположение. В частности, оно позволяет вычислить, что масса Z0 в 1,14 раз больше массы W, и эксперименты это подтверждают.

Я отдаю себе отчет, что вся картина взаимодействия полей — не самая интуитивно понятная концепция на свете. Вокруг нее, словно грибы, разрослись разные кустарные способы разъяснения механизма Хиггса при помощи незатейливых сравнений.

Например, некоторые ученые уподобляют поле Хиггса космической цистерне с патокой. Когда молекулы движутся сквозь патоку, то встречают сопротивление движению, а это точь-в‑точь масса!

Казалось бы, все это очень красиво — но тут становится ясно, что очень много вопросов так и остались без ответов. Например, почему это только некоторые частицы взаимодействуют с патокой Хиггса? Почему не все одинаково? Если бы нам с вами пришлось плавать в густом сиропе, он одинаково мешал бы обоим — однако частица Z0 гораздо массивнее электрона! А фотон и вообще лишен массы.

От этой аналогии не остается и камня на камне, стоит лишь задуматься, как это все выглядит в реальном мире. Попробуйте поплавать в патоке. Вы будете замедляться, а потом остановитесь, а вам уже известно, что частицы двигаются совсем иначе. Если вы что-то и запомнили из школьного курса физики, так разве что истертое, но не утратившее истинности утверждение Ньютона про тела, которые движутся равномерно и прямолинейно, если на них не действуют сторонние силы.

Аналогий придумали множество. Одна из самых популярных — про кинозвезду, которая приходит на праздник. Стоит ей войти, и ее тут же окружают поклонники, что сильно мешает ее продвижению и существенно увеличивает массу. А вы можете зайти совершенно свободно, никто вас не остановит. В этой истории вы — фотон, а кинозвезда — Z0.

Поле Хиггса — то есть поклонники — взаимодействуют с кинозвездой, а с вами — нет. Кинозвезда, придя в движение, медленно идет вперед, подталкиваемая обожателями, так что ей трудно остановиться. Проблема в том, что бозон Хиггса — одна из самых тяжелых частиц, а это значит, что нет никакого объяснения тому, как получаются частицы, обладающие массой меньше, чем масса бозона Хиггса.

Сам Питер Хиггс уподоблял поле своего имени показателю рефракции стекла. Если свет проходит через стекло, то идет со скоростью меньше c. Поскольку свет в стекле, воде и прочих средах распространяется с постоянной скоростью (хотя и меньше c), соответствовать первому закону Ньютона нам удается. Сложность в том, что при надлежащем усилии преодолеть ограничения массы по большей части удается. У частиц есть масса, но нам все равно удается ускорять их до скоростей свыше 99 % скорости света.

Суть в том, что какие бы аналогии мы ни подбирали, без трудностей не обойтись. Прямо нутром чуешь, что масса — это что-то фундаментальное. А мысль о том, что массу можно приобрести при взаимодействии, идет решительно вразрез с нашим повседневным опытом. Ничего страшного. Довольно скоро мы убедимся, что почти вся, а может быть, и вся масса во вселенной — не более чем иллюзия.

Разумеется, весь этот карточный домик построен на предположении, что бозон Хиггса действительно существует.

А мы точно знаем, что бозон Хиггса существует?

Предсказать существование бозона Хиггса — это одно, а вот зарегистрировать его экспериментально — это совсем другое. В 2010 году начались работы на Большом адронном коллайдере — это ускоритель с окружностью в 27 километров, расположенный в Швейцарии и Франции, в котором протоны разгоняются до скоростей в 99,999996 % скорости света и сталкиваются друг с дружкой[103]. Для сравнения: замедление времени при подобных скоростях так велико, что, если верить ученым, внутренние часы протонов отсчитывают всего лишь около секунды за каждый час.

Большой адронный коллайдер — это один из крупнейших совместных научных проектов за всю историю науки: в нем участвуют буквально тысячи физиков, а начальные вложения составили примерно четыре миллиарда долларов.

Само собой, Большой адронный коллайдер строили не только для того, чтобы зарегистрировать бозон Хиггса. Остается надежда, что мы еще обнаружим неуловимую частицу темного вещества или откроем суперсимметрию, лежащую в основе стандартной модели физики. На свете полным-полно высокоэнергичных явлений, наблюдать которые у нас раньше не было возможности. Однако главным призом оставался бозон Хиггса.

Когда протоны разгоняются настолько близко к скорости света, как в Большом адронном коллайдере, и врезаются друг в друга, это причиняет им большие разрушения. В итоге возникает смерч, в котором создается множество высокоэнергичных частиц, в том числе, так уж получилось, и бозон Хиггса. Зарегистрировать бозон Хиггса как таковой крайне трудно. Это ведь нейтральная частица, а следовательно, ничего не излучает. Возможно, это для вас некоторая неожиданность. Когда в газетах объявляют, что на Большом адронном коллайдере или в ходе какого-то другого эксперимента была зарегистрирована та или иная частица, это зачастую означает совсем не то, что вы думаете. В ходе эксперимента ученым не приходится класть бозон Хиггса в чашку Петри или даже наблюдать его траекторию в пузырьковой камере. Нет, бозон Хиггса регистрируют, если замечают, что два высокоэнергичных гамма-луча[104] исходят из одной точки, после чего вычисляют массу и траекторию частицы по законам сохранения импульса и энергии.