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

Итак, остался последний не найденный святой Грааль – предсказанная частица Хиггса. В отличие от W- и Z-бозонов, масса бозона Хиггса не устанавливается теорией. Ее связи с веществом и с калибровочными бозонами были предсказаны, поскольку эти связи позволяют фоновому хиггсовскому полю, предположительно существующему в природе, разрушать калибровочную симметрию и придавать массу не только W- и Z-частицам, но и электронам, мюонам и кваркам – вообще всем фундаментальным частицам Стандартной модели, за исключением нейтрино и фотона. Однако ни масса частицы Хиггса, ни сила ее самовзаимодействий по отдельности не определялись заранее по существовавшим на тот момент измерениям. Теория лишь связывала отношение этих величин с измеренной силой слабого взаимодействия между известными частицами.

По консервативным оценкам возможной величины силы самовзаимодействия частицы Хиггса ее масса столь же сдержанно оценивалась как лежащая в диапазоне от 2 до 2000 ГэВ. Верхний предел определялся тем, что, если самосвязывание частицы Хиггса окажется слишком сильным, теория станет относиться уже к сильному взаимодействию и многие расчеты, выполненные с использованием простейшей модели бозона Хиггса, окажутся неверны.

Помимо важной роли бозона Хиггса в разрушении электрослабой симметрии и придании массы другим элементарным частицам, остальные количественные характеристики этой частицы оставались на тот момент экспериментально практически не определенными. Вероятно, именно поэтому Шелдон Глэшоу в 1980-е гг. называл бозон Хиггса «туалетом» современной физики: все знали, что он безусловно существует, но никто не хотел подробно обсуждать его публично.

То, что Стандартная модель не устанавливала заранее многие детали хиггсовского сектора, не мешало большому числу теоретиков предлагать модели, «предсказывавшие» массу частицы Хиггса на основании неких новых теоретических идей. В начале 1980-х гг. всякий раз, когда ускорители повышали доступные ученым энергии, выходили новые физические статьи с предсказаниями, согласно которым частица Хиггса должна непременно обнаружиться, как только новая машина будет включена. Затем этот новый порог преодолевался, но, вопреки предсказаниям, ничего не наблюдалось. Становилось ясно, что для исследования всего возможного пространства параметров придется строить принципиально новый ускоритель.

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.