Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Важно различать «спин частиц» и «величину спина, измеряемую относительно некоторой оси (проекцию)». Предположим, что вектор углового момента Земли, вращающейся вокруг своей оси, направлен от Южного полюса к Северному и имеет некоторую (большую) величину. Мы можем спросить, каков этот угловой момент по отношению к оси, направленной в противоположном направлении – с севера на юг. Ответом была бы та же величина, но взятая со знаком минус. Сам угловой момент не изменился, мы просто измерили его по отношению к другой оси. Если мы смотрим на исходную ось сверху, то положительный спин означает, что мы видим объект, вращающийся против часовой стрелки, а отрицательный – что объект вращается по часовой стрелке. Земля вращается против часовой стрелки с точки зрения того, кто смотрит вниз с Северного полюса, поэтому она имеет положительный спин. (Это известное «правило правой руки» – если вы согнете пальцы правой руки в направлении вращения – то есть как бы охватите цилиндр, – то большой оттопыренный палец укажет направление, вдоль которого спин положителен).

Разрешенные значения при измерении спина частицы относительно некоторой оси. Безмассовым частицам разрешены только значения, соответствующие закрашенным кружкам, в то время как массивные частицы могут принимать значения, соответствующие как закрашенным, так и незакрашенным кружкам.

Можно даже рассмотреть измерение углового момента по отношению к перпендикулярной оси – скажем, оси, направленной по диаметру экватора. По отношению к этому направлению Земля вообще не «вращается» – Северный и Южный полюса остаются в одном и том же положении по отношению к воображаемой оси, направленной вдоль диаметра экватора. Поэтому мы сказали бы, что спин, измеренный относительно этой оси, равен нулю.

Так как полный спин частицы квантован и равен некоторому целому или полуцелому числу %, величина спина, которую можно измерить, также квантуется. Она должна быть равной либо полному спину со знаком плюс, либо полному спину со знаком минус, либо некоторым числам между этими значениями, отстоящими друг от друга на целое число. Для частиц с нулевым спином единственное возможное значение, которое мы можем получить при измерении спина, – это 0. Для частиц со спином 1/2 мы могли бы получить +1/2 или −1/2, и это все. Для частицы со спином 1 мы могли бы при измерении получить +1, −1 или 0. Если мы при измерении получаем 0, это не значит, что частица не вращается, это означает просто, что ось ее вращения перпендикулярна оси, относительно которой мы измеряем спин. Но ни одно измерение никогда не даст 7/13 или какое-нибудь другое столь же нелепое значение – квантовая механика этого не позволяет.

Теперь мы должны провести различие между массивными частицами и безмассовыми (и посмотреть, как это будет связано с полем Хиггса). Оказывается, при измерении спина безмассовой частицы (с ненулевым спином), можно получить только два результата: плюс собственный спин или минус собственный спин. Другими словами, независимо от того, какую ось вы выбрали, при измерении спина безмассовой частицы со спином 1 (например, фотона), вы получите либо +1, либо −1, и никогда – ноль. Для частиц со спином 0 или 1/2 это ограничение не имеет значения, поскольку и так нет никаких промежуточных значений. Но для частиц с большими значениями спина оно важно. Когда мы измеряем спин фотона или гравитона, есть только два возможных значения, но когда мы измеряем спин W– или Z-бозона, существуют три различных значения, так как появляется еще одна возможность – получить при измерении 0. На рисунке выше темные (закрашенные) кружки представляют результаты измерений спина безмассовой частицы, в то время как спин массивной частицы дает нам любой из результатов, изображенных как темными, так и светлыми кружками.

Причина, почему этот факт столь важен, в том, что каждое из разрешенных спиновых измерений представляет собой новую «степень свободы». Если перейти с физического языка на обыденный, это означает, что «это событие может произойдет независимо от других происходящих событий». Поскольку мы на самом деле здесь говорим о квантовых полях, каждая степень свободы представляет собой определенный способ, в соответствии с которым поле может колебаться. Для поля со спином 0 – такого, как поле Хиггса – есть только один вид колебаний. Для поля со спином ½ – такого как поле электрона – может быть два вида колебаний, включающих в себя вращение по часовой стрелке или против часовой стрелки, какую бы ось ни выбрали. Безмассовая частица со спином 1 – такая как фотон – также имеет только два вида колебаний. А вот массивная частица со спином 1 – такая как Z-бозон – имеет уже три вида колебаний: по отношению к некоторой оси она может вращаться по часовой стрелке, против часовой стрелки или не вращаться вообще.

Все это похоже на полный бардак, но, вернувшись к обсуждению механизма Хиггса (глава 11), мы поймем, что происходит, когда спонтанно нарушается локальная симметрия. Помните, что в Стандартной модели мы начинаем (до нарушения симметрии) с трех безмассовых калибровочных бозонов и четырех скалярных бозонов Хиггса. Подсчитайте количество степеней свободы: по два для трех безмассовых калибровочных бозонов, по одному для скаляров, что даст 2 × 3 + 4 = 10. После нарушения симметрии три скалярных бозона «съедаются» калибровочными бозонами, которые становятся массивными, оставляя один массивный скаляр, который мы и считаем физическим бозоном Хиггса. Теперь подсчитаем число степеней свободы в этом случае: по три для каждого массивного калибровочного бозона, плюс один для оставшегося скалярного, что в сумме дает 3 × 3 + 1 = 10. Количество степеней свободы до нарушения симметрии и после совпадает. Спонтанное нарушение симметрии не создает новых и не уничтожает старые степени свободы, оно просто перемешивает их.

Подсчет степеней свободы помогает объяснить, почему калибровочные бозоны не имеют массы без поля Хиггса. Они существуют в первую очередь потому, что существует локальная симметрия – что-то делается независимо в каждой точке пространства, и мы должны определить поля, связывающие операции симметрии в различных точках. Можно показать, что для определения этого вида поля необходимы именно две степени свободы. (Поверьте мне на слово, трудно придумать разумное объяснение, не используя сложнейшую математику.) Когда у вас есть частица со спином 1 или 2 и всего лишь две степени свободы – эта частица обязательно безмассовая. Поле Хиггса – это совершенно независимая степень свободы. Когда она «поедается» калибровочными бозонами, те становятся массивными. Не будь поблизости никаких дополнительных степеней свободы, калибровочные бозоны неизбежно остались бы безмассовыми, и другие известные силы не помогли бы.

Надеюсь, вышеизложенное помогло вам понять, почему задолго до обнаружения поля Хиггса физики были так уверены, что нечто ему подобное обязательно должно существовать. В некотором смысле это нечто уже было обнаружено раньше – три из четырех скалярных бозонов: массивные W– и Z-бозоны с нулевым спином. Все, что оставалось сделать – найти четвертый.

Давайте посмотрим, почему в первую очередь требуется объяснить наличие массы у фермионов. Аргумент со степенями свободы, который мы использовали для калибровочных бозонов, тут не годится – у фермиона со спином 1/2 два возможных значения спина вне зависимости от того, есть у него масса или нет.

Начнем с размышлений о массивной частице со спином 1/2, такой как электрон. Представим себе, что он движется прямо от нас, и мы измерили его спин, который оказался равным +1/2 вдоль направления его движения. А теперь мы увеличим свою собственную скорость до такой степени, что начнем догонять электрон – теперь он как бы движется на нас. Ничего в самом электроне мы не изменили, в том числе и его спин, но скорость его по отношению к нам изменилась. Определим величину, называемую спиральностью частицы – это проекция спина на ось, определяемую направлением ее движения. В нашем примере спиральность электрона изменилась с +1/2 на −1/2, при этом все, что мы сделали – изменили свое собственное движение, электрона мы не касались вообще. Очевидно, что спиральность не является внутренней характеристикой частицы и зависит от того, как мы на нее смотрим.

Теперь рассмотрим безмассовый фермион со спином 1/2 (например, электрон, до спонтанного нарушения симметрии). Пусть он летит от нас, мы измеряем его спин, и этот спин равен +1/2 вдоль оси, совпадающей с направлением его движения, так что его спиральность тоже равна +1/2. Такой фермион должен двигаться со скоростью света (все безмассовые частицы так делают). Поэтому мы не будем даже пытаться догнать его и изменить его кажущееся направление движения только за счет своего ускорения. Для каждого наблюдателя во Вселенной эта безмассовая частица будет имеет одно и то же значение своей спиральности. Другими словами, в отличие от массивных частиц, для безмассовых частиц спиральность является хорошо определенной величиной, не зависящей от того, кто ее измеряет. Частица с положительной спиральностью называется «правшой» (вращается против часовой стрелки при движении к нам), а частица с отрицательной спиральностью – «левшой» (вращается по часовой стрелке при движении к нам).