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

Возможно ли, чтобы кварки и лептоны в действительности не являлись элементарными частицами, а были составлены из еще меньших частиц? Конечно, да. У физиков нет никакого корыстного интереса считать известные частицы по-настоящему элементарными. Наоборот, они хотели бы, чтобы те скрывали как можно больше тайн, и потому тратят массу времени, изобретая теоретические модели, основанные на предположении о неэлементарности элементарных частиц, а также проверяя модели экспериментально. Гипотетические частицы, из которых могли бы состоять кварки и лептоны, даже имеют название – «преоны». Однако сегодня мы не имеем ни экспериментального доказательства их существования, ни какой-либо убедительной теории на их счет. Все более или менее сходятся на том, что гораздо вероятнее, что кварки и лептоны элементарны, чем то, что они состоят из каких-либо других частиц. Хотя всегда можно ожидать появления новых данных, которые заставят нас пересмотреть наши взгляды.

Теперь обратимся к бозонам, всегда имеющим целые спины. Стандартная модель включает в себя четыре типа калибровочных бозонов, каждый из которых порождается локальной симметрией природы и соответствует определенному взаимодействию.

Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия – безмассовые, нейтральные и имеют спин, равный 1. Глюоны – переносчики сильного ядерного взаимодействия – также безмассовые, нейтральные, и имеют спин единицу. Основное различие в том, что глюоны обладают цветом и заперты внутри адронов, как кварки. Из-за этих цветов реально есть восемь различных видов глюонов, но в очередной раз подчеркиваем, что они связаны отношениями ненарушенной симметрией, так что нам не нужно даже присваивать им отдельные имена.

Бозоны – переносчики взаимодействий.

Массы выражены в гигаэлектронвольтах (ГэВ).

Сводная таблица, показывающая, какие частицы (бозоны и фермионы) с какими силами взаимодействуют. Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, но они не взаимодействуют непосредственно с друг с другом, поскольку они электрически нейтральны. Происхождение массы нейтрино по-прежнему загадочно, так что взаимодействуют ли они с бозоном Хиггса, неизвестно.

Гравитоны – переносчики гравитации – также безмассовы и нейтральны, но имеют спин, равный двум. Гравитоны сами взаимодействуют с гравитацией, поскольку все взаимодействует с гравитацией, но гравитация, как правило, столь слаба, что вы ее можете не заметить. (Конечно, все меняется, когда в одном месте собирается большая масса, которая создает сильное гравитационное поле.) Поэтому слабость гравитации означает, что гравитон почти не имеет значения для физики элементарных частиц, по крайней мере в рамках Стандартной модели. Поскольку полная теория квантовой гравитации еще не построена, а отдельные гравитоны практически невозможно обнаружить, его нередко не считают частицей, хотя есть все основания полагать, что гравитон вполне реален.

Слабое взаимодействие переносится заряженными W– и нейтральными Z-бозонами. Все три частицы имеют единичный спин, ненулевую массу и распадаются сразу после рождения. За то, что эти бозоны – переносчики слабого взаимодействия – приобретают массу и становятся непохожими друг на друга, ответственно именно поле Хиггса, нарушающее симметрию. Если бы поля Хиггса не было, W– и Z-бозоны больше бы напоминали глюоны с той лишь разницей, что их было бы только три, а не восемь.

В отличие от ранее упомянутых трех сил слабое взаимодействие настолько слабо, что не в состоянии само по себе удержать две какие-либо частицы вместе. По существу есть только два способа частицам провзаимодействовать через слабое взаимодействие: они могут либо рассеяться друг на друге путем обмена W– или Z-бозонами, или один массивный фермион может распасться и превратиться в более легкий фермион, испустив при этом W-бозон, который затем сам распадается на другие частицы. Эти процессы играют ключевую роль в поисках новых частиц на БАКе.

Необходимо отметить, что сам бозон Хиггса – скалярный бозон, то есть его спин равен нулю. В отличие от калибровочных бозонов он не порождается симметрией, и нет никаких оснований ожидать, что его масса равна нулю (или даже небольшая). Мы можем говорить о хиггсовской «силе», возможно, имеющей отношение к темной материи, которую ищут в экспериментах, проводимых глубоко под землей. Но основной интерес к бозону Хиггса вызван тем, что порождающее его поле отлично от нуля в пустом пространстве и влияет на другие частицы, наделяя их массой.

Если вы дочитали до этого места, считайте, что уже довольно хорошо знакомы с бозоном Хиггса.

В этом довольно специальном приложении мы поговорим о диаграммах Фейнмана. Если читать трудно, не бойтесь пропустить его, или же просто посмотрите на рисунки. Сам Ричард Фейнман, изобретя эти диаграммы, думал, что было бы забавно, если бы когда-нибудь эти маленькие закорючки появились в солидных физических журналах. И это действительно произошло, и это было забавно.

Диаграммы Фейнмана – это простой способ выяснить, что может произойти, когда элементарные частицы соберутся провзаимодействовать. Допустим, вы хотите спросить, способен ли бозон Хиггса распасться на два фотона. Вы знаете, что фотоны не имеют массы и что бозон Хиггса взаимодействует только с частицами, имеющими массу, так что в первый момент вы, вероятнее всего, скажете, что такой распад невозможен. Но, объединяя разные диаграммы Фейнмана, мы найдем процессы, в которых виртуальные частицы свяжут бозон Хиггса с фотонам. Профессиональный физик с помощью этих диаграмм рассчитает вероятность, с которой будет происходить такое событие: каждая диаграмма ассоциируется с конкретным числом, и мы должны сложить все различные диаграммы, чтобы получить окончательный ответ. Мы не выступаем в роли профессиональных физиков, однако все же попытаемся найти различные разрешенные взаимодействия, изображаемые на языке диаграмм Фейнмана. Есть куча правил, которым надо следовать при их построении, и мы попытаемся понять только самые важные. Если же вы захотите копнуть глубже, вам придется проштудировать учебники по физике элементарных частиц или квантовой теории поля.

Вот некоторые базовые принципы: каждая диаграмма является графическим изображением того, как частицы взаимодействуют друг с другом и превращаются друг в друга, причем время на рисунках течет слева направо. Входящие частицы, изображенные в левой части диаграммы, и исходящие частицы, изображенные в правой части – «реальные», у них те самые массы, которые мы привели в таблицах зоопарка частиц Приложения 2. Те частицы, которые изображены в центре диаграммы, – «виртуальные», их массы могут быть какими угодно, они просто демонстрируют, как в ходе взаимодействия частиц колеблются квантовые поля. Это стоит подчеркнуть: виртуальные частицы – не реальные частицы, они просто элементы внутренней кухни.

Условимся изображать фермионы сплошными линиями, калибровочные бозоны – волнистыми, а скалярные бозоны (такие как бозон Хиггса) – пунктирными. Фермионные линии никогда не заканчиваются – они либо образуют замкнутые петли, либо тянутся в начало и/или в конец диаграммы. Линии бозонов, наоборот, могут легко оборваться – либо на фермионных линиях, либо на линиях других бозонов. Место, где линии сходятся, называется «вершинами». В каждой вершине электрический заряд сохраняется, так что если электрон излучает какой-то W-бозон и превращается в нейтрино, мы знаем, это был W--бозон. Общее число кварков и общее число лептонов (где античастице соответствует число −1) тоже в каждой вершине сохраняется. Если мы заменим частицы на античастицы, мы можем любую линию перенаправить в обратном направлении. Так что если верхний кварк преобразуется в нижний кварк, излучив W+-бозон, то нижний антикварк преобразуется в верхний антикварк тем же способом.

Начнем с того, что нарисуем основные диаграммы Стандартной модели. Более сложные диаграммы можно построить, объединяя эти фундаментальные диаграммы самыми разными способами. Мы не собираемся объять необъятное, но, надеюсь, сможем достаточно ясно продемонстрировать основные принципы.

Во-первых, давайте посмотрим, что может произойти с отдельным фермионом, входящим в диаграмму слева. Фермионные линии не могут оборваться, поэтому какой-то фермион должен выйти из диаграммы с другой стороны. Но из него может «выплюнуться» и бозон. Существенно, что если фермион чувствует определенное взаимодействие, он может излучить бозон, который является переносчиком этого взаимодействия. Вот несколько примеров.