Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Важно подчеркнуть, что масса вообще не имеет прямого отношения к гравитации. Мы привыкли связывать эти два понятия, потому что самый простой способ измерить массу чего-то – взвесить, положив на весы, поскольку, как мы все знаем, именно гравитация тянет вниз чашу весов. Вовне, в пустом пространстве, где гравитации почти не чувствуется, все предметы становятся невесомыми, но они тем не менее имеют массу. Труднее сдвинуть с места массивный космический корабль, чем крошечный камешек, и еще труднее столкнуть с места Луну и планеты. Гравитация (или вес) – это нечто иное, что влияет не только на массивные объекты, но даже и на те, которые не имеют массы. Гравитация, как уже экспериментально установлено, влияет даже на свет, состоящий из безмассовых фотонов, что и было наглядно продемонстрировано с помощью явления гравитационных линз (искривления лучей галактиками и скоплениями темной материи).
Если вы взгляните на таблицы Зоопарка частиц в Приложении 2, в которые занесены все частицы Стандартной модели, вы увидите, что некоторые частицы имеют массу, а некоторые нет. Все бозоны – переносчики взаимодействий – глюоны, гравитоны и фотоны – имеют нулевую массу, а вот масса W– и Z-бозонов не равна нулю, равно как не равна нулю и масса самого бозона Хиггса. Как видно из таблицы для фермионов, нейтрино имеет массу, про которую пока только известно, что она «маленькая», зато кварки и заряженные лептоны обладают совершенно разными массами.
Это многообразие видов в нашем Зоопарке частиц напрямую связано с влиянием поля Хиггса. Правило простое: если частица не взаимодействуете напрямую с полем Хиггса, она получает нулевую массу, а если взаимодействует с полем Хиггса непосредственно – получает ненулевую массу, прямо пропорциональную силе этого взаимодействия. Такие частицы как электрон, верхний и нижний кварки взаимодействуют с бозоном Хиггса относительно слабо, поэтому их массы малы; тау-лептон, истинный и прелестный кварки сильно взаимодействуют с ним, и, следовательно, их массы относительно большие. (Нейтрино представляют собой особый случай, они имеют крошечные массы, но мы еще недостаточно хорошо понимаем, как они получили их. В этой книге мы будем мало говорить о нейтрино, сосредоточившись на той группе частиц Стандартной модели, про которые мы что-то понимаем.)
Если бы поле Хиггса было похоже на другие поля и принимало бы в пустом пространстве нулевое значение, сила его взаимодействия с частицами просто определялась бы вероятностью, с которой бозон Хиггса мог бы провзаимодействовать с этими частицами, пролетай они мимо него. Бозон Хиггса и электрон не очень заметили бы друг друга при встрече, а вот бозон Хиггса и истинный кварк рассеялись бы друг на друге довольно сильно. (Подобно тому как я могу пройти по улице незамеченным, а Анжелину Джоли поклонники будут останавливать на каждом шагу). Но так как среднее значение поля Хиггса не равно нулю, остальные частицы взаимодействуют с ним постоянно – и именно это постоянное и неизбежное взаимодействие частиц с фоновым полем придает им массу. Когда частица сильно взаимодействует с полем Хиггса, это похоже на то, как если бы всюду, куда она ни направлялась, за ней тащилась бы толпа фанатов-бозонов Хиггса, увеличивая многократно ее массу.
Формула для массы частицы довольно проста: это значение хиггсовского поля в пустом пространстве, умноженное на величину взаимодействия данной частицей с полем Хиггса. Почему некоторые частицы, например истинный кварк, сильно взаимодействуют с полем Хиггса, а другие, вроде электрона, относительно слабо? И как объяснить конкретные величины? Никто не знает. В данный момент на эти вопросы ответов нет. На сегодняшнем уровне понимания мы считаем эти взаимодействия константами природы, которые нужно просто пойти и измерить. Мы надеемся получить некоторые подсказки, изучая сам бозон Хиггса, и это является еще одной причиной того, почему проект БАК столь важен.
Мир без поля Хиггса
Несмотря на все эти оговорки, формула «поле Хиггса ответственно за массу», как физики иногда говорят, будет не совсем точной и даже в каком-то смысле неправильной. Вспомним, что мы не видим кварки напрямую – они заперты вместе с глюонами внутри адронов, например протонов и нейтронов. Масса протона или нейтрона намного больше, чем массы входящих в них отдельных кварков. И понятно почему – их масса в основном определяется энергией виртуальных частиц, удерживающих кварки вместе. Если бы поля Хиггса не было, кварки по-прежнему связывались бы вместе и образовывали бы адроны, и их масса при этом практически не изменилась бы. Это означает, что большая часть массы обычных предметов, скажем стола или человека, определяется совсем не полем Хиггса. Подавляющая часть массы таких предметов определяется массой их протонов и нейтронов, в свою очередь определяемой сильными взаимодействиями, а не полем Хиггса.
Однако это не означает, что поле Хиггса не имеет отношения к повседневной жизни. Представьте, что мы получили доступ к секретному контрольному пульту управления всеми законами физики и медленно поворачиваем ручку с надписью «ПОЛЕ ХИГГСА». Допустим, мы смогли уменьшить значение хиггсовского поля в пустом пространстве от 246 ГэВ до любого меньшего числа. (Заметим, таких секретных пультов у природы не существует.) Когда значение фонового поля Хиггса вокруг нас уменьшилось, уменьшились и массы кварков, заряженных лептонов и W-и Z-бозонов. Изменение в массах кварков и W– и Z-бозонов привело бы к крошечным изменениям в свойствах протонов и нейтронов, но ничего драматичного сразу бы не произошло. Изменение в массах мюона и тау-частицы вообще почти не повлияло бы на повседневную жизнь. Но любое изменение массы электрона повлекло бы за собой самые серьезные последствия.
В нашей привычной воображаемой схеме строения атома электроны вращаются вокруг ядра так же, как планеты вокруг Солнца или Луна – вокруг Земли. Но в нашем случае все это наглядное представление рассыпается, и мы должны уже учитывать квантовую механику всерьез. В отличие от планеты, вращающейся вокруг Солнца, типичный электрон не вращается по орбите на некотором случайном расстоянии, он на самом деле старается приблизиться к ядру по возможности поближе. (Если он все же находится дальше, он, как правило, будет стараться потерять энергию, испустив фотон, чтобы оказаться на более близкой орбите.) А то, насколько он приблизится к ядру, зависит от его массы. Тяжелые частицы могут втиснуться в малый объем пространства, в то время как более легким частицам всегда требуется больше места. Другими словами, размер атомов определяется фундаментальным природным параметром – массой электрона. Если его масса уменьшится, атомы станут намного больше.
И это очень важно. Увеличение размеров атомов не означало бы, что просто увеличился бы размер обычных объектов. Атомы разых веществ держатся вместе за счет химии, а она определяет способы, которыми они в различных комбинациях соединяются друг с другом, и держатся они вместе потому, что при этом обобществляются электроны (по крайней мере, при определенных условиях). И эти условия полностью изменятся, если размеры атомов будут другими. Если масса электрона изменится лишь немного, такие вещи, как «молекулы» и «химические реакции», еще сохранятся, но знакомые определенные правила, существовавшие в реальном мире, изменятся радикальным образом. Простые молекулы вроде воды (H2O) или метана (CH4) останутся почти прежними, но вот сложные молекулы, такие как молекула ДНК или белки, а соответственно и живые клетки, придут в состояние, не подлежащее ремонту. Короче говоря, даже небольшое изменение массы электрона приведет к тому, что вся жизнь на Земле мгновенно закончится.
А изменение массы электрона на большую величину приведет, соответственно, к более драматическим последствиям. Так как мы ручкой на пульте постепенно устремляем поле Хиггса к нулю, электроны становятся все легче и легче, а атомы – соответственно – больше и больше. В конце концов они достигли бы макроскопического, а затем и астрономического размера. После того как каждый атом стал бы таким же большим, как Солнечная система или галактика Млечный Путь, разговор о «молекуле» потерял бы всякий смысл. Вселенная стала бы просто набором отдельных суперогромных атомов, сталкивающихся друг с другом в космосе. Если масса электрона уменьшилась бы до нуля, то атомов вообще бы не стало – электроны не смогли бы удерживаться ядрами. И если бы это произошло внезапно, на наводящий вопрос журналиста Эйснера можно было бы ответить так: «Да, если резко выключить поле Хиггса, зернышко попкорна взорвется».
Есть и еще некоторое более тонкое свойство. Подумаем о трех заряженных лептонах: электроне, мюоне и тау-частице. Единственное различие между ними – величина масс. Если мы выключаем поле Хиггса, эти массы устремятся к нулю, и частицы станут одинаковыми. (Техническое отступление: поле сильных взаимодействий также может иметь ненулевое среднее значение, маскируя действие поля Хиггса, но это значение намного ниже, и мы здесь этот эффект не рассматриваем.) То же самое справедливо и для трех кварков с зарядом +2/3 (верхнего, очарованного и истинного) и для трех кварков с зарядом −1/3 (нижнего, странного, и прелестного). Если бы не было фонового поля Хиггса, в каждой группе частицы были бы идентичны. Это указывает на, пожалуй, самую важную, основную, роль хиггсовского поля: оно выбирает симметричную конфигурацию и разрушает ее симметрию.
