Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
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).
Почему все это имеет значение? Причина в том, что в слабых взаимодействиях участвуют фермионы только одной спиральности. В частности, перед тем, как появляется поле Хиггса и нарушает симметрию, безмассовые калибровочные бозоны слабых взаимодействий чувствуют левозакрученные фермионы и не чувствуют правозакрученных, кроме того они взаимодействуют с правозакрученными антифермионами и не чувствуют левозакрученных. Не спрашивайте почему – природа устроена так, а не иначе. Сильное взаимодействие, гравитация, и электромагнетизм – все они одинаково хорошо относятся и к лево– и правозакрученным частицам. А в слабом взаимодействии участвуют частицы только одной спиральности, а другие отдыхают. Это объясняет, почему слабые взаимодействия нарушают четность: если смотреть на мир в зеркало, правое меняется на левое.
Предположение о наличии воздействий на частицы одной спиральности и отсутствии воздействий на другую, очевидно, не имеет смысла, если спиральности различны для наблюдателей, движущихся с разными скоростями. Либо «слабая» сила действует на некоторую частицу, либо нет. Если слабое взаимодействие оказывает влияние только на левозакрученные частицы и правозакрученные античастицы, то такие частицы должны иметь определенную спиральность раз и навсегда. А это может произойти, только если они движутся со скоростью света. Из чего, наконец, следует, что они должны иметь нулевую массу.
Это помогает понять (если, конечно, вы сумели «переварить» сказанное), смысл некоторых отступлений и аналогий, которые мы делали, когда впервые формулировали основы Стандартной модели. Мы сказали, что известные нам фермионы рождаются парами, которые были бы симметричны, если бы в пустом пространстве не пряталось поле Хиггса. Пары образуют верхний и нижний кварки, электрон и электронное нейтрино и другие. Но в действительности только левозакрученные верхний и нижний кварки образуют симметричную пару. Нет локальной симметрии, связывающей правозакрученные верхние кварки с правозакрученными нижними кварками, то же самое относится к электрону и его нейтрино. (В первоначальной версии Стандартной модели нейтрино считались безмассовыми, а правозакрученные нейтрино вовсе не существовали. Сейчас мы знаем, что нейтрино имеют небольшую массу, но существование правозакрученных нейтрино по-прежнему под вопросом.) Если поле Хиггса заполняет пространство, то слабая симметрия нарушается, и наблюдаемые кварки и заряженные лептоны становятся массивными, и после этого правая и левая спиральности уже разрешены.
Теперь мы видим, почему для того, чтобы фермионы Стандартной модели имели массу, нужно поле Хиггса. Если бы симметрия слабого взаимодействия не нарушалась, спиральность была бы фиксированным свойством каждого фермиона, а это значит, что все они были бы безмассовыми частицами, движущимися со скоростью света. И все это потому, что слабые взаимодействия различают левое и правое. Если бы было равноправие, фермионы беспрепятственно получили бы массу, с полем Хиггса или без него. В действительности, поле Хиггса само по себе – скалярное поле, обладающее массой, но оно не дает массу самому себе – поле Хиггса имеет массу, поскольку у него нет никаких причин ее не иметь.
Приложение 2
Частицы Стандартной модели
На протяжении всей книги мы говорили о различных частицах Стандартной модели, а сейчас мы их систематизируем и кратко опишем их свойства.
Есть два типа элементарных частиц: фермионы и бозоны. Фермионы занимают место в пространстве, то есть вы не можете усадить два одинаковых фермиона в одинаковых конфигурациях в одно и то же место. Фермионы служат в качестве основы для построения твердых предметов – от нейтронных звезд до столов. Бозоны можно усаживать один на другой сколько угодно. Они создают поля макроскопических сил, например электромагнитное и гравитационное поле.
Фермионы
В первую очередь рассмотрим фермионы. В Стандартной модели есть двенадцать фермионов, разбитые на несколько групп. Фермионы, чувствующие сильное ядерное взаимодействие, – это кварки, а те, которые не чувствуют, – лептоны. Существует шесть типов кварков и столько же лептонов, построенных попарно в три пары, а каждая пара формирует поколение. Существует правило: спин фермиона равен целому числу плюс половина, и все известные элементарные фермионы имеют спин 1/2.
Существуют три кварка верхнего типа с электрическим зарядом +2/3 у каждого. В порядке увеличения массы, они образуют последовательность: верхний кварк, очарованный кварк и истинный кварк. Имеется также три кварка нижнего типа с зарядом −1/3 каждый: нижний кварк, странный кварк и прелестный кварк.
Существуют кварки трех цветов. Совершенно логично было бы считать кварки каждого цвета самостоятельным видом частиц (в этом случае было бы не шесть, а восемнадцать типов кварков), но поскольку все цвета связаны ненарушенной симметрией сильных взаимодействий, мы обычно этого не делаем. Все цветные частицы собираются в бесцветные комбинации, называемые адронами. Есть два простых типа адронов: мезоны, состоящие из кварка и антикварка, и барионы, состоящие из трех кварков, по одному каждого из трех цветов: красного, зеленого и синего. Барионы – это протоны (два верхних и один нижний кварк) и нейтроны (два нижних и один верхний кварк). Пример мезона – пион, который существует в трех видах: один с положительным зарядом (верхний кварк плюс нижний антикварк), другой – с отрицательным зарядом (нижний кварк плюс верхний антикварк), и третий – нейтральный (комбинация верхних кварка-антикварка и нижних кварка-антикварка).
Элементарные фермионы, их электрические заряды и приблизительные значения масс. Массы нейтрино еще точно не измерены, но все они меньше массы электрона. Приведенные значения масс кварков также приблизительны – их трудно измерить, поскольку кварки заперты внутри адронов.
В отличие от кварков лептоны никто не удерживает, и каждый из них может двигаться сам по себе в пространстве. Шесть лептонов также представлены в трех поколениях, в каждом есть одна нейтральная частица и одна частица с зарядом −1. Заряженные лептоны – это электрон, мюон и тау-частица. Нейтральные лептоны – нейтрино (электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино). Массы нейтрино недостаточно хорошо измерены, и способ их получения иной, чем у других фермионов Стандартной модели, поэтому мы их почти не касаемся в этой книге. Известно, что они небольшие (менее одного электронвольта), но не равны нулю.
12 различных фермионов должны рассматриваться как 6 различных связанных между собой пар частиц. Каждый заряженный лептон рождается в паре с соответствующим ему нейтрино, пары также образуют верхний и нижний кварки, очарованный и странный кварки и истинный и прелестный кварки. Вот пример этой парности: когда W−-бозон распадается на электрон и антинейтрино, это всегда – электронное антинейтрино. А когда W−-бозон превращается в мюон, этот распад всегда сопровождается испусканием мюонного антинейтрино, и так далее. (Хотелось бы сказать то же самое и о кварках, но они на самом деле группируются более сложными способами.) Частицы внутри каждой пары обладали бы совсем одинаковыми свойствами, если бы не один немаловажный фактор – маскирующееся под фон вездесущее поле Хиггса. В реальном мире мы видим, что частицы внутри каждой пары имеют разные массы и различные электрические заряды, но это только потому, что поле Хиггса скрывает присущую им симметричную природу.
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.
