Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Бозоны вообще не занимают никакого места. Два бозона или два триллиона бозонов – все равно сколько – могут с легкостью разместиться в том же пространстве, сидя прямо друг на друге. Бозоны, частицы, переносящие взаимодействие, вместе могут создать макроскопическое силовое поле типа гравитационного, удерживающее нас на Земле, или магнитного поля, которое заставляет отклоняться стрелку компаса.
Физики обычно считают слова «сила», «взаимодействие» и «связь» практически синонимами. Это отражает одну из глубоких истин, которая открылась физикам в XX веке: силы можно рассматривать как результат обмена частицами. (Как мы увидим позже, можно сказать и так: силы «возникают из колебаний полей».) Когда Луна чувствует гравитационное притяжение Земли, можно сказать, что между двумя этими небесными телами курсируют туда-сюда гравитоны (которые, правда, пока еще не обнаружены). Когда электрон захватывается атомным ядром, это происходит потому, что между ними произошел обмен фотонами. Но взаимодействия также ответственны и за другие процессы, происходящие с элементарными частицами, к примеру за аннигиляцию и распад, а не только за отталкивание и притяжение. Когда распадаются радиоактивные ядра, мы можем приписать эти события работе либо сильных, либо слабых ядерных сил, в зависимости от того, какой распад происходит. Силы в физике элементарных частиц отвечают за множество разнообразных процессов.
Помимо бозона Хиггса, о котором пока умолчим, мы знаем четыре вида сил, каждому из которых отвечает свой тип бозонов. Есть гравитация, очевидно, связанная с частицей, названной гравитоном. Нужно признать, что мы пока реально не наблюдали отдельных гравитонов, поэтому гравитоны часто исключаются из обсуждения Стандартной модели, хотя, конечно, силой тяжести пренебречь нельзя – все мы ее чувствуем ежесекундно и будем чувствовать всегда, если только не улетим в космос. Гравитация является силой, и, согласно основным правилам квантовой механики и теории относительности, обязательно существует частица, связанная с гравитационным взаимодействием. Ее назвали «гравитон».
А еще есть электромагнетизм – в 1800-х годах физики выяснили, что электричество и магнетизм – проявления одной и той же основной силы. Частицы, связанные с электромагнитными взаимодействиями, называются фотонами, и их-то мы все время непосредственно и наблюдаем. Частицы, которые ощущают электромагнитное взаимодействие, – заряженные, а те, которые не ощущают, – нейтральные. Электрические заряды могут быть положительными или отрицательными, причем одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а противоположные – притягиваются. Способность одноименных зарядов отталкиваться друг от друга играет невероятно важную роль в устройстве Вселенной. Будь электромагнитные силы исключительно силами притяжения, каждая частица притягивала бы все остальные частицы, и все вещество во Вселенной сколлапсировало бы в одну гигантскую черную дыру. К счастью, кроме притяжения у нас есть еще и электромагнитное отталкивание, и это делает жизнь интересней.
Ядерные силы
У нас есть два типа «ядерных» сил, называемых так из-за того, что в отличие от гравитационного и электромагнитного взаимодействия они действуют только на очень коротких расстояниях, сопоставимых с размером ядра атома или еще меньших. Существует сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает кварки внутри протонов и нейтронов, и его частицы носят выразительное имя – глюоны (клейкие частицы). Сильные ядерные силы (естественно) очень сильны, и глюоны взаимодействуют с кварками, но не с электронами. Глюоны имеют нулевую массу, как фотоны и гравитон. Когда взаимодействие переносится безмассовыми частицами, логично предположить, что их влияние распространяется на очень большие расстояния, однако сильное взаимодействие, вопреки ожиданиям, очень короткодействующее.
В 1973 году Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек показали, что сильное взаимодействие обладает удивительным свойством: чем больше расстояние между кварками, тем сильнее они притягиваются друг к другу. В результате, когда вы пытаетесь оторвать два кварка друг от друга, вам приходится затрачивать все больше и больше энергии, так что в конечном счете выгоднее просто создать новые кварки. Это все равно что пытаться растянуть резиновую нить, на каждом конце которой сидит кварк. Вы можете тянуть за оба конца, но никогда не отделите один конец от другого. А когда при сильном натяжении резиновая полоска порвется, появятся два новых конца. Таким образом, отдельных свободных кварков не существует – они (как и глюоны) обречены на заточение внутри более тяжелых частиц. Эти тяжелые составные частицы, состоящие из кварков и глюонов, называются адронами – именно в их честь БАК получил свое название. Гросс, Политцер и Вильчек в 2004 году получили за это открытие Нобелевскую премию.
Еще есть слабая ядерная сила, которая полностью оправдывает свое название. Хотя слабая сила и не играет большой роли в нашей обычной жизни здесь, на Земле, она, тем не менее, очень важна для существования жизни: именно она, эта сила, заставляет светить Солнце. Солнечная энергия возникает в результате превращения протонов в ядра гелия, для чего сначала требуется превратить некоторые из этих протонов в нейтроны, что и происходит с помощью слабых взаимодействий. Но здесь, на Земле вы не заметите проявления слабых сил, если, конечно, только вы не физик-ядерщик или не специалист в физике элементарных частиц.
Переносчики слабых сил – три различных вида бозонов, их обозначают просто буквами: есть электрически нейтральный Z-бозон и два различных W-бозона – один с положительным электрическим зарядом и один – с отрицательным, их обозначают для краткости W+– и W−-бозоны. W– и Z-бозоны по стандартам элементарных частиц довольно массивные частицы (примерно такие же тяжелые, как атом циркония). Их трудно создать, а разваливаются они невероятно быстро. Оба этих фактора объясняют, почему слабые взаимодействия такие слабые.
В обычной речи мы используем слово «сила» для обозначения совершенно разных вещей. Это и сила трения, возникающая, когда что-то скользит по чему-то, и сила удара при ударе об стену, и сила сопротивления воздуха при падении перышка на землю, – все это мы называем силами. Как можно заметить, ни одна из них не попала в наш список из четырех сил природы, и ни у одной из них нет связанных с ней бозонов. Вот в этом разница между использованием термина в физике элементарных частиц и в повседневной жизни. Все макроскопические силы, которые мы испытываем на себе в повседневной жизни, начиная с той, что прижимает нас к спинке сидения, когда мы нажимаем на педаль газа автомобиля, и до внезапного рывка собачьего поводка в руке, когда собака вдруг видит кошку и срывается с места, – все они в конечном счете являются сложными побочными эффектами действия фундаментальных сил. Все эти повседневные явления, за исключением, правда, силы тяжести (но ее довольно просто отличить – она все тянет вниз), представляют собой просто проявления электромагнетизма и его взаимодействия с атомами. Это колоссальное достижение современной науки – уметь свести огромное многообразие мира, существующего вокруг нас, всего лишь к нескольким простым элементам.
Поля правят миром
Давно было замечено, что одна из этих четырех сил выделяется из прочих своей странностью – это слабая сила. Заметим, что гравитационному взаимодействию соответствуют гравитоны, электромагнитному – фотоны, а сильному взаимодействию – глюоны. По одному виду бозонов для каждой силы. Слабому же взаимодействию соответствуют сразу три различных бозона – нейтральный Z– и два заряженных W-бозона. И сами эти бозоны также ведут себя весьма странно: испуская W-бозон, фермион одного вида может превратиться в фермион другого вида, например нижний кварк может испустить W-бозон и превратиться в верхний кварк. Нейтроны, которые состоят из двух нижних кварков и одного верхнего, распадаются, когда оказываются вне ядра, – один из нижних кварков испускает W-бозон, и нейтрон превращается в протон, который состоит из двух верхних и одного нижнего кварков. Ни одна другая фундаментальная сила не меняет вида частиц, с которыми взаимодействует.
По большому счету слабое взаимодействие – сплошная головная боль. И причина проста – всему виной бозон Хиггса.
Бозон Хиггса в корне отличается от всех других бозонов, которые, как мы увидим в главе 8, возникают из-за какого-либо вида симметрии природы, связывающей происходящее в разных точках пространства. Как только возникает такая симметрия, неизбежно появляется бозон. Но не таков бозон Хиггса. Нет такого базового принципа, который бы требовал его введения, но он тем не менее существует!
