ПРОБЛЕМА ИЕРАРХИИ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

ПРОБЛЕМА ИЕРАРХИИ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Надо сказать, что бозон Хиггса — лишь верхушка айсберга. Каким бы интересным он ни был, его получение вовсе не является единственной целью ученых. Возможно, главный повод изучать масштаб слабого взаимодействия заключается в том, что никто не считает хиггс единственной неизвестной величиной. Физики предполагают, что бозон—лишь один из элементов гораздо более сложной модели, которая сможет многое рассказать нам о природе вещества и пространства.

Дело в том, что бозон Хиггса — единственная ниточка, ведущая нас к решению другой громадной загадки, известной как проблема иерархии. Проблема иерархии касается вопроса о том, почему массы частиц — и масса хиггса, в частности — принимают именно те значения, которые мы знаем. Почему масштаб масс, соответствующий слабому взаимодействию, — а именно он определяет массы элементарных частиц — в десять тысяч триллионов раз (иначе говоря, в 1016 раз) меньше, чем масса Планка, определяющая силу гравитационного взаимодействия (рис. 54).

Громадность массы Планка относительно слабой массы соответствует относительной слабости гравитационного взаимодействия, сила которого обратно пропорциональна массе Планка. Если эта масса так велика — а мы это знаем, — то сила тяготения должна быть чрезвычайно слабой.

Факты говорят о том, что тяготение — самое слабое из всех известных взаимодействий. На первый взгляд тяготение не кажется очень уж слабым, но только потому, что каждого из нас притягивает вся громадная масса Земли. Если вместо этого рассмотреть гравитационное притяжение между двумя электронами, то выяснится, что она на 43 порядка величины меньше силы электромагнитного взаимодействия между ними. Гравитация, действующая на элементарные частицы, пренебрежимо мала. В этом контексте проблема иерархии звучит примерно так: почему сила гравитационного взаимодействия настолько слабее остальных известных нам фундаментальных сил?

РИС. 54. Проблема иерархии в физике элементарных частиц: масштаб энергий слабого взаимодействия на 16 порядков меньше, чем планковский масштаб, связанный с гравитацией. Соответственно, планковская длина намного меньше расстояний, доступных БАКу

РИС. 55. Квантовый взнос в массу бозона Хиггса со стороны тяжелой частицы (к примеру, обладающей массой масштаба Теории великого объединения) и ее античастицы (слева) и со стороны виртуального истинного кварка и его антикварка (справа)

Специалисты по физике элементарных частиц не любят, когда столь большие числа, как отношение массы Планка к массе слабого взаимодействия, остаются необъясненными. Согласно квантовой теории поля, объединяющей в себе квантовую механику и специальную теорию относительности, особой разницы между этими двумя показателями быть не должно. Для теоретиков это очень серьезно. По существу, квантовая теория поля утверждает, что масса слабого взаимодействия и массовая константа Планка должны быть примерно равны.

В квантовой теории поля масса Планка важна не только потому, что определяет масштаб, на котором сильна гравитация. Помимо всего прочего это масса, на которой существенны и гравитация, и квантовая механика и на которой физические правила в том виде, в каком мы их знаем, должны нарушаться. Однако на более низких энергиях мы умеем проводить расчеты и составлять прогнозы на основе квантовой теории поля, и большое количество успешных предсказаний убеждает физиков в том, что эта теория верна. Более того, наиболее точно измеренные физические величины вполне согласуются с предсказаниями квантовой теории поля. Такая согласованность не случайна.

А вот при попытке применить те же принципы к бозону Хиггса и учесть квантово–механический вклад в его массу от виртуальных частиц возникают тревожные факторы. Получается, что виртуальный вклад практически любой известной нам частицы придает частице Хиггса массу, сравнимую с массой Планка. Такими промежуточными частицами могут быть как тяжелые объекты, такие как частицы с громадной массой масштаба Теории великого объединения (рис. 55, слева), так и обычные частицы Стандартной модели, такие как t–кварки (рис. 55, справа). Результат тот же; в любом случае виртуальная поправка делает массу хиггса слишком большой. Проблема в том, что дозволенные энергии виртуальных частиц, участвующих в обмене, могут достигать энергии Планка. В этом случае вклад их в массу хиггса может быть почти таким же большим. Но тогда масштаб масс, на котором спонтанно нарушается симметрия, связанная со слабым взаимодействием, тоже будет соответствовать энергии Планка, а это на 16 порядков большие величины — в десять тысяч триллионов раз — это слишком много!

Проблема иерархии очень остро стоит для Стандартной модели с одним бозоном Хиггса. Технически лазейка в этой структуре имеется. Масса хиггса без учета виртуальных составляющих может оказаться громадной и принимать именно то значение, чтобы скомпенсировать виртуальные составляющие как раз до необходимого нам уровня точности. Проблема в том, что это, хотя и возможно, означало бы, что надо аккуратно компенсировать шестнадцать десятичных знаков.

Все мы, физики, считаем, что проблема иерархии (именно под таким названием известна несогласованность масс) указывает на нечто большее — и лучшее — в фундаментальной теории. Пока ни одна простая модель не смогла полностью справиться с этой проблемой. Все перспективные варианты связаны с тем, чтобы расширить Стандартную модель и приписать ей новые свойства. Решение проблемы иерархии наряду с выяснением принципа действия механизм Хиггса является основной задачей БАКа — и темой следующей главы.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.



Поделитесь на страничке

Похожие главы из других книг:

Глава 13 ПРИБЛИЖЕНИЕ НЕЗАВИСИМЫХ ЧАСТИЦ

Из книги автора

Глава 13 ПРИБЛИЖЕНИЕ НЕЗАВИСИМЫХ ЧАСТИЦ § 1. Спиновые волн§ 2. Две спиновые волны§ 3. Независимые частицы§ 4. Молекула бензола§ 5. Еще немного органической химии§ 6. Другие приме­нения прибли­жения§ 1. Спиновые волны В гл. 11 мы разработали теорию распро­странения электрона или


Глава V. Появление квантов в физике

Из книги автора

Глава V. Появление квантов в физике 1. Классическая и квантовая физика Наступило время перейти к введению понятия квантов в физику. Однако прежде чем излагать историю появления квантов, необходимо в нескольких словах остановиться на глубоком различии между


1. Волновая механика систем частиц

Из книги автора

1. Волновая механика систем частиц До сих пор мы рассматривали новую механику только для случая, когда в заданном силовом поле движется одна частица. Иногда мы предполагали, что тот или иной принцип справедлив и для системы; а поскольку физика предполагает существенно


Симметрия в физике

Из книги автора

Симметрия в физике Подробности Стандартной модели довольно скучны и мало-значимы. Самая интересная особенность этой модели — симметрия, лежащая в ее основе. Исследованиям материи («дерева») способствовало то, что несомненный признак симметрии виден в каждом


Борьба материализма и идеализма в физике

Из книги автора

Борьба материализма и идеализма в физике В этой книжке мы уже видели, как сложен путь науки. Сколько было споров о том, что такое свет — поток частиц или череда волн! Казалось, что в XIX веке этот спор был решен окончательно, притом решен в пользу волновой природы света. Этот


ТОЧНОСТЬ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Из книги автора

ТОЧНОСТЬ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ В физике элементарных частиц мы пытаемся найти базовые правила, управляющие самыми мелкими и фундаментальными компонентами вещества, которые мы в состоянии обнаружить. Отдельный эксперимент здесь — это не измерения во множестве


Осколки частиц, или Трудное разделение

Из книги автора

Осколки частиц, или Трудное разделение Ученые отчаянно нуждались в аппаратуре для изучения этих новых частиц, но космические лучи оказались слишком уж ненадежными из-за столь широких перепадов их энергии, да и неизвестно было, откуда их ждать. В начале 1930-х годов


Проблема происхождения массы, известная как проблема полей Хиггса

Из книги автора

Проблема происхождения массы, известная как проблема полей Хиггса В 1964 году шотландский физик Питер ХИГГС и другие, исходя из чисто математических соображений, допустили существование вездесущего поля, позже названного полем Хиггса. Все взаимодействующие с полем


Глава 7 Нашествие частиц

Из книги автора

Глава 7 Нашествие частиц Первые вестникиВ том же 1947 году, когда Пауэлл и Оккиалини открыли пи-мезон, фотографии космических лучей принесли след еще одной частицы. Английским физикам Стюарту Батлеру и Джорджу Рочестеру, прежде чем они натолкнулись на необычный след,


Глава 3. О современной физике

Из книги автора

Глава 3. О современной физике 1. Вводные замечанияПредмет физикиЧто такое материя? в настоящее время не существует исчерпывающего ответа на этот вопрос, да и разъяснить его непосвященным на нескольких страницах было бы невозможно. Что еще хуже, в своих рассуждениях мы


Великая революция Ньютона в физике

Из книги автора

Великая революция Ньютона в физике Позднее, в 1679 г., Ньютон продолжил свои исследования тел, подверженных действию гравитационных сил, и полностью решил эту проблему. Фактически интуитивные предположение сделанные им в 1666 г., не были полностью разработаны, поскольку он не