Триумф Стандартной модели
Открытие бозона Хиггса стало последним недостающим кусочком головоломки Стандартной модели физики элементарных частиц — модели, наиболее близкой к единой теории поля из всех, что мы имеем сегодня. Стандартная модель включает в универсальное объяснение электромагнитного и слабого взаимодействий, известных как электрослабое взаимодействие. Она также содержит описание сильного взаимодействия — силы, которая связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах. Последняя оставшаяся сила — гравитация — не является частью Стандартной модели.
Разработка теории электрослабого взаимодействия началась в 1961 году, в год смерти Шрёдингера. Тогда физик Шелдон Ли Глэшоу предположил, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в рамках одной теории, в которой взаимодействие между частицами осуществляется посредством обмена четырьмя типами бозонов (переносчиков взаимодействия): фотоном, двумя заряженными бозонами, называемыми W+ и W-, отвечающими за радиоактивный бета-распад, и четвертым бозоном, названным позднее Z0, отвечающим за слабые нейтральные токи. На тот момент еще не был открыт четвертый тип взаимодействия между двумя частицами, имеющими одинаковый заряд. Лагранжиан (функция, описывающая состояние динамической системы), который использовал Глэшоу, был не совсем корректен, но идея о существовании четырех обменных частиц оказалась точна, «как в аптеке».
Однако при объединении электромагнитного и слабого взаимодействий возникает серьезная проблема. Дело в том, что две эти силы имеют совершенно разные радиусы действия и константы связи. Электромагнетизм действует на огромных расстояниях. Доказательством тому служит наблюдаемый с Земли свет от далеких звезд, находящихся за триллионы километров от нас. Слабое взаимодействие, в отличие от электромагнитного, действует только на атомном масштабе. Кроме того, на субатомном уровне электромагнитное взаимодействие примерно в десять миллионов раз сильнее, чем слабое. Если на ранних этапах существования Вселенной эти силы были одним целым, то почему они кажутся настолько различными сегодня?
Как оказалось, свойства бозонов, которыми обмениваются частицы материи, постоянно испуская и поглощая их, определяют радиус и силу взаимодействия. Безмассовые бозоны, например фотоны, обеспечивают заметное взаимодействие на больших расстояниях. Тяжелые бозоны, такие как частицы-переносчики W-и Z-бозоны, создают относительно слабое короткодействующее взаимодействие. Следовательно, объяснение сегодняшнего несоответствия между электромагнитным и слабым взаимодействиями сводится к пониманию того, как W- и Z-бозоны приобретают массу.
Для этого был придуман механизм Хиггса — гениальный способ, объясняющий, как по мере остывания Вселенной с момента Большого взрыва большинство типов частиц приобретали массу, а фотон остался безмассовым. Механизм, предложенный в 1964 году несколькими группами исследователей независимо друг от друга (одну группу составляли Питер Хиггс, Франсуа Энглер (нобелевский лауреат совместно с Хиггсом) и Роберт Браут, а другую — Джералд Гуралиик, Карл Ричард Хаген и Томас Киббл) предполагает, что вся ранняя Вселенная была заполнена полем с определенным типом калибровочной симметрии. Спонтанное нарушение этой симметрии, которое сопровождалось снижением температуры, наделило большинство частиц массой, оставив фотоны безмассовыми.
Калибровочную симметрию можно проиллюстрировать следующим образом: представьте себе множество вращающихся вентиляторов, находящихся в каждой точке пространства и выдувающих воздух во всех возможных направлениях. По мере остывания Вселенной условия стали такими, что первоначальная симметрия поля Хиггса оказалась спонтанно нарушена. Каждый вентилятор как бы застыл на месте, а все они оказались направлены в одном том же направлении. До того как они застыли, воздействия вентиляторов уравновешивали друг друга, позволяя частицам свободно двигаться так, как им заблагорассудится. Однако после того как вентиляторы застыли на месте и начали дуть в одну сторону, они стали препятствовать движению большинства частиц, уменьшая радиус и силу их взаимодействия. Иными словами, частицы приобрели массу. Только фотоны, на которые не действует ветер от вентиляторов, остаются безмассовыми, а электромагнетизм — дальнодействующим взаимодействием.
В конце 1960-х годов американский физик Стивен Вайнберг и пакистанский физик Абдус Салам независимо друг от друга предложили лагранжианы (по аналогии с калибровочной теорией Янга — Миллса, упоминавшейся ранее), которые включали компоненты хиггсовского поля вместе с бозонными полями (частицами — переносчиками взаимодействий) и фермионными полями (частицами материи). Их лагранжианы были составлены таким образом, чтобы спонтанное нарушение симметрии происходило ниже определенной температуры, при которой три бозона, W+, W- и Z0, приобретали массу посредством хиггсовского механизма, оставляя при этом фотоны безмассовыми. Так же приобретали свои массы и фермионы. Квант исходного поля Хиггса может наблюдаться как массивная частица, которая называется бозоном Хиггса.
К тому времени было открыто так много новых элементарных частиц, что оказалось критически важно понять, какие из известных фермионов являются действительно элементарными. Большинство физиков уже подозревали, что протоны и нейтроны не являются элементарными, а состоят из более мелких частей. Эти части поначалу называли по-разному, но в конце концов физическое сообщество остановилось на термине кварк, который предложил Мюррей Гелл-Манн. Он заимствовал это слово из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза: «Три кварка для мистера Марка!» Поскольку и протоны, и нейтроны состоят ровно из трех кварков (так же, как и все частицы в данной категории, называемые барионами), такое название показалось вполне подходящим.
После того как кварки были математически описаны, оказалось, что они группируются по нескольким различным семействам, называемым поколениями. Первое поколение состоит из верхнего и нижнего кварков, из которых построены протоны и нейтроны. Второе поколение включает странный и очарованный кварки, образующие более массивные экзотические частицы. Наконец, третье, еще более тяжелое поколение состоит из прелестного и истинного кварков, которые не были обнаружены вплоть до 1980-х (прелестный) и 1990-х (истинный) годов. Каждое поколение кварков также содержит античастицы той же массы, но противоположного заряда, называемые антикварками. Конкретные сорта кварков, такие как очарование или странность, называются ароматами[18].
Лептоны (частицы, которые не участвуют в сильном взаимодействии) точно так же делятся на три поколения. Первое состоит из электронов и нейтрино — очень легких и быстро движущихся частиц. Второе включает мюоны и мюонные нейтрино. Массивные таоны и may-нейтрино составляют третье поколение.
В отличие от попыток объединения известных взаимодействий, которые предпринимали Эйнштейн и Шрёдингер, теория электрослабого объединения предлагает большое количество конкретных и проверяемых предсказаний. Среди них: существование слабого нейтрального тока (обмена виртуальными Z-бозонами наподобие передачи заряда), существование W+, W- и Z0-бозонов определенной массы, а также бозона Хиггса. В 1970-е и 1980-е годы эксперименты на ускорителе частиц в ЦЕРНе (Европейской организации по ядерным исследованиям) близ Женевы в Швейцарии подтвердили каждое из этих предсказаний, за исключением последнего. И наконец, существование бозона Хиггса было доказано благодаря изучению данных о столкновениях частиц, полученных на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.
Наряду с электрослабым взаимодействием Стандартная модель также включает теоретическое описание сильного взаимодействия, которое предполагает обмен частицами, называемыми глюонами. Они создают «клей», который как бы «склеивает» кварки вместе и удерживает их в группах по три (или в кварк-антикварковых парах в случае мезонов). По аналогии с положительными и отрицательными электрическими зарядами каждый кварк имеет цветовой заряд. «Цвет» в данном случае не имеет ничего общего с внешним видом, это просто условное обозначение для определенной сохраняющейся величины. Сильное взаимодействие возникает естественным образом за счет обмена глюонами между кварками разных цветов. Квантовая теория поля, описывающая этот процесс, называется квантовой хромодинамикой (КХД) по аналогии с квантовой электродинамикой.
Сегодня, когда мы знаем, как формировалась Стандартная модель, газетная шумиха вокруг каждой версии единой теории поля Эйнштейна и Шрёдингера, претендовавшей на то, чтобы стать окончательным описанием Вселенной, кажется смешной. Понимание природы, устоявшееся в последние десятилетия, кардинально отличается от того, которое было во времена Второй мировой войны. Очевидно, что у Вселенной еще много сюрпризов в рукаве. Может ли так получиться, что новые открытия когда-нибудь сделают устаревшей и Стандартную модель?