Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

Стандартная модель

Все эти симметрии — отнюдь не просто математические фокусы. В 1960 году Шелдон Глэшоу обнаружил, что слабое и электромагнитное взаимодействие можно объединить в одно «электрослабое взаимодействие». В течение следующих десяти лет эту гипотезу усовершенствовали Стивен Вайнберг и Абдус Салам. Это одна из милых особенностей симметрии. Взгляните на соотношение между слабым изоспином, слабым гиперзарядом и обычным электрическим зарядом, и вы увидите, как тесно они связаны. Это верный признак, что и стоящие за ними взаимодействия тоже, вероятно, можно объединить.

Объединение взаимодействий — это очень важное открытие. Во-первых, оно здорово экономит время. Если бы — в идеале — все физические законы можно было описать одной формулой, вам не пришлось бы столько зубрить. А еще это означает, что физические законы обладают глубокой внутренней согласованностью.

Ньютона запомнили на века, поскольку он сумел объединить движение планет, качание маятников и падение яблок в единый закон всемирного тяготения. Подобным же образом на сторонний взгляд электричество и магнетизм — это совсем разные вещи. Электричество управляет взаимодействием воздушных шариков, которые потерли о свитер, а магнетизм — компасами. Но стоит вам — если вы, конечно, Максвелл, — копнуть поглубже, и окажется, что вся разница только в том, движутся частицы или нет.

Объединить электромагнетизм и слабое взаимодействие оказалось несколько сложнее, однако суть этого объединения сводится к тому, что в самом начале времен была единая сила, описываемая одним уравнением, однако с четырьмя частицами-переносчиками. И только остывание вселенной и довольно загадочное поле Хиггса сделали так, что эти две силы кажутся независимыми.

Согласно унифицированной электрослабой модели фотон и Z 0на самом деле не две разные частицы, а два разных состояния одной и той же частицы. А почему бы и нет, собственно? Оба электрически нейтральны. Оба обладают спином‑1. И хотя сегодня у Z 0есть заметная масса, в начале времен и Z 0, и фотон были лишены массы.

Иначе говоря, фотон и Z 0и выглядели, и взаимодействовали с другими частицами одинаково. Они реагировали не на заряд, который все мы знаем и любим, а на гиперзаряд частицы (сочетание качества, которое мы теперь называем слабым гиперзарядом, и обычного электрического заряда). После того как вселенная достаточно остыла, фотон и Z 0стали заметно различаться. В процессе разделения электрослабого взаимодействия на «электрическое» и «слабое» определенные частицы начинали взаимодействовать скорее с одним, чем с другим. Скажем, нейтрино после разрыва стало отвечать только на слабую часть, а электрическую вообще перестало видеть, поскольку оно нейтрально.

Все это не так причудливо, как вам показалось поначалу. Расклассифицировать гору частиц можно самыми разными способами, и то, какой метод сортировки выберешь, зависит от того, что ты собираешься с ними делать. Груду монет можно разобрать в зависимости от того, орлом вверх они лежат или решкой, однако совершенно очевидно, что куда осмысленнее сгруппировать их по достоинству. Поскольку энергии фотонов и Z 0так сильно различаются, сегодня их считают двумя разными частицами.

Вот что получилось, когда электрослабое взаимодействие разделилось на электрическое и слабое. А сейчас я расскажу, почему оно разделилось. Все дело в массе. В числе предсказаний, которые дали теории Яня-Миллса, было и то, что все частицы-переносчики взаимодействий должны обладать нулевой массой. Фотоны и глюоны подчиняются этому правилу легко и охотно. К сожалению, Янь и Миллс, похоже, выбили только два очка из трех. Частицы-переносчики слабого взаимодействия — подлинные тяжеловесы в мире частиц-переносчиков.

Для сравнения, масса W-бозона примерно в 85 раз превосходит массу протона, а Z 0еще массивнее. Слабые переносчики должны быть совершенно лишены массы — а они, наоборот, великаны. Это обстоятельство играет важную роль в физике слабого взаимодействия. В сущности, именно поэтому слабое взаимодействие такое слабое. Вот как писал Глэшоу:

Это камень преткновения, на который мы не должны обращать внимания.

Но нельзя же не обращать внимания на массу W-бозонов и Z 0! Эти огромные массы генерирует бозон Хиггса, частица, о которой в последнее время так много говорят. Бозон Хиггса — это Йоко Оно электрослабого взаимодействия, катализатор, который заставил два взаимодействия разорвать отношения. Однако чтобы понять, почему вокруг бозона Хиггса столько шума, надо сначала сказать несколько слов о том, откуда вообще берется масса.