Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Якщо це було так, тоді слабкі й електромагнітні взаємодії можна було описати об’єднаним набором калібрувальних теорій, одна з яких відповідала б електромагнітній взаємодії (яка залишалася непорушною), а друга – слабкій взаємодії, і порушення калібрувальної симетрії призводило б до виникнення кількох масивних переносників цієї взаємодії.

У цьому випадку світ, у якому ми живемо, виглядав би точнісінько як надпровідник.

Слабка взаємодія була б слабкою через просту випадковість, унаслідок якої основний стан полів у нашому поточному всесвіті порушує калібрувальну симетрію, яка в іншому разі визначала б симетрію слабкої взаємодії. Фотоноподібні калібрувальні частинки набули б великих мас, і, як очікував Швінґер, слабка взаємодія стала б настільки близькодійною, що практично згасла б навіть на масштабах довжин протонів і нейтронів. Це також пояснило б, чому нейтронний розпад відбувається настільки повільно.

Масивні частинки, які переносять слабку взаємодію, виглядали б для нас так само, як виглядали б фотони для гіпотетичних фізиків, які живуть усередині надпровідника. А отже, різниця між електромагнетизмом і слабкою взаємодією була б настільки ж ілюзорною, як і різниця між силами, напрямленими вздовж крижини, і напрямленими перпендикулярно до неї з точки зору фізиків, які живуть на крижаних кристалах на віконному склі. Той факт, що у світі нашого з вами існування одна калібрувальна симетрія порушується, а друга – ні, стає простою випадковістю.

Вайнберґ прагнув уникнути роздумів про сильно взаємодійні частинки, оскільки ситуація з ними залишалася заплутаною. Тож він вирішив розмірковувати про частинки, які взаємодіють винятково шляхом слабкої чи електромагнітної взаємодії, а саме електрони й нейтрино. Оскільки слабка взаємодія перетворює електрони на нейтрино, йому довелося уявити собі набір заряджених векторних фотоноподібних частинок, які зумовлювали б таке перетворення. Ці частинки є нічим іншим, як зарядженими векторними бозонами, що їх передбачив Швінґер, які традиційно називаються бозонами W + та W – (від англійського «weak», тобто «слабкий»).

Оскільки внаслідок слабкої взаємодії змішуються лише ліворукі електрони й нейтрино, один тип калібрувальної симетрії визначатиме винятково взаємодії ліворуких частинок із W -частинками. Але оскільки з фотонами взаємодіють як ліворукі, так і праворукі електрони, у це об’єднання треба якимось чином інкорпорувати калібрувальну симетрію електромагнетизму, щоб ліворукі електрони могли взаємодіяти і з фотонами, і з новими зарядженими W -бозонами, тоді як праворукі електрони взаємодіяли б лише з фотонами, проте не з W -частинками.

Математично єдиний спосіб це зробити, як виявив Шелдон Ґлешоу, коли шістьма роками раніше розмірковував про електрослабке об’єднання, полягав у введенні додаткового нейтрального слабкого бозона, з яким могли б взаємодіяти право-й ліворукі електрони на додачу до взаємодії з фотонами. Вайнберґ позначив цей новий бозон Z (від англійського «zero», тобто «нуль»).

Також у природі існувало б нове поле, яке формувало б у порожньому просторі конденсат, спонтанно порушуючи тим самим симетрії, що визначають слабку взаємодію. Елементарною частинкою, пов’язаною з цим полем, був би масивний бозон Хіггса, тоді як решта потенційних бозонів Ґолдстоуна з’їдалися б W – та Z -бозонами, які за рахунок цього ставали б масивними завдяки механізму, що його вперше описав Хіггс. У результаті цього залишався б єдиний безмасовий калібрувальний бозон – фотон.

Проте це ще не все. Завдяки калібрувальній симетрії, яку ввів Вайнберґ, його нова частинка Хіггса також взаємодіяла б з електронами, а формування конденсату привело б до набуття електронами, а також W – та Z -частинками маси. Таким чином, ця модель не лише пояснила б маси калібрувальних частинок, які переносять слабку силу, а й визначила б величину цієї сили. Це саме поле Хіггса також надало б маси електронам.

У цій моделі були наявні всі інгредієнти, необхідні для об’єднання слабкої та електромагнітної взаємодії. Мало того, відштовхуючись від калібрувальної теорії Янга – Міллза з безмасовими до порушення симетрії калібрувальними бозонами, була надія, що аналогічні видатні властивості симетрії калібрувальних теорій, уперше використані у квантовій електродинаміці, також дадуть цій теорії можливість досягти скінченних прийнятних результатів. Хоча фундаментальна теорія з масивними фотоноподібними частинками вочевидь не була позбавлена патологій, була надія, що, якщо маси з’являються винятково внаслідок порушення симетрії, ці патології не виникнуть. Проте на той час це була лише надія.