Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Массивные частицы, передающие слабое взаимодействие, должны выглядеть для нас в точности как выглядели бы фотоны для гипотетических физиков, живущих внутри сверхпроводника. Потому и различие между электромагнетизмом и слабым взаимодействием столь же иллюзорно, как и та разница, которую физики на ледяном кристалле морозного узора на оконном стекле заметили бы между силами, действующими вдоль ребра своего кристалла и поперек него. И только простой случайностью объясняется тот факт, что одна калибровочная симметрия нарушается в мире нашего опыта, а другая – нет.

Вайнберг хотел избежать рассуждений о частицах, участвующих в сильном взаимодействии, поскольку ситуация там по-прежнему была запутанной. Поэтому он решил заняться частицами, взаимодействующими только посредством слабого или электромагнитного взаимодействия, а именно электронами и нейтрино. Поскольку слабое взаимодействие превращает электроны в нейтрино, ему нужно было придумать такой набор заряженных векторных фотоноподобных частиц, который производил бы такую трансформацию. Эти частицы не что иное, как заряженные векторные бозоны, существование которых предположил Швингер; традиционно их называют W +– и W-бозонами.

Поскольку слабое взаимодействие смешивает друг с другом только левые электроны и нейтрино, один из типов калибровочной симметрии должен обусловливать взаимодействие с W-частицами только левых частиц. Но поскольку и левые, и правые электроны взаимодействуют с фотонами, калибровочная симметрия электромагнетизма тоже должна быть включена в эту единую модель таким образом, чтобы левые электроны могли взаимодействовать и с фотонами, и с новыми заряженными W-бозонами, а правые электроны взаимодействовали бы только с фотонами, но не с W-частицами.

Математически единственным способом добиться этого – как выяснил Шелдон Глэшоу, размышляя об электрослабом объединении шестью годами ранее, – могло бы быть существование дополнительного нейтрального слабого бозона, с которым правые и левые электроны могли взаимодействовать, помимо взаимодействия с фотонами. Этот новый бозон Вайнберг назвал Z, от слова zero , нуль.

Далее, в природе должно существовать некое новое поле, которое образует конденсат в пустом пространстве, вызывающий спонтанное нарушение симметрий, управляющих слабым взаимодействием. Элементарная частица, связанная с этим полем, представляет собой массивный бозон Хиггса, тогда как остальные гипотетические бозоны Голдстоуна должны быть проглочены W- и Z-бозонами, чтобы придать им массу посредством предложенного Хиггсом механизма. При этом единственным калибровочным бозоном с нулевой массой остается фотон.

Но этого мало. В силу введенной им калибровочной симметрии новая хиггсовская частица у Вайнберга взаимодействует также с электронами, а когда образуется конденсат, появляются массы у электронов, а также W- и Z-частиц. Таким образом, эта модель не только объясняет массы калибровочных частиц, передающих слабое взаимодействие, и, следовательно, определяет силу этого взаимодействия, но вдобавок то же самое хиггсовское поле еще и придает массу электронам!

В этой модели присутствовали все ингредиенты, необходимые для объединения слабого и электромагнитного взаимодействий. Более того, если начать с калибровочной теории Янга – Миллса с безмассовыми калибровочными бозонами до нарушения симметрии, то можно было надеяться, что те же замечательные свойства калибровочных теорий, связанные с симметрией и впервые исследованные в квантовой электродинамике, позволят получить при помощи этой теории конечные разумные результаты. В то время как фундаментальная теория с массивными фотоноподобными частицами обладала явными неустранимыми недостатками, была надежда на то, что, если массы возникают только после и в результате нарушения симметрии, эти недостатки, возможно, и не проявятся. Но в то время это была всего лишь надежда.

Ясно, что в реалистичной модели хиггсовская частица должна связываться и с другими частицами, задействованными в слабом взаимодействии, а не только с электроном. При отсутствии хиггсовского конденсата все эти частицы: протоны (или те частицы, из которых они состоят), мюоны и т. д. – все они обладали бы в точности нулевой массой. Каждая деталь, отвечающая за наше существование , – мало того, за самое существование массивных частиц, из которых все мы состоим, – должна, таким образом, возникнуть в результате природной случайности – образования в нашей Вселенной особого хиггсовского конденсата. Конкретные черты, делающие наш мир тем, что он есть, – все эти галактики, звезды, планеты, люди и взаимодействия между ними – выглядели бы совершенно по-другому, если бы такой конденсат не сформировался.