Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Возможно ли, чтобы кварки и лептоны в действительности не являлись элементарными частицами, а были составлены из еще меньших частиц? Конечно, да. У физиков нет никакого корыстного интереса считать известные частицы по-настоящему элементарными. Наоборот, они хотели бы, чтобы те скрывали как можно больше тайн, и потому тратят массу времени, изобретая теоретические модели, основанные на предположении о неэлементарности элементарных частиц, а также проверяя модели экспериментально. Гипотетические частицы, из которых могли бы состоять кварки и лептоны, даже имеют название – «преоны». Однако сегодня мы не имеем ни экспериментального доказательства их существования, ни какой-либо убедительной теории на их счет. Все более или менее сходятся на том, что гораздо вероятнее, что кварки и лептоны элементарны, чем то, что они состоят из каких-либо других частиц. Хотя всегда можно ожидать появления новых данных, которые заставят нас пересмотреть наши взгляды.

Теперь обратимся к бозонам, всегда имеющим целые спины. Стандартная модель включает в себя четыре типа калибровочных бозонов, каждый из которых порождается локальной симметрией природы и соответствует определенному взаимодействию.

Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия – безмассовые, нейтральные и имеют спин, равный 1. Глюоны – переносчики сильного ядерного взаимодействия – также безмассовые, нейтральные, и имеют спин единицу. Основное различие в том, что глюоны обладают цветом и заперты внутри адронов, как кварки. Из-за этих цветов реально есть восемь различных видов глюонов, но в очередной раз подчеркиваем, что они связаны отношениями ненарушенной симметрией, так что нам не нужно даже присваивать им отдельные имена.

Бозоны – переносчики взаимодействий.

Массы выражены в гигаэлектронвольтах (ГэВ).

Сводная таблица, показывающая, какие частицы (бозоны и фермионы) с какими силами взаимодействуют. Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, но они не взаимодействуют непосредственно с друг с другом, поскольку они электрически нейтральны. Происхождение массы нейтрино по-прежнему загадочно, так что взаимодействуют ли они с бозоном Хиггса, неизвестно.

Гравитоны – переносчики гравитации – также безмассовы и нейтральны, но имеют спин, равный двум. Гравитоны сами взаимодействуют с гравитацией, поскольку все взаимодействует с гравитацией, но гравитация, как правило, столь слаба, что вы ее можете не заметить. (Конечно, все меняется, когда в одном месте собирается большая масса, которая создает сильное гравитационное поле.) Поэтому слабость гравитации означает, что гравитон почти не имеет значения для физики элементарных частиц, по крайней мере в рамках Стандартной модели. Поскольку полная теория квантовой гравитации еще не построена, а отдельные гравитоны практически невозможно обнаружить, его нередко не считают частицей, хотя есть все основания полагать, что гравитон вполне реален.

Слабое взаимодействие переносится заряженными W– и нейтральными Z-бозонами. Все три частицы имеют единичный спин, ненулевую массу и распадаются сразу после рождения. За то, что эти бозоны – переносчики слабого взаимодействия – приобретают массу и становятся непохожими друг на друга, ответственно именно поле Хиггса, нарушающее симметрию. Если бы поля Хиггса не было, W– и Z-бозоны больше бы напоминали глюоны с той лишь разницей, что их было бы только три, а не восемь.

В отличие от ранее упомянутых трех сил слабое взаимодействие настолько слабо, что не в состоянии само по себе удержать две какие-либо частицы вместе. По существу есть только два способа частицам провзаимодействовать через слабое взаимодействие: они могут либо рассеяться друг на друге путем обмена W– или Z-бозонами, или один массивный фермион может распасться и превратиться в более легкий фермион, испустив при этом W-бозон, который затем сам распадается на другие частицы. Эти процессы играют ключевую роль в поисках новых частиц на БАКе.

Необходимо отметить, что сам бозон Хиггса – скалярный бозон, то есть его спин равен нулю. В отличие от калибровочных бозонов он не порождается симметрией, и нет никаких оснований ожидать, что его масса равна нулю (или даже небольшая). Мы можем говорить о хиггсовской «силе», возможно, имеющей отношение к темной материи, которую ищут в экспериментах, проводимых глубоко под землей. Но основной интерес к бозону Хиггса вызван тем, что порождающее его поле отлично от нуля в пустом пространстве и влияет на другие частицы, наделяя их массой.