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

Если вы дочитали до этого места, считайте, что уже довольно хорошо знакомы с бозоном Хиггса.

В этом довольно специальном приложении мы поговорим о диаграммах Фейнмана. Если читать трудно, не бойтесь пропустить его, или же просто посмотрите на рисунки. Сам Ричард Фейнман, изобретя эти диаграммы, думал, что было бы забавно, если бы когда-нибудь эти маленькие закорючки появились в солидных физических журналах. И это действительно произошло, и это было забавно.

Диаграммы Фейнмана – это простой способ выяснить, что может произойти, когда элементарные частицы соберутся провзаимодействовать. Допустим, вы хотите спросить, способен ли бозон Хиггса распасться на два фотона. Вы знаете, что фотоны не имеют массы и что бозон Хиггса взаимодействует только с частицами, имеющими массу, так что в первый момент вы, вероятнее всего, скажете, что такой распад невозможен. Но, объединяя разные диаграммы Фейнмана, мы найдем процессы, в которых виртуальные частицы свяжут бозон Хиггса с фотонам. Профессиональный физик с помощью этих диаграмм рассчитает вероятность, с которой будет происходить такое событие: каждая диаграмма ассоциируется с конкретным числом, и мы должны сложить все различные диаграммы, чтобы получить окончательный ответ. Мы не выступаем в роли профессиональных физиков, однако все же попытаемся найти различные разрешенные взаимодействия, изображаемые на языке диаграмм Фейнмана. Есть куча правил, которым надо следовать при их построении, и мы попытаемся понять только самые важные. Если же вы захотите копнуть глубже, вам придется проштудировать учебники по физике элементарных частиц или квантовой теории поля.

Вот некоторые базовые принципы: каждая диаграмма является графическим изображением того, как частицы взаимодействуют друг с другом и превращаются друг в друга, причем время на рисунках течет слева направо. Входящие частицы, изображенные в левой части диаграммы, и исходящие частицы, изображенные в правой части – «реальные», у них те самые массы, которые мы привели в таблицах зоопарка частиц Приложения 2. Те частицы, которые изображены в центре диаграммы, – «виртуальные», их массы могут быть какими угодно, они просто демонстрируют, как в ходе взаимодействия частиц колеблются квантовые поля. Это стоит подчеркнуть: виртуальные частицы – не реальные частицы, они просто элементы внутренней кухни.

Условимся изображать фермионы сплошными линиями, калибровочные бозоны – волнистыми, а скалярные бозоны (такие как бозон Хиггса) – пунктирными. Фермионные линии никогда не заканчиваются – они либо образуют замкнутые петли, либо тянутся в начало и/или в конец диаграммы. Линии бозонов, наоборот, могут легко оборваться – либо на фермионных линиях, либо на линиях других бозонов. Место, где линии сходятся, называется «вершинами». В каждой вершине электрический заряд сохраняется, так что если электрон излучает какой-то W-бозон и превращается в нейтрино, мы знаем, это был W --бозон. Общее число кварков и общее число лептонов (где античастице соответствует число −1) тоже в каждой вершине сохраняется. Если мы заменим частицы на античастицы, мы можем любую линию перенаправить в обратном направлении. Так что если верхний кварк преобразуется в нижний кварк, излучив W +-бозон, то нижний антикварк преобразуется в верхний антикварк тем же способом.

Начнем с того, что нарисуем основные диаграммы Стандартной модели. Более сложные диаграммы можно построить, объединяя эти фундаментальные диаграммы самыми разными способами. Мы не собираемся объять необъятное, но, надеюсь, сможем достаточно ясно продемонстрировать основные принципы.

Во-первых, давайте посмотрим, что может произойти с отдельным фермионом, входящим в диаграмму слева. Фермионные линии не могут оборваться, поэтому какой-то фермион должен выйти из диаграммы с другой стороны. Но из него может «выплюнуться» и бозон. Существенно, что если фермион чувствует определенное взаимодействие, он может излучить бозон, который является переносчиком этого взаимодействия. Вот несколько примеров.

Каждая частица чувствует гравитацию, поэтому каждая частица может испустить гравитон. (Или поглотить гравитон, если мы пойдем по диаграмме в обратную сторону. Как и фотон и бозон Хиггс, гравитон сам себе античастица.) Даже если мы рисуем прямую линию, как будто частица – фермион, подобные диаграммы можно нарисовать и для всех бозонов.