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

Симметрия слабых взаимодействий разбивает левые частицы на следующие пары:

верхний кварк ↔ нижний кварк

очарованный кварк ↔ странный кварк

истинный кварк ↔ прелестный кварк

электрон ↔ электронное нейтрино

мюон ↔ мюонное нейтрино

тау-частица ↔ тау-нейтрино.

Частицы, которые мы объединили здесь в пары, на первый взгляд кажутся очень разными, у них разные массы и заряды. Это все потому, что поле Хиггса, прячущееся в засаде, нарушает симметрию между ними. Если бы не было этого маскарада, частицы в каждой паре были бы совершенно неразличимы, так же как красные, зеленые и синие кварки, которые мы сейчас считаем тремя различными версиями одного и того же кварка.

Само поле Хиггса поворачивается под влиянием симметрии слабых взаимодействий. И именно поэтому когда оно принимает ненулевое значение в пустом пространстве, оно задает выделенное направление, так же как воздух задает скорость, относительно которой мы измеряем свою скорость при путешествии в поезде. Вернемся к нашему примеру с маятником. Самое низкое (устойчивое) энергетическое состояние обычного маятника совершенно симметрично, когда он направлен вниз. Перевернутый маятник, подобно полю Хиггса, нарушает симметрию, когда переходит в устойчивое состояние, то есть падает влево или вправо.

Если вы безнадежно заблудились в лесу ночью, все направления кажутся вам одинаковыми. Вы можете как угодно поворачиваться вокруг оси, стоя на месте, но толку! Прямо скажем, вы оказались в весьма тяжелой ситуации. Однако если у вас есть компас и вы помните, что собирались идти на север, направление, заданное компасом, нарушит симметрию. Теперь у вас появилось правильное направление движения, а остальные направления стали неправильными. Точно так же без хиггсовского поля электрон и электронное нейтрино (к примеру) были бы тождественными частицами. Их можно превращать друг в друга, и в результате в комбинации они станут неразличимыми. Но поле Хиггса, подобно компасу, ломает симметрию и задает выделенное направление. И тогда появляется одна конкретная комбинация полей, взаимодействующая сильнее с полем Хиггса, – ее мы называем «электроном» – и другая, которая не взаимодействует, и ее мы называем «электронным нейтрино». Такое различие между ними имеет смысл только благодаря полю Хиггса, заполняющему все пространство.

Если бы не нарушение симметрии, фактически имелось бы четыре бозона Хиггса, а не один – имелось бы две пары частиц, которые превращались бы друг в друга благодаря симметрии слабого взаимодействия. Но когда поле Хиггса заполняет пространство, три из этих частиц «съедаются» тремя калибровочными бозонами слабых взаимодействий, которые таким образом превращаются из безмассовых носителей взаимодействий в массивные W– и Z-бозоны. Да, да, именно так физики и формулируют это: бозоны слабого взаимодействия прибавляют в весе, поедая лишние бозоны Хиггса. Вспомним, что мы – то, что мы едим.

Аналогия между полем Хиггса и перевернутым маятником на самом деле довольно удачная. Как по отношению к полю Хиггса, так и по отношению к маятнику основные законы физики совершенно симметричны, в них нет дискриминации ни левого, ни правого. Но у маятника есть только две устойчивые конфигурации – в положении лежа, слева или справа от точки крепления. Если бы мы попытались сбалансировать его очень тщательно в симметричной конфигурации, когда его конец направлен прямо вверх, все равно, любой незаметный толчок тотчас заставил бы его упасть влево или вправо.

Поле Хиггса ведет себя таким же образом. Оно может принять нулевое значение в пустом пространстве, но это будет нестабильной конфигурацией. Чтобы поднять маятник, неподвижно лежащий слева или справа от точки крепления, в вертикальное положение, мы должны затратить некоторую энергию. То же самое применимо и к полю Хиггса. Для выведения его из устойчивого ненулевого значения в каждой точке пространства в нулевое потребуется нечеловеческое количество энергии – гораздо больше, чем полная энергия теперешней наблюдаемой Вселенной.

Но Вселенная когда-то была гораздо более плотной, ее полная энергия была сконцентрирована в гораздо меньшем объеме. Во времена Большого взрыва – 13,7 миллиардов лет назад – вещество и излучение были невероятно сжаты и температура намного выше. Оставаясь в маятниковой аналогии, представьте себе, что перевернутый маятник закреплен на столе, а не прикручен болтами к полу. «Высокая температура» означает много быстрых случайных движений частиц – в нашей аналогии это похоже на то, что кто-то начинает руками трясти стол. Если трясти достаточно энергично, то в какой-то момент маятник получит такой сильный толчок, что он перекинется слева направо (или наоборот). А если трясти уже по-настоящему , как следует, маятник будет как сумасшедший все время болтаться между двумя положениями. Он проведет в среднем столько же времени в левой позиции, сколько и в правой. Другими словами, при высоких температурах перевернутый маятник снова становится симметричным.