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

Наш первый ответ: «При столкновениях протонов друг с другом». Но если немного поразмышлять, мы вспомним, что протон состоит из трех кварков и глюонов, не говоря уже о виртуальных антикварках. То есть некоторые комбинации кварков и глюонов сталкиваются друг с другом, чтобы образовать бозон Хиггса. Теперь вспомним, что в главе 7 мы говорили о законах сохранения и утверждали, что свойства типа электрического заряда, числа кварков или числа лептонов остаются неизменными в любом известном процессе взаимодействия частиц. И поэтому не может быть, чтобы, например, два верхних кварка столкнулись и образовали бозон Хиггса. Бозон Хиггса имеет нулевой электрический заряд, а каждый кварк – заряд +2/3, так что баланс не сходится. Кроме того, для двух верхних кварков общее число участвующих в реакции кварков равно 2, в то время как в бозоне Хиггса нет кварков, так что и это не сходится. Если бы сталкивались кварк и антикварк, у нас появился бы шанс.

А как насчет глюонов? Короткий ответ – да, два глюона могут объединиться, чтобы родить бозон Хиггса, но есть и длинный ответ, посложнее. Вспомним, что миссия поля Хиггса (или во всяком случае одна из его миссий) состоит в том, чтобы дать массу другим частицам. Чем сильнее бозон Хиггса взаимодействует с частицей, тем большую массу она в конце концов приобретает. Верно и обратное: поле Хиггса очень охотно взаимодействует с тяжелыми частицами, менее охотно с легкими и совсем не взаимодействует (напрямую) с безмассовыми частицами, такими как фотоны и глюоны. Но с помощью волшебной силы квантовой теории поля оно может взаимодействовать не напрямую. Глюоны прямо не взаимодействуют с бозонами Хиггса, но они взаимодействуют с кварками, а кварки взаимодействуют с бозоном Хиггса. Таким образом два глюона могут столкнуться и родить бозон Хиггса, пройдя через промежуточную стадию образования кварков.

В физике элементарных частиц разработан очень подробный и тщательно апробированный формализм для описания взаимодействия частиц друг с другом – метод диаграмм Фейнмана. Ричард Фейнман – колоритная фигура, нобелевский лауреат – изобрел этот чрезвычайно полезный метод отслеживания трансформаций всех входящих и образования выходящих частиц. Эти рисунки словно коротенькие комиксы, герои которых – частицы, взаимодействующие и превращающиеся с течением времени в другие частицы. Обычно бозоны – переносчики взаимодействий – изображаются волнистыми линиями, фермионы – сплошными линиями, а бозон Хиггса – пунктирной линией. Начав с фиксированного набора фундаментальных взаимодействий, соединяя и сопоставляя соответствующие диаграммы, мы можем перебрать все различные способы, с помощью которых частицы образуются или преобразуются в другие частицы.

Например, два взаимодействующих глюона изобразим двумя входящими волнистыми линиями. Эти колебания глюонного поля возбуждают колебания поля кварков, которые могут рассматриваться как пара кварк-антикварк. Поскольку в каждом случае это один кварк и один антикварк, суммарный заряд и число участвующих кварков равно нулю, что согласуется с аналогичными характеристиками первоначальных глюонов. Эти кварки – виртуальные частицы – играют роль посредников, и они обречены на исчезновение прежде, чем появятся в детекторе частиц. Одна пара соответствующих друг другу кварка и антикварка встречается и уничтожает друг друга, а другая пара встречается и порождает бозон Хиггса. В этом процессе участвуют все виды кварков, но наибольший вклад вносят истинные кварки (самые тяжелые кварки), так как они взаимодействуют с бозоном Хиггса сильнее всего. Все это можно точно описать с помощью пары строчек страшных математических формул, а можно вместо этого изобразить на одной понятной диаграмме.

Фейнмановская диаграмма, описывающая слияние двух глюонов и образование бозона Хиггса через промежуточную стадию рождения виртуальных кварков.

Диаграммы Фейнмана дают нам забавный и наглядный способ отследить, что может произойти, когда частицы сойдутся для взаимодействий. Физики, однако, используют их для очень прагматичных целей расчета квантовой вероятности изображаемого взаимодействия. Каждая диаграмма соответствует значению вероятности, которое потом вычисляется с помощью ряда простых правил. На первый взгляд эти правила способны ввести в заблуждение, например движущаяся назад во времени частица считается античастицей, и наоборот. Когда две частицы встречаются, чтобы породить третью (или одна частица распадается на две), полная энергия и все другие сохраняющиеся величины должны быть сбалансированы. Но виртуальные частицы – те, что рождаются и исчезают внутри диаграммы, но не присутствуют в исходном наборе частиц или среди продуктов реакции, – не обязаны иметь ту же массу, которую закон сохранения накладывает на реальную частицу. Правильный способ прочтения приведенной мною диаграммы таков: два колебания глюонного поля складываются вместе и создают колебания кваркового поля, которые в конечном итоге приводят к колебаниям поля Хиггса. А на самом деле мы видим две встречающиеся частицы-глюона, при столкновении рождающие бозон Хиггса.