Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Неужели это действительно так просто? Может быть, это тот случай, когда минус на минус дал плюс? Статья Андерсона вызвала некоторые споры. И пока в научной прессе высказывались аргументы и контраргументы, некоторые физики хорошенько ее запомнили.

Затем вышел ряд статей с подробным описанием механизма спонтанного нарушения симметрии, в которых разные безмассовые бозоны действительно «сокращали» друг друга, оставляя лишь частицы с массой. Их независимо друг от друга опубликовали бельгийские физики Роберт Браут и Франсуа Энглер, английский физик Питер Хиггс из Эдинбургского университета, а также Джеральд Гуральник, Карл Хейген и Том Киббл из Имперского колледжа в Лондоне [63] . Такой механизм обычно называют механизмом Хиггса (или, как предпочитают те, кого волнует справедливость, механизмом Браута – Энглера – Хиггса – Хейгена – Гуральника – Киббла).

63

Все три статьи вышли в одном и том же номере (13) журнала Phy sical Review Letters в 1964 году на с. 321–323, 508–509 и 585–587 соответственно.

Механизм работает следующим образом. Безмассовая частица со спином 1 (бозон) движется со скоростью света и имеет две «степени свободы», то есть ее амплитуда волны может колебаться в двух измерениях, перпендикулярных (трансверсальных) направлению, в котором она движется. Если частица движется, скажем, в направлении z, ее амплитуда волны может колебаться только в направлениях х и у (влево/вправо и вверх/вниз). У фотона две степени свободы связаны с левой круговой и правой круговой поляризацией. Эти состояния могут сочетаться и давать более знакомые состояния линейной поляризации: горизонтальное (по оси х) и вертикальное (по оси у). У света не существует поляризации в третьем измерении.

Чтобы изменить это состояние, нужно ввести фоновое поле, которое часто называют полем Хиггса, для нарушения симметрии [64] . Поле Хиггса характеризует форма кривой потенциальной энергии.

Идея кривой потенциальной энергии довольно прямолинейна. Представьте себе маятник, который качается взад-вперед. Когда маятник совершает взмах вверх, он замедляется, останавливается и затем начинает двигаться в другом направлении. В этот момент вся энергия его движения (кинетическая энергия) превращается в потенциальную энергию маятника. Когда маятник совершает движение обратно, потенциальная энергия высвобождается, переходя в кинетическую энергию движения, и маятник набирает скорость. Внизу дуги, когда маятник направлен прямо вниз, кинетическая энергия имеет максимальное значение, а потенциальная равна нулю.

64

В отличие от других квантовых полей, с которыми мы до сих пор имели дело в книге, поле Хиггса является скалярным полем – оно имеет значение в каждой точке пространства-времени, но не имеет направления. Иными словами, оно не «притягивает» и не «отталкивает» ни в каком конкретном направлении.

Если мы изобразим величину потенциальной энергии в сравнении с углом смещения маятника от вертикали, у нас получится парабола – см. рис. 13, а. Нижняя точка кривой потенциальной энергии очевидно совпадает с точкой, в которой смещение маятника равно нулю.

Рис. 13

(a) В случае простого маятника, движущегося без учета трения, кривая потенциальной энергии имеет форму параболы и нулевая потенциальная энергия соответствует нулевому смещению маятника от вертикали. Однако кривая потенциальной энергии для поля Хиггса (b) имеет другую форму. Теперь нулевое значение потенциальной энергии соответствует конечному смещению (самого поля) или тому, что физики называют ненулевым значением вакуумного ожидания

Кривая потенциальной энергии поля Хиггса немного отличается. Вместо угла смещения мы изобразим смещение или значение самого поля. В нижней части кривой появляется небольшой бугорок, похожий на тулью сомбреро или выпуклость на дне бутылки из-под шампанского. Из-за наличия этого бугорка симметрия нарушается. Когда поле охлаждается и теряет потенциальную энергию, подобно падающему карандашу, она произвольно падает в углубление на кривой (кривая на самом деле трехмерна). Но в этом случае самая нижняя точка кривой соответствует ненулевому значению поля. Физики называют это ненулевым значением вакуумного ожидания. Оно представляет собой «ложный» вакуум, то есть вакуум не вполне пустой – он содержит ненулевые значения поля Хиггса.

Рис. 14

(a) Безмассовый бозон движется со скоростью света и имеет только две пересекающиеся степени свободы, влево/вправо (x) и вверх/ вниз (y). Взаимодействуя с полем Хиггса, частица может поглотить безмассовый бозон Намбу – Голдстоуна и приобрести третью степень свободы – вперед/назад (z). Соответственно, частица приобретает «глубину» и замедляется. Сопротивление ускорению – это и есть масса частицы

При нарушении симметрии возникает безмассовый бозон Намбу – Голдстоуна. Его может «поглотить» безмассовый бозон поля со спином 1, создавая третью степень свободы (вперед/назад). Амплитуда волны частицы поля теперь может колебаться во всех трех измерениях, в том числе и в направлении собственного движения. Частица приобретает «глубину» (см. рис. 14).

В механизме Хиггса приобретение третьей степени свободы похоже на торможение. Частица замедляется в степени, зависящей от ее взаимодействия с полем Хиггса.

Фотон не взаимодействует с полем Хиггса и продолжает беспрепятственно двигаться со скоростью света. Он остается безмассовым. Частицы, взаимодействующие с полем, приобретают глубину, набирают энергию и замедляются, поле при этом притягивает их, словно густой сироп. Взаимодействия частицы с полем проявляются в виде сопротивления ускорению [65] .

Нет ли в этом чего-то смутно знакомого?

Инертная масса объекта – мера его сопротивления ускорению. Мы инстинктивно хотим уравнять инертную массу с количеством вещества, которое содержится в объекте. Чем больше вещества он содержит, тем тяжелее ему ускоряться. Механизм Хиггса ставит это рассуждение с ног на голову. Теперь мы интерпретируем степень, с которой поле Хиггса сопротивляется ускорению частицы, как массу частицы (инертную).

65

Обратите внимание, что помехи возникают при движении с ускорением. Частицы, движущиеся на постоянной скорости, не поддаются действию поля Хиггса. Поэтому поле Хиггса не противоречит специальной теории относительности.

Концепция массы растворилась под одним дуновением логики. На смену ей пришли взаимодействия между безмассовыми частицами и полем Хиггса.

У механизма Хиггса не сразу появились сторонники. Самому Хиггсу не сразу удалось опубликовать свою статью. Сначала он отправил ее в европейский журнал Physics Letters в июле 1964 года, но редактор ее отверг, посчитав неподходящей. Через много лет Хиггс написал [66] :

«Меня это возмутило. Я считал, что мои выводы могли иметь важные следствия для физики элементарных частиц. Позднее мой коллега Сквайрс, который провел август 1964 года в ЦЕРНе, сказал, что теоретики не увидели смысла в том, что я сделал. Оглядываясь назад, я не удивляюсь: в 1964 году… квантовая теория поля была не в моде…»

66

Higgs P. Hoddeson et al. P. 508.

Хиггс внес некоторые изменения в свою статью и снова отправил ее в журнал Physical Review Letters. Ее переслали на рецензирование Намбу. Намбу попросил Хиггса прокомментировать, как связана его статья и другая, только что опубликованная в том же журнале (31 августа 1964 года) Браутом и Энглером. Хиггс не знал, что Браут и Энглер работали над той же проблемой, и отметил их работу в примечании. Кроме того, он добавил последний абзац к основному тексту, где обратил внимание на возможное существование «неполных мультиплетов скалярных и векторных бозонов» [67] , что было довольно неясным намеком на возможное существование еще одного, массивного бозона с нулевым спином, квантовой частицы поля Хиггса.

67

Higgs P. // Physical Review Letters. 13, 509. 1964.

Он и станет известен как бозон Хиггса.

Может быть, удивительно, но те, для кого механизм Хиггса мог быть полезнее всего, в тот момент практически не обратили на него внимания.

Хиггс родился в английском городе Ньюкасл-апон-Тайн в 1929 году. В 1950-м он закончил Королевский колледж в Лондоне и четыре года спустя получил докторскую степень. Потом он поочередно работал в Эдинбургском университете и Имперском колледже в Лондоне. Хиггс вернулся в Эдинбургский университет в 1960 году, чтобы читать лекции по математической физике. В 1963 году он женился на Джоди Уильямсон, которая вместе с ним была активистом кампании за ядерное разоружение.