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

Красивый ответ был дан в 1934 году Энрико Ферми, который впервые по-настоящему применил теорию поля к фермионам. (Кстати, эти частицы были названы в честь Ферми.) Итак, Ферми предположил, что можно считать каждую из этих частиц колебанием соответствующего квантового поля и каждое поле чуточку влияет на другие, так же как игра на пианино в одной комнате заставляет струны пианино, стоящего в соседней комнате, тихонько колебаться в ответ. Нельзя сказать, что новые частицы волшебным образом создаются из ничего – просто колебания нейтронного поля постепенно превращаются в колебания протонного, электронного и антинейтринного полей. А поскольку это квантовая механика, мы не можем на самом деле представить себе это превращение как постепенное – мы должны наблюдать нейтрон либо как обычный нейтрон, либо как уже распавшийся, причем вероятности этих исходов математически рассчитываются.

Квантовая теория поля также помогает понять, как одна частица способна превратиться в другие, с которыми она даже непосредственно не взаимодействует. Классический пример, который скоро станет для нас очень важным, – бозон Хиггса, распадающийся на два фотона. Этот процесс кажется невозможным, потому что мы знаем, что фотоны не взаимодействуют непосредственно с полем Хиггса. Фотоны взаимодействуют с заряженными частицами, а поле Хиггса взаимодействует с массивными частицами. А мы знаем, что бозон Хиггса не заряжен, а фотоны не обладают массой.

Разгадка лежит в концепции виртуальных частиц, которые в действительности следует рассматривать как виртуальные поля. Бозон Хиггса появляется на свет как волна колебаний поля Хиггса. Это колебание способно возбудить колебания массивных частиц, с которыми поле Хиггса взаимодействует. Но эти колебания могут не дотянуть до уровня, достаточного для появления новых частиц, а вместо этого создадут колебания в еще одном поле, в данном случае – в электромагнитном. Вот так бозон Хиггса и превратится в фотоны: сначала он превращается в виртуальные заряженные массивные частицы, а те затем быстро превращаются в фотоны. Это как если бы у вас было два совершенно расстроенных друг относительно друга пианино, которые обычно не могут подстроиться друг под друга, но есть третий инструмент в комнате, например скрипка, которая достаточно легко настраивается в резонанс с ними обоими.

Законы сохранения

Из-за того что все частицы возникают из полей, даже частицы вещества могут появляться и исчезать. Но это не значит, что в природе воцарилась анархия. Оцените электрический заряд до и после нейтронных распадов. До распада это ноль, поскольку нейтрон – частица, не имеющая заряда. После распада он также равен нулю – протон имеет положительный заряд, а электрон имеет точно такой же отрицательный заряд, антинейтрино же не имеет заряда вообще. Оказывается, что и число кварков одно и то же до и после распада, так как один нейтрон производит один протон. Наконец, и число лептонов равно одному до и после распада, если считать лептон антиматерии как один лептон со знаком минус (и антикварк – одним кварком со знаком минус, если появляются какие-нибудь антикварки). Нейтрон состоит из трех кварков и не содержит лептонов, а при распаде в продуктах его распада также содержится три кварка (в протоне) и нет лептонов (один в электроне и минус один в антинейтрино). Вот поэтому при распаде нейтрона и образуется антинейтрино, а не нейтрино.

Эти ненарушаемые правила являются законами сохранения, которые определяют, какие взаимодействия частиц разрешены природой, а какие – нет. Наряду с известным законом сохранения энергии есть также закон сохранения электрического заряда, числа кварков и числа лептонов. Некоторые законы сохранения более строгие, чем другие. Например, физики подозревают, что иногда число кварков и лептонов во взаимодействиях может не сохраняться (очень редко или в экстремальных условиях), но большинство уверено в том, что и энергия, и электрический заряд сохраняются абсолютно всегда.

Пользуясь этими правилами, мы можем понять, какие частицы распадутся, а какие из них живут вечно. Общее правило гласит: тяжелые частицы обычно распадаются на более легкие, если при этом не нарушаются никакие законы сохранения. Электрический заряд сохраняется, и электроны являются самыми легкими заряженными частицами, поэтому они совершенно стабильны. Число кварков сохраняется, и протон является самой легкой частицей с ненулевым числом кварков, так что он также стабилен (насколько мы знаем). Нейтроны не являются стабильными, но в содружестве с протонами могут образовывать стабильные ядра.

Бозон Хиггса – очень тяжелая частица с нулевым зарядом, которая не является ни кварком, ни лептоном, и она распадается, причем так быстро, что мы никогда не сможем наблюдать ее непосредственно в детекторе частиц. Это одна из причин того, почему ее было так трудно найти и почему успех ученых так нас всех обрадовал.

Глава 8 Разбитое зеркало

Мы тщательно исследуем бозон Хиггса и поле, из которого он образуется, а также выясняем, как он нарушает симметрию и определяет вид Вселенной.

Я сижу за столом в пустом зале для семинаров Калифорнийского технологического института, а напротив меня, по другую сторону стола, сидит местный тележурналист Хэл Эйснер. Между нами – огромная миска попкорна. Эйснер берет кукурузное зернышко, машет им перед моим носом и спрашивает (а на самом деле умоляет объяснить), что же это такое – бозон Хиггса. «Если бы не было бозона Хиггса, это зернышко взорвалось бы? Ведь правда, оно ведь взорвалось бы?»

Тот разговор наш случился 10 сентября 2008 года – в день, когда первые протоны пролетели по кольцу БАКа. Для предыдущего поколения ускорителей запуск был обычным делом, за которым внимательно следила лишь небольшая группа заинтересованных физиков, остальное человечество это событие не интересовало. Но с БАКом все обстояло иначе – внимание всего мира было сосредоточено на нескольких протонах, набиравшихся сил, чтобы в первый раз пролететь весь 27-километровый путь по кольцу.

Именно поэтому в Калтех и другие университеты, расположенные в разных городах и странах, пришли журналисты: они хотели первыми написать о сенсационном событии. В Женеве было раннее утро, а у нас – поздняя ночь предыдущего дня, поскольку время в Калифорнии отстает на девять часов от европейского. Компьютеры были включены, и все могли следить за событиями, хотя сильно возросшая нагрузка на серверы ЦЕРНа вскоре обрушила их. Вскоре заказали пиццу, что существенно помогло собравшимся ученым комфортно перенести ожидание. (Довольно много атомов в организме типичного физика хоть один раз да побывали атомами пиццы.)

И все же слушатели местных новостей резонно задавались вопросом: «Подумаешь, большое дело! Мы знаем, что все это важно, но вот почему?» И всегда одним из первых ответов был такой: «Потому что мы хотим найти бозон Хиггса». Хорошо, ну а почему этот бозон так важен? Что-то связано с массой и нарушением симметрий. Давайте сосредоточимся на главном вопросе: взорвется ли кукурузное зерно?

Правильный ответ «да», взорвется, если бозон Хиггса (или точнее, поле Хиггса, в котором бозон распространяется в виде волны) внезапно исчезнет. Тогда частички обычного вещества больше не смогут удерживаться вместе, и такие предметы, как кукурузные зернышки, сразу взорвутся. Но было бы неправильно думать о бозоне Хиггса как о своего рода силе, которая связывает атомы друг с другом. Поле Хиггса – поле, которое пронизывает все пространство, оно придает массу таким частицам, как электроны, позволяя им образовать атомы, которые, в свою очередь, связываются в молекулы. Без поля Хиггса не было бы атомов, а была бы просто куча частиц, одиноко летающих во Вселенной.

Огромной проблемой нынешней науки является трудность перевода глубоких понятий современной физики на язык повседневной жизни. Вы хотите сказать (несомненно) совершенно правильные вещи, но вы хотите еще, чтобы у людей создалось правильное впечатление, а это не одно и то же. Бессмысленно говорить правильные вещи, если никто не поймет ни слова из того, что вы говорите. Более того, может случиться, что слушатели на основании ваших объяснений даже начнут неправильно представлять себе те или иные явления природы.