1. Маса - це прагнення до зигзагам
2. Механізм Хіггса і Стандартна модель фізики частинок
3. Чому у деяких частинок немає маси, а інші їй володіють?
4. Чому порожнє місце набито частинками Хіггса?
5. Звідки бозони Хіггса взагалі взялись?
6. Народження Всесвіту: ми живемо всередині гігантського конденсату

Сучасна фізика частинок покликана дати відповідь на питання про походження маси і дає його за допомогою прекрасного і дивного розділу фізики, пов'язаного з новою часткою. Ця частка називається бозоном Хіггса, і Великий адронний коллайдер (ВАК) вже близький до її виявлення. До вересня 2011 року на ВАК спостерігався цікавий об'єкт, подібний до бозона Хіггса, але поки відбулося недостатньо подій *, щоб вирішити, він це чи ні. Можливо, це були лише цікаві сигнали, які при подальшому розгляді зникли.

* Під «подією» мається на увазі зіткнення протона з протоном. Оскільки фундаментальна фізика - це рахункова гра, яка має справу з вірогідністю, необхідно продовжувати зіштовхувати протони, щоб накопичити достатню кількість цих дуже рідкісних подій, під час яких народжується частка Хіггса. Яка кількість вважати достатнім - залежить від того, наскільки правильно і впевнено експериментатори вміють враховувати при розгляді помилкові сигнали.

Маса - це прагнення до зигзагам

Питання про походження маси особливо чудовий тим, що відповідь на нього цінний і крім нашого очевидного бажання дізнатися, що таке маса. Спробуємо пояснити це досить загадкове і дивним чином сконструйоване пропозицію більш детально.

Коли ми говорили про фотонах і електронах в квантової електродинаміки, ввели правило переходу для кожного з них і відзначили, що ці правила відрізняються: для пов'язаного з переходом електрона з точки А в точку В ми використовували символ P (A, B), а для відповідного правила, пов'язаного з фотоном, - символ L (A, B). Настав час розглянути, наскільки сильно відрізняються правила в цих двох випадках. Різниця полягає, наприклад, в тому, що електрони діляться на два типи (як ми знаємо, вони «крутяться» одним з двох різних способів), а фотони - на три, але ця різниця нас зараз цікавити не буде. Ми звернемо увагу на інше: електрон має масу, а фотон - немає. Саме це ми і будемо досліджувати.

На рис. 11.4 показаний один з варіантів, як ми можемо уявити поширення частки, що володіє масою. Частка на малюнку перескакує з точки А в точку В за кілька стадій. Вона переходить з точки А в точку 1, з точки 1 в точку 2 і так далі, поки, нарешті, не потрапляє з точки 6 в точку В.

Мал. 11.4. Масивна частка, що рухається з точки A в точку В

Цікаво, однак, що в такому вигляді правило для кожного стрибка - це правило для частинки з нульовою масою, але з однією важливою обмовкою: кожен раз, коли частка змінює напрямок, ми повинні застосувати нове правило зменшення циферблата, причому величина зменшення обернено пропорційна масі описуваної частинки. Це означає, що при кожному перекладі годин циферблати, пов'язані з важкими частинками, зменшуються менш різко, ніж циферблати, пов'язані з більш легкими частинками. Важливо підкреслити, що це правило системне.

І зигзагообразное рух, і зменшення циферблата безпосередньо випливають з правил Фейнмана для поширення масивної частинки без якихось інших припущень *.

На рис. 11.4 показаний лише один спосіб потрапляння частинки з точки А в точку В - після шести поворотів і шести зменшень. Щоб отримати підсумковий циферблат, пов'язаний з масивної часткою, що переходить з точки А в точку В, ми, як завжди, повинні скласти нескінченну кількість циферблатів, пов'язаних з усіма можливими способами, якими частка може виконати свій зигзагоподібний шлях з точки А в точку В. Самий простий спосіб - прямий шлях без всяких поворотів, але доведеться взяти до уваги і маршрути з величезною кількістю поворотів.

Для частинок з нульовою масою зменшує коефіцієнт, пов'язаний з кожним поворотом, просто убивчий, тому що нескінченний. Іншими словами, після першого ж повороту ми зменшуємо циферблат до нуля. Таким чином, для частинок без маси має значення тільки прямий маршрут - інших траєкторіях просто не відповідає ніякої циферблат. Саме цього ми і очікували: для частинок без маси ми можемо використовувати правило стрибка. Однак для частинок з ненульовий масою повороти дозволені, хоча якщо частка дуже легка, то коефіцієнт зменшення накладає суворе вето на траєкторії з багатьма поворотами.

Таким чином, найбільш ймовірні маршрути містять мало поворотів. І навпаки, важким частинкам не грозить занадто великий зменшує коефіцієнт при повороті, так що вони частіше описуються маршрутами з зигзагоподібним рухом. Тому можна вважати, що важкі частинки можна вважати частинками без маси, які рухаються з точки А в точку В зигзагоподібно. Кількість зигзагів - це і є те, що ми називаємо «масою».

Мал. 11.5. Частинки зі зростаючою масою рухаються з точки A в точку В. Чим масивніша частка, тим більше зигзагів в її русі

Все це чудово, тому що тепер у нас з'явився новий спосіб представлення масивних частинок. На рис. 11.5 показано поширення трьох різних частинок зі зростаючою масою з точки А в точку В. У всіх випадках правило, пов'язане з кожним «зигзагом» їх шляху, збігається з правилом для частинки без маси, і за кожен поворот доводиться розплачуватися зменшенням циферблата. Але не слід занадто радіти: поки ми ще не пояснили нічого фундаментального.

Все, що поки вдалося зробити, - це замінити слово «маса» словами «прагнення до зигзагам». Це можна було зробити, тому що обидва варіанти - математично еквівалентні опису поширення масивної частинки.

Але навіть при таких обмеженнях наші висновки здаються цікавими, а зараз ми дізнаємося, що це, виявляється, не просто математичний курйоз.

На даний момент на Великому адронному колайдері відбуваються зіткнення протонів загальної енергією в 7 тераелектронвольт. ТеВ - це тераелектронвольт, що відповідає енергії, яку мав би електрон, пропущений через різницю потенціалів в 7 000 000 мільйонів вольт. Для порівняння зазначимо, що приблизно така енергія, яку субатомні частинки мали через трильйонну частку секунди після Великого вибуху, і цієї енергії досить, щоб створити прямо з повітря масу, еквівалентну масі 7000 протонів (відповідно до формули Ейнштейна E = mc2). І це лише половина розрахункової енергії: при необхідності ВАК може включити і більш високі обороти.

* Те, що ми можемо вважати масивну частку часткою без маси, до якої застосовується правило «повороту», виходить з рівняння P (A, B) = L (A, B) + L (A, 1) L (i, B) 6 + L (A, 1) L (i, 2) L (2, B) S2 + L (A, 1) L (i, 2) L (2, 3) L (3, B) S3 + .. ., де S - коефіцієнт зменшення, що асоціюється з кожним поворотом. Тобто необхідно підсумувати всі можливі проміжні точки - 1, 2, 3 і т. Д.

Механізм Хіггса і Стандартна модель фізики частинок

Одна з основних причин, по яким 85 країн всього світу з'єднали сили, створили цей гігантський зухвалий експеримент і керують їм, - прагнення знайти механізм, який відповідає за створення маси фундаментальних частинок.

Найбільш поширена ідея походження маси полягає в її зв'язку з зигзагами і встановлює нову фундаментальну частку, на яку «наштовхуються» інші частинки в своєму русі по Всесвіту.

Ця частинка - бозон Хіггса. Відповідно до Стандартної моделлю, без бозона Хіггса фундаментальні частинки перескакували б з місця на місце без всяких зигзагів, і Всесвіт був би зовсім інший.

Але якщо ми заповнимо порожнє місце частинками Хіггса, вони зможуть відхиляти частки, змушуючи їх робити зигзаги, що веде до появи «маси».

Приблизно так, як ви йдете через переповнений бар: вас штовхають то зліва, то справа, і ви практично зигзагами пробираєтеся до стійки.

Механізм Хіггса отримав своє ім'я на честь едінбурзького теоретика Пітера Хіггса; це поняття було введено в фізику частинок в 1964 році. Ідея, очевидно, носилася в повітрі, тому що її висловили в один і той же час відразу кілька людей: по-перше, звичайно, сам Хіггс, а також Роберт Браут і Франсуа Енглер, що працювали в Брюсселі, і лондонці Джеральд Гуральник, Карл Хейган і Том Кіббл.

Їх роботи, в свою чергу, грунтувалися на більш ранніх працях багатьох попередників, в тому числі Вернера Гейзенберга, YOітіро Намбу, Джеффрі Голдстоуна, Філіпа Андерсона і Стівена Вайнберга. Повний осмислення цієї ідеї, за яке в 1979 році Шелдон Глешоу, Абдус Салам і Вайнберг отримали Нобелівську премію, - це і є не що інше, як Стандартна модель фізики частинок .

Сама ідея досить проста: порожнє місце насправді не порожньо, що і призводить до зигзагоподібному руху і появи маси. Але нам, очевидно, потрібно ще багато чого пояснити. Як же виявилося, що пусте місце раптом стало набито частинками Хіггса, - хіба ми не помітили б цього раніше? І як це дивний стан речей взагалі виникло? Пропозиція дійсна здається досить екстравагантним. Крім того, ми не пояснили, чому у деяких частинок (наприклад, у фотонів) немає маси, а інші (W-бозони і топ-кварки) мають масу, яку можна порівняти з масою атома срібла або золота.

Чому у деяких частинок немає маси, а інші їй володіють?

На друге питання відповісти легше, ніж на перший, принаймні на перший погляд. Частинки взаємодіють один з одним тільки за правилом розсіювання; не відрізняються в цьому відношенні і частки Хіггса. Правило розсіювання для топ-кварка припускає можливість його злиття з часткою Хіггса, і відповідне зменшення циферблата (пам'ятаєте, що при всіх правилах розсіювання діє зменшує коефіцієнт) буде набагато менш значним, ніж у випадку з більш легкими кварками. Ось «чому» топ-кварк настільки масивніше, ніж верхній кварк. Однак це, зрозуміло, не пояснює, чому правило розсіювання саме таке.

У сучасній науці відповідь на це питання бентежить: «Тому що». Це питання на кшталт іншим: «Чому поколінь частинок саме три?» І «Чому сила тяжіння така слабка?» Точно так же для фотонів немає правила розсіювання, яке давало б їм можливість скласти пару з частинками Хіггса, в результаті вони з ними і не взаємодіють . Це, в свою чергу, призводить до того, що вони не рухаються зигзагами і не мають маси. Хоча ми, можна сказати, зняли з себе відповідальність, все ж це хоч якесь пояснення. І вже точно можна сказати, що якщо ВАК допоможе виявити бозони Хіггса і підтвердити, що вони дійсно утворюють пари з іншими частинками подібним чином, то ми можемо з упевненістю заявити, що знайшли можливість дивним чином підглянути за тим, як працює природа.

Чому порожнє місце набито частинками Хіггса?

На перший же з наших питань знайти відповідь дещо складніше. Нагадаємо, ми цікавилися: як вийшло, що порожній простір виявилося заповнене частинками Хіггса? Для розігріву скажемо наступне: квантова фізика стверджує, що немає такого поняття, як порожній простір. Те, що ми так називаємо, - це кипучий вир субатомних частинок, від яких ніяк не можна звільнитися. Усвідомивши це, ми вже набагато простіше поставимося до того, що порожній простір може бути повно частинок Хіггса. Але про все по порядку.

Уявіть собі маленький шматочок міжзоряного простору - самотній куточок Всесвіту в мільйонах світлових років від найближчої галактики. Згодом виявляється, що частинки постійно виникають там нізвідки і зникають в нікуди.

Чому? Справа в тому, що правила дозволяють процес створення і анігіляції античастинки-частинки. Приклад можна знайти на нижній діаграмі рис. 10.5 : Уявіть, що на ньому немає нічого, крім електронної петлі. Тепер діаграма відповідає раптового виникнення і подальшого зникнення електрон-позитронної пари. Так як креслення петлі не порушує ніяких правил квантової електродинаміки, ми повинні визнати, що це реальна можливість: пам'ятайте, все, що може трапитися, трапляється.

Ця конкретна можливість - всього один з нескінченної кількості варіантів бурхливого життя пустого простору, і, оскільки ми живемо в квантової Всесвіту, правильно буде підсумовувати всі ці ймовірності. Іншими словами, структура вакууму неймовірно багата і складається з усіх можливих способів появи і зникнення частинок.

В останньому абзаці ми згадали, що вакуум не так вже порожній, але картина його існування виглядає досить демократичною: всі елементарні частинки грають свої ролі.

Що ж так відрізняє саме бозон Хіггса? Якби вакуум був всього лише кипучої живильним середовищем для народження і анігіляції пар антиматерія-матерія, то всі елементарні частинки продовжували б володіти нульовою масою: самі по собі квантові петлі масу не породжують *. Ні, потрібно населити вакуум чимось іншим, і тут в гру вступає цілий вагон частинок Хіггса.

Пітер Хіггс просто зробив припущення, що порожній простір повно якимись частками, не відчуваючи себе зобов'язаним пускатися в глибокі пояснення, чому це так. Частинки Хіггса в вакуумі створюють зігзаговий механізм, а також постійно, без відпочинку взаємодіють з кожної масивної часткою у Всесвіті, вибірково сповільнюючи їх рух і створюючи масу. Загальний результат взаємодій між звичайною матерією і вакуумом, наповненим частинками Хіггса, полягає в тому, що світ з аморфного стає різноманітним і чудовим, населеним зірками, галактиками і людьми.

* Це тонкий момент, який виводиться з «калібрувальної інваріантності», що лежить в основі правил переходу і розсіювання для елементарних частинок.

Звідки бозони Хіггса взагалі взялись?

Звичайно, виникає нове запитання: звідки бозони Хіггса взагалі взялись? Відповідь поки невідомий, але вважається, що це залишки так званого фазового переходу, який стався незабаром після Великого вибуху.

Якщо досить довго дивитися на віконне скло зимовим вечором, коли стає холодніше, ви побачите, як з водяної пари нічного повітря, немов за помахом чарівної палички, виникає структуроване досконалість крижаних кристалів. Перехід від водяної пари до льоду на холодному склі - це і є фазовий перехід, оскільки молекули води переформує в крижані кристали; це спонтанне порушення симетрії аморфного хмари пари внаслідок зниження температури.

Крижані кристали формуються, тому що це енергетично сприятливо. Як м'яч котиться з гори, щоб внизу прийти до більш низького енергетичного стану, як електрони перебудовуються навколо атомних ядер, формуючи зв'язку, які утримують молекули разом, так і виточена краса сніжинки - це конфігурація молекул води з більш низькою енергією, ніж безформне хмара пара.

Народження Всесвіту: ми живемо всередині гігантського конденсату

Ми вважаємо, що щось подібне сталося і на початку історії Всесвіту. Новонароджена Всесвіт представляв собою спочатку гарячі частинки газу, потім розширилася і охолола, і з'ясувалося, що вакуум без бозонів Хіггса виявився енергетично несприятливих, і природним стало стан вакууму, повного частинок Хіггса.

Цей процес, по суті, схожий з конденсацією води в краплі або крижинки на холодному склі. Спонтанне утворення крапельок води при їх конденсації на холодному склі створює враження, що вони просто утворилися «нізвідки». Так і у випадку з бозонами Хіггса: на гарячих стадіях відразу після Великого вибуху вакуум кипів швидкоплинними квантовими флуктуаціями (представленими петлями на наших діаграмах Фейнмана): частинки і античастинки виникали з нізвідки і знову зникали в нікуди. Однак потім, коли Всесвіт охолола, сталося щось радикальне: раптово, з нізвідки, як крапля води з'являється на склі, виник «конденсат» частинок Хіггса, які спочатку утримувалися разом завдяки взаємодії, об'єднані в недовговічну суспензія, через яку поширювалися інші частинки.

Уявлення про те, що вакуум заповнений матеріалом, передбачає, що ми, як і все інше у Всесвіті, живемо всередині гігантського конденсату, який виник при охолодженні Всесвіту, як виникає на світанку ранкова роса.

Щоб ми не думали, що вакуум знайшов зміст лише в результаті конденсації бозонів Хіггса, вкажемо, що в вакуумі є не тільки вони. У міру подальшого охолодження Всесвіту кварки і глюони теж конденсировались, і вийшли, що не дивно, кваркові і глюонів конденсати. Існування цих двох добре встановлено експериментально, і вони грають дуже важливу роль в нашому розумінні сильного ядерного взаємодії.

Насправді саме завдяки цій конденсації з'явилася велика частина маси протонів і нейтронів. Вакуум Хіггса, таким чином, в кінцевому рахунку створив спостерігаються нами маси елементарних частинок - кварків, електронів, тау-, W- і Z-частинок.

Кваркової конденсат включається в дело, коли нужно поясніті, что відбувається, если безліч кварків об'єднується в протон або нейтрон. Цікаво, что хоча Механізм Хіггса має відносно Небагато значення Для пояснення масі протонів, нейтронів и Важко атомних ядер, то Для пояснення мас W- и Z-частинок ВІН дуже важлівій. Для них кваркові і глюонів конденсати під час відсутності частки Хіггса створили б масу приблизно 1 ГеВ, але експериментально отримані маси цих часток приблизно в 100 разів вище.

Великий адронний коллайдер був призначений для роботи в енергетичній зоні W- і Z-частинок, щоб з'ясувати, який механізм відповідає за їх порівняно велику масу. Що це за механізм - довгоочікуваний бозон Хіггса або щось таке, про що ніхто і подумати не міг, - покажуть лише час і зіткнення частинок.

Б. Кокс, Д. Форшоу. Квантова всесвіт.