Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| про-
блема иерархии . Проблема иерархии касается вопроса о том, по- чему массы частиц — и масса хиггса, в частности — принимают именно те значения, которые мы знаем. Почему масштаб масс, соответствующий слабому взаимодействию, — а именно он опре- деляет массы элементарных частиц — в десять тысяч триллионов раз (иначе говоря, в 10 16 раз) меньше, чем масса Планка, опреде- ляющая силу гравитационного взаимодействия (рис. 54). Громадность массы Планка относительно слабой массы соот- ветствует относительной слабости гравитационного взаимодей- ствия, сила которого обратно пропорциональна массе Планка. Если эта масса так велика — а мы это знаем, — то сила тяготения должна быть чрезвычайно слабой. Факты говорят о том, что тяготение — самое слабое из всех из- вестных взаимодействий. На первый взгляд тяготение не кажется очень уж слабым, но только потому, что каждого из нас притяги- вает вся громадная масса Земли. Если вместо этого рассмотреть гравитационное притяжение между двумя электронами, то выяс- нится, что она на 43 порядка величины меньше силы электромаг- нитного взаимодействия между ними. Гравитация, действующая на элементарные частицы, пренебрежимо мала. В этом контексте БОЗОН ХИГГСА 367 проблема иерархии звучит примерно так: почему сила гравитаци- онного взаимодействия настолько слабее остальных известных нам фундаментальных сил? G ТВО- частица ТВО- античастица H Хиггс H Хиггс t t-кварк H Хиггс H Хиггс анти-t-кварк - t - G РИС . 55. Квантовый взнос в массу бозона Хиггса со стороны тяжелой частицы (к примеру, обладающей массой масштаба Теории великого объединения) и ее античастицы ( слева ) и со стороны виртуального истинного кварка и его антикварка ( справа ) Специалисты по физике элементарных частиц не любят, когда столь большие числа, как отношение массы Планка к массе сла- 0 3 6 9 12 15 18 21 ( ГэВ ) 16 порядков величины 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Планковский масштаб Длина (см) ( ТэВ ) Энергия (ГэВ) -30 -25 -20 -15 -10 -5 Масштаб слабых взаимодействий (10 3 ГэВ 10 -17 см) (10 19 ГэВ, 10 -33 cм) РИС . 54. Проблема иерархии в физике элементарных частиц: мас- штаб энергий слабого взаимодействия на 16 порядков меньше, чем планковский масштаб, связанный с гравитацией. Соответствен- но, планковская длина намного меньше расстояний, доступных БАКу 368 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ бого взаимодействия, остаются необъясненными. Согласно кван- товой теории поля, объединяющей в себе квантовую механику и специальную теорию относительности, особой разницы между этими двумя показателями быть не должно. Для теоретиков это очень серьезно. По существу, квантовая теория поля утверждает, что масса слабого взаимодействия и массовая константа Планка должны быть примерно равны. В квантовой теории поля масса Планка важна не только пото- му, что определяет масштаб, на котором сильна гравитация. По- мимо всего прочего это масса, на которой существенны и гравита- ция, и квантовая механика и на которой физические правила в том виде, в каком мы их знаем, должны нарушаться. Однако на более низких энергиях мы умеем проводить расчеты и составлять про- гнозы на основе квантовой теории поля, и большое количество успешных предсказаний убеждает физиков в том, что эта теория верна. Более того, наиболее точно измеренные физические вели- чины вполне согласуются с предсказаниями квантовой теории поля. Такая согласованность не случайна. А вот при попытке применить те же принципы к бозону Хиггса и учесть квантово-механический вклад в его массу от виртуальных частиц возникают тревожные факторы. Получается, что виртуаль- ный вклад практически любой известной нам частицы придает частице Хиггса массу, сравнимую с массой Планка. Такими про- межуточными частицами могут быть как тяжелые объекты, такие как частицы с громадной массой масштаба Теории великого объ- единения (рис. 55, слева ), так и обычные частицы Стандартной модели, такие как t-кварки (рис. 55, справа ). Результат тот же; в любом случае виртуальная поправка делает массу хиггса слиш- ком большой. Проблема в том, что дозволенные энергии вирту- альных частиц, участвующих в обмене, могут достигать энергии Планка. В этом случае вклад их в массу хиггса может быть почти таким же большим. Но тогда масштаб масс, на котором спонтанно нарушается симметрия, связанная со слабым взаимодействием, тоже будет соответствовать энергии Планка, а это на 16 порядков большие величины — в десять тысяч триллионов раз — это слиш- ком много! БОЗОН ХИГГСА 369 Проблема иерархии очень остро стоит для Стандартной моде- ли с одним бозоном Хиггса. Технически лазейка в этой структуре имеется. Масса хиггса без учета виртуальных составляющих мо- жет оказаться громадной и принимать именно то значение, что- бы скомпенсировать виртуальные составляющие как раз до не- обходимого нам уровня точности. Проблема в том, что это, хотя и возможно, означало бы, что надо аккуратно компенсировать шестнадцать десятичных знаков. Все мы, физики, считаем, что проблема иерархии (именно под таким названием известна несогласованность масс) указывает на нечто большее — и лучшее — в фундаментальной теории. Пока ни одна простая модель не смогла полностью справиться с этой проблемой. Все перспективные варианты связаны с тем, чтобы расширить Стандартную модель и приписать ей новые свойства. Решение проблемы иерархии наряду с выяснением принципа дей- ствия механизм Хиггса является основной задачей БАКа — и те- мой следующей главы. |