Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| E
= mc 2 . И все же в Стандартной модели без механизма Хиггса массы частиц навсегда остались бы загадкой. Мысль о том, что частицы не имеют изначальных прав на свои массы, звучит весьма авторитарно. Казалось бы, каждая частица должна иметь возможность выбора, иметь ей ненулевую массу по- коя или нет. Однако тонкая структура Стандартной модели и лю- бой теории взаимодействий правит твердой рукой и не оставляет своим подданным свободы выбора. Она ограничивает типы до- зволенных масс. Для калибровочных бозонов объяснение звучит немного иначе, нежели для фермионов, но базовая логика в том и другом случае имеет отношение к симметриям, лежащим в ос- нове любой теории взаимодействий. Стандартная модель физики элементарных частиц включает в себя электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, при- чем каждое взаимодействие связано с одним из типов симметрии. Без симметрии теория этих взаимодействий, основанная на кван- товой механике и специальной теории относительности, предска- зывала бы для калибровочных бозонов — частиц, ответственных за передачу взаимодействий — слишком много колебательных режимов, или мод. Если теория не включает симметрию, теоре- тические расчеты дают бессмысленные предсказания: к примеру, что вероятность высокоэнергетических взаимодействий выше, чем вероятность случайных колебательных мод. Ясно, что в лю- бом точном описании природы такие нефизические частицы — частицы, которые не могут в реальности существовать, потому что колеблются не в том направлении — должны быть заранее исключены. БОЗОН ХИГГСА 345 Можно сказать, что симметрии действуют как спам-фильтры или, может быть, скорее как контроль качества. В любой теории взаимодействий симметрии действуют как фильтры и отбрасы- вают те элементы, которые неправильно себя ведут. Дело в том, что взаимодействия между нежелательными частицами не уважа- ют симметрий, тогда как частицы, взаимодействующие с сохране- нием необходимых симметрий, колеблются, как надо. Таким об- разом, симметрии гарантируют, что теоретические прогнозы каса- ются только физических частиц, а потому имеют смысл и должны совпадать с результатами экспериментов. Исходя из вышесказанного симметрии позволяют сформули- ровать теорию взаимодействий более тонко. Вместо того чтобы исключать в каждом расчете нефизические режимы по одному, симметрии одним широким взмахом исключают из расчета сразу все нефизические частицы. Любая теория с симметричными вза- имодействиями рассматривает только физические колебательные режимы, поведение которых, собственно, мы и хотим описать. Все это замечательно работает в любой теории взаимодей- ствий, где переносчики этих взаимодействий имеют нулевую мас- су покоя. В симметричных теориях все предсказания в отношении высокоэнергетических взаимодействий имеют смысл, а участвуют в них только физические, то есть реально существующие в при- роде, колебания. Для безмассовых калибровочных бозонов задача высокоэнергетических взаимодействий решается относительно просто, потому что ограничения соответствующей симметрии устраняют из теории все нефизические, неправильно ведущие себя колебания. Таким образом, симметрии решают одновременно две задачи: устранение нефизических колебаний и связанных с ними некор- ректных прогнозов. Однако калибровочный бозон с ненулевой массой облада- ет дополнительным физическим — существующим в приро- де — режимом колебаний. Именно к этой категории относятся калибровочные бозоны, передающие слабое взаимодействие. Симметрии устранили бы слишком большую долю их колеба- тельных режимов. Без какого-то нового, дополнительного ин - 346 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ гредиента массы слабых бозонов никак не укладываются в Стан- дартную модель с ее симметриями. Для калибровочных бозонов с ненулевыми массами мы вынуждены учитывать неправиль- но ведущие себя колебания, а это значит, что решение задачи о высокоэнергетических взаимодействиях перестает быть таким уж простым. Чтобы теория давала разумные прогнозы, необхо- димо что-то еще. Далее, ни одна из элементарных частиц Стандартной моде- ли без учета модели Хиггса не может обладать ненулевой массой и соответствовать при этом всем симметриям теории взаимодей- ствий. В присутствии симметрий, связанных с взаимодействия- ми, кварки и лептоны в безхиггсовской Стандартной модели тоже не могли бы обладать ненулевыми массами. В главе 14 мы представили таблицу, в которой присутствуют как левые, так и правые фермионы — частицы, которые стано- вятся парными при ненулевых массах. Кварки или лептоны, об- ладающие ненулевыми массами, порождают взаимодействия, ко- торые превращают левые фермионы в правые. Но, чтобы левые и правые фермионы способны были превращаться друг в друга, те и другие должны участвовать в одних и тех же взаимодействиях. В то же время эксперименты показывают, что слабое взаимодей- ствие иначе действует на левые фермионы, чем на правые, в ко- торые могут превращаться массивные кварки и лептоны. Такое нарушение пространственной симметрии при первом знакомстве кажется поразительным. В конце концов, остальные известные за- коны природы не различают левое и правое. Но эта замечательная особенность — то, что слабое взаимодействие по-разному отно- сится к левому и правому — была продемонстрирована экспери- ментально и представляет собой существенную характеристику Стандартной модели. Тот факт, что левые и правые кварки и лептоны взаимодейству- ют по-разному, говорит о том, что без дополнительного ингреди- ента ненулевые массы кварков и лептонов никак не согласуются с известными физическими законами. Эти ненулевые массы связа- ли бы частицы, несущие слабый заряд, с частицами, такого заряда не несущими. БОЗОН ХИГГСА 347 Иными словами, поскольку слабый заряд несут только левые частицы, он может теряться. Судя по всему, заряд при этом ухо- дит в вакуум — пространство, не содержащее никаких частиц. Вообще-то, такого происходить не должно. Заряды должны сохра- няться. Если заряд может появляться и исчезать, симметрии, свя- занные с соответствующим взаимодействием, оказываются нару- шенными — и у нас вновь появятся причудливые вероятностные прогнозы высокоэнергетических взаимодействий калибровочных бозонов. Заряды не должны волшебным образом появляться и ис- чезать, если вакуум на самом деле пуст и не содержит ни частиц, ни полей. Но заряды вполне могут появляться и исчезать, если вакуум на самом деле не пуст, а содержит жүктеу/скачать 8,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|