Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| бозон Хиггса,
или хиггс . ПОИСК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ «Хиггс» означает не только человека и механизм, но и название предполагаемой частицы. Бозон Хиггса — ключевое недостающее звено Стандартной модели * . Это признак существования механиз- * Дебатируется также вопрос о том, относятся ли к Стандартной модели правые нейтрино. Даже если таковые присутствуют, они, скорее всего, чрезвычайно тяжелы и не слишком важны для низкоэнергетических процессов. — Прим. авт. 354 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ма Хиггса, который мы надеемся обнаружить в ходе эксперимен- тов на Большом адронном коллайдере. Его открытие подтверди- ло бы теоретические построения и показало бы, что поле Хиггса действительно пронизывает вакуум. У нас есть серьезные основа- ния считать, что механизм Хиггса действует во Вселенной — ведь никто не может без него сконструировать сколько-нибудь разум- ную теорию, которая объясняла бы массы элементарных частиц. Мы также считаем, что в самом скором времени должны появить- ся и какие-то экспериментальные доказательства в пользу наших теоретических построений, поскольку БАК вот-вот должен начать эксперименты на соответствующем масштабе энергий. Скорее всего, этим доказательством будет бозон Хиггса. Отношения между полем Хиггса, составляющим часть ме- ханизма Хиггса, и бозоном Хиггса, который представляет собой реальную частицу, достаточно сложны, но очень напоминают от- ношения между электромагнитным полем и фотоном. Вы можете ощутить действие классического магнитного поля, просто поднеся магнит к холодильнику, хотя никаких реальных физических фото- нов при этом не возникает. Классическое поле Хиггса — поле, су- ществующее даже при отсутствии квантовых эффектов — прони- зывает все пространство и может принимать ненулевое значение, оказывая, таким образом, влияние на массы частиц. Но ненулевое значение поля может возникать и в том случае, когда реальных частиц в пространстве нет. Однако если что-нибудь «заденет» поле, то есть передаст ему немного энергии, то эта энергия может породить флуктуации поля, которые, в свою очередь, приведут к рождению частицы. Если речь идет об электромагнитном поле, родится фотон. Если речь идет о поле Хиггса, родится бозон Хиггса. Поле Хиггса про- низывает пространство и отвечает за нарушение электрослабой симметрии. Частица Хиггса, с другой стороны, возникает из поля Хиггса везде, где есть энергия: к примеру, в БАКе. О том, что поле Хиггса существует, свидетельствует существование массы у эле- ментарных частиц само по себе. Открытие бозона Хиггса на БАКе усилило нашу убежденность в том, что за происхождение этой массы отвечает именно механизм Хиггса. БОЗОН ХИГГСА 355 Иногда пресса — а вслед за ней и публика, падкая на громкие и интригующие названия — называет бозон Хиггса «частицей Бога». Репортерам нравится это название, потому что на него об- ращают внимание; именно поэтому, кстати, это случайное выра- жение в устах физика Леона Ледермана было подхвачено с таким энтузиазмом. Бозон Хиггса — замечательное открытие, но его «псевдоним» не стоит воспринимать всерьез. Возможно, это прозвучит излишне наукообразно, но суще- ствование новой частицы, играющей роль бозона Хиггса, очень солидно обосновано. Помимо изложенного выше теоретическо- го обоснования, этого требует структура Стандартной модели. Представьте, что фундаментальная теория предусматривала бы массивные частицы, а механизма Хиггса для объяснения массы не существовало. В этом случае, как объяснялось в начале главы, предсказания для высокоэнергетических взаимодействий вы- глядели бы абсурдно — в них появлялись бы даже вероятности больше единицы. Разумеется, мы не можем верить таким пред- сказаниям. Стандартная модель без дополнительных структур не- избежно оказалась бы неполной. Единственный выход — введение дополнительных частиц и взаимодействий. Теория с участием бозона Хиггса аккуратно обходит пробле- мы высокоэнергетических прогнозов. Взаимодействия с бозоном Хиггса не только изменяют прогноз для высокоэнергетических взаимодействий, но полностью устраняют «неправильное» по- ведение частиц на высоких энергиях. Разумеется, это не просто совпадение. Это именно то, что гарантирует механизм Хиггса. Мы пока не знаем наверняка, верно ли мы предсказываем реаль- ные следствия действия механизма Хиггса, но физики уверены, что в масштабе слабого взаимодействия должна появиться новая частица или несколько частиц. Исходя из этих соображений, мы уверены, что новые частицы или взаимодействия, «спасающие» теорию, не могут быть слиш- ком тяжелыми или происходить при слишком высоких энергиях. При отсутствии дополнительных частиц некорректные предска- зания появляются уже на энергиях около 1 ТэВ. Поэтому можно сказать, что бозон Хиггса (или что-то иное, что играет ту же роль) 356 МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ не только существует, но и должен быть достаточно легким, чтобы попасть в пределы доступных БАКу энергий. Точнее говоря, расче- ты показывают: чтобы Стандартная модель не давала некоррект- ных предсказаний для высокоэнергетических взаимодействий, необходимо, чтобы масса бозона Хиггса не превосходила 800 ГэВ. В реальности мы ожидаем, что бозон Хиггса окажется заметно легче этого показателя. Существующие теории тяготеют к отно- сительно легкому бозону Хиггса — большая часть теоретических предположений указывает на массу, лежащую лишь чуть выше предела, достигнутого в экспериментах 1990-х гг. на LEP, то есть чуть выше 114 ГэВ. Если бы бозон Хиггса был легче названной величины, его можно было бы получить и обнаружить на LEP, и многие в то время думали, что стоят на пороге открытия. Сегод- ня большинство физиков считает, что масса бозона Хиггса должна быть очень близка к этой величине и, по всей видимости, не пре- восходит 140 ГэВ. Самый весомый аргумент в пользу легкого бозона Хиггса ос- нован на экспериментальных данных — не только на результа- тах поиска самого бозона, но и на результатах измерения других величин Стандартной модели. Предсказания Стандартной моде- ли очень хорошо согласуются с результатами измерений, и даже небольшие отклонения могли бы нарушить эту согласованность. Бозон Хиггса влияет на предсказания Стандартной модели через квантовые эффекты. При слишком тяжелом бозоне Хиггса эти эффекты были бы слишком велики, и согласованность между экс- периментальными данными и теоретическими предсказаниями нарушалась бы. Напомню, что согласно квантовой механике в любом взаимо- действии принимают участие и виртуальные частицы. Они по- являются на краткий миг и исчезают вновь, какое бы начальное состояние вы ни выбрали, и вносят свой вклад в итоговое взаимо- действие. Так что хотя многие процессы Стандартной модели про- ходят вообще без участия бозона Хиггса, обмен частицей Хиггса тем не менее влияет на все предсказания в рамках Стандартной модели, такие как скорость распада калибровочного Z-бозона на кварки и лептоны и отношение масс W- и Z-бозонов. Влияние |