онов и нейтронов. Зачастую симметрии — это незаменимые ключи к тому, что происходит на более фундаментальном, недоступном нам уровне.
В начале 1960-х гг. физики-теоретики вдохновились новой идеей, согласно которой природа может подчиняться гораздо более богатому разнообразию симметрий, чем мы себе представляли. Идея заключалась в том, что законы природы, выраженные в виде математических уравнений, могут обладать симметриями, которыми не обладают физические явления, описываемые решениями этих уравнений. В подобных случаях мы говорим о нарушении симметрии — симметрии могут быть строгими свойствами законов природы, но при этом они не проявляются непосредственно в физических явлениях.
Нарушение симметрии имеет физические последствия, и речь идет не только о точечных последствиях вроде протон-нейтронной симметрии, которая распределяет частицы или ядерные состояния по семействам с одинаковыми энергетическими уровнями. В 1962 г. Джеффри Голдстоун, Абдус Салам и я, развивая ранние предположения, выдвинутые Голдстоуном и Йоитиро Намбу, доказали теорему, которая описывает вероятные общие последствия нарушения симметрий. Она гласит, что в любой теории, где нарушается симметрия, например протон-нейтронная симметрия, должны существовать частицы, не обладающие массой или спином, — по одному типу таких частиц на каждую нарушенную симметрию. Подобные новые частицы, не имеющие массы, не были известны, но они не могли бы спрятаться от детекторов, поскольку для их создания не требуется даже минимальный уровень энергии. Поэтому казалось, что факт их отсутствия говорит об отсутствии вероятности существования нарушенных симметрий в природе.
Исключение из этой теоремы было найдено в 1964 г. независимо тремя группами ученых. Этими учеными были Роберт Браут и Франсуа Энглер; Джералд Гуральник, Ричард Хаген и Томас Киббл; и Питер Хиггс (Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Kibble, Higgs — BEGHKH). Они указали, что теорема Голдстоуна не применима к определенному классу симметрий, которые называются локальными. Для этого типа симметрий преобразования, сохраняющие неизменными физические законы, могут изменяться от точки к точке в пространстве и времени. Для сохранения формы уравнений неизменной при таких преобразованиях теории с ненарушенными локальными симметриями должны содержать частицы с нулевой массой и некоторым конечным значением спина, равным постоянной Планка. Частица света фотон — одна из таких безмассовых частиц с конечным спином. Десятью годами ранее Янг Чжэньнин и Роберт Миллс описали огромный класс возможных новых локальных симметрий сильного взаимодействия, однако эти теории Янга — Миллса на тот момент не нашли какого-либо применения в реалистичных физических теориях. BEGHKH показали, что при нарушении локальной симметрии безмассовые частицы, открытые Голдстоуном и его коллегами, нужно понимать не как физические частицы, а как нечто, что придает массу частицам, которые иначе были бы безмассовыми частицами Янга — Миллса с конечным спином.
В статьях BEGHKH не предлагалось каких-то конкретных реалистичных теорий частиц и взаимодействий. В 1967 г. я без особого успеха пытался разработать теорию сильного ядерного взаимодействия на основе нарушенной локальной симметрии. В какой-то момент я осознал, что пытался применить хорошие идеи не в том месте. Верным применением было слабое ядерное взаимодействие, которое позволяет протону в радиоактивном ядре превращаться в нейтрон и наоборот. Оказалось, что итоговая теория описывает не только слабое ядерное, но и электромагнитное взаимодействие. Конечно, это было очень захватывающе. Чуть позже во многом аналогичная теория была независимо разработана Саламом. Кроме того, я выяснил, что Шелдон Ли Глэшоу, Салам и Джон Уорд исследовали теорию этого типа, только без включения в нее нарушенной симметрии или бозона Хиггса.
В моей теории и теории Салама существует локальная электрослабая симметрия, при нарушении которой возникает требование нулевой массы для электронов, кварков и частиц, которые переносят слабое взаимодействие. В исходной версии этой теории имеется также квартет безспиновых полей, которые принимают нулевые значения в вакууме при условии, что симметрия не нарушена. (Поля этого общего типа уже появлялись в пояснительных примерах нарушения локальной симметрии, представленных BEGHKH.) Электрослабая симметрия нарушается вследствие появления ненулевого значения для одного из этих четырех безспиновых полей, и в результате взаимодействия с этими полями электроны, кварки и частицы, переносящие слабое ядерное взаимодействие, приобретают массу. В этой теории только одно из четырех безспиновых полей рассматривается как физическая частица — электрически нейтральная безспиновая частица, взаимодействие которой описывается теорией, но масса которой, к сожалению, не известна. Эта частица — бозон Хиггса, поиском которого занят CERN.
К настоящему времени имеется множество экспериментальных подтверждений тому, что нарушенная локальная электрослабая симметрия действительно существует. Новые слабые взаимодействия, обязательные в рамках теории, были обнаружены в экспериментах CERN в 1973 г., а в 1984 г. также в CERN были открыты массивные частицы, которые переносят слабое ядерное взаимодействие, и в обоих случаях свойства взаимодействий и частиц были предсказаны нарушенной симметрией. Не до конца пока ясно, нарушается ли электрослабая симметрия именно так, как это описали Салам и я.
Существуют и другие варианты. Симметрия может быть нарушена из-за нескольких квартетов безспиновых полей, и в этом случае должно существовать несколько бозонов Хиггса со сложными свойствами. Еще более радикальный вариант был предложен независимо Леонардом Сасскиндом и мной: уравнения теории могут вообще не содержать безспиновых полей. Наоборот, в дополнение к известным электрослабому и сильному ядерному взаимодействиям может существовать еще более сильное техницветовое взаимодействие, которое переносится частицами, взаимодействующими с частицами, переносящими слабое взаимодействие, и таким образом нарушается электрослабая симметрия. В теории такого типа вместо бозона Хиггса должен появиться целый «зоопарк» новых частиц, удерживаемых вместе техницветовым взаимодействием. Так или иначе эксперименты на Большом адронном коллайдере дадут ответ на важный нерешенный вопрос о том, что является причиной нарушения электрослабой симметрии и придает элементарным частицам их массы.
Не менее важно, что на БАК могут быть открыты еще более восхитительные вещи. К настоящему моменту астрономы нашли несколько независимых свидетельств, доказывающих, что примерно 5/6 всей массы Вселенной принадлежат некоторой экзотической темной материи, которая служит основным источником гравитации в галактиках и скоплениях галактик, но при этом слабо взаимодействует, если вообще взаимодействует, с обычной материей. Ни одна из частиц, входящих в современную Стандартную модель элементарных частиц (в том числе электрослабое и сильное ядерное взаимодействия), не обладает нужными свойствами, чтобы ее можно было считать частицей темной материи. Многие теоретики предлагают различные возможные обобщения Стандартной модели и кандидатов на роль частиц, из которых состоит темная материя.
Среди наиболее вероятных из этих кандидатов можно назвать вимпы — слабо взаимодействующие массивные частицы. Это частицы, которые по отдельности устойчивы или, по крайней мере, могут существовать в течение миллиардов лет, но при этом в парах они аннигилируют и их энергия превращается в обычные частицы. Идея состоит в том, что в условиях горячего плотного состояния ранней Вселенной эти частицы должны были непрерывно создаваться и аннигилировать в парах до тех пор, пока расширение Вселенной не разредило их настолько, что они перестали сталкиваться друг с другом. Мы могли бы рассчитать, сколько таких частиц могло бы просуществовать до нашего времени, если бы знали их массу и насколько легко они аннигилируют. Или, по-другому, если мы допустим, что из этих вимпов состоит темная материя, и сделаем разумное предположение о том, как они аннигилируют, тогда мы сможем рассчитать их массу. Так называемое вимп-чудо состоит в том, что значение массы этих частиц должно лежать в диапазоне от 10 до 100 масс протона, то есть в том диапазоне масс, частицы из которого могут быть получены на БАК. Так что эксперименты CERN могут рассказать нам, из чего сделана большая часть Вселенной.
13. Почему бозон Хиггса?
После объявления в 2012 г. об открытии бозона Хиггса меня попросили объяснить на страницах газеты The International Herald Tribune, причину суеты. Статья, текст которой представлен в этой главе, появилась в редакторской рубрике в уик-энд 14–15 июля 2012 г. Другая моя статья на ту же тему вышла 16 августа 2012 г. в журнале The New York Review of Books.
В тексте я намеренно оставил открытым вопрос, действительно ли новая частица, обнаруженная в опытах CERN, является тем самым «бозоном Хиггса», существование которого было предсказано в 1967–1968 гг. теорией слабого и электромагнитного взаимодействий. Сегодня, после пяти лет продолжающихся экспериментов и исследований, в этом нет никаких сомнений. Измеренные значения скорости образования и скоростей различных вариантов распада согласуются с этой теорией.
Сообщение от 4 июля 2012 г. о том, что в лаборатории CERN в Женеве был получен «бозон Хиггса», стало мировой новостью. На следующий день The New York Times вынесла на первую полосу заголовок «Физики нашли неуловимую частицу, которая считается ключом ко Вселенной».
Почему столько шума? Время от времени в физике элементарных частиц происходили новые открытия, которые не привлекали столько внимания. Многие считают, что эта частица является важнейшим ключом к пониманию того, как все остальные элементарные частицы приобретают свои массы. Это верно, но нужно немного пояснить.
У нас есть хорошо проверенная теория элементарных частиц и взаимодействий между ними, известная как Стандартная модель. Центральной особенностью Стандартной модели является симметрия между двумя из описываемых ею типов взаимодействий — между электромагнитным и не столь широко известным слабым ядерным взаимодействием, которое обеспечивает первый этап в цепочке реакций, дающих Солнцу его энергию. Симметрия означает, что частицы, переносящие это взаимодействие, фигурируют в уравнениях теории совершенно одинаково. Можно заменить частицу света фотон, переносящую электромагнитное взаимодействие, на некоторую комбинацию W- и Z-частиц, которые переносят слабое взаимодействие, и уравнения сохранят свою форму.