Бозон Хиггса

В начале 1970-х годов было в основном завершено построение квантовой калибровочной теории элементарных частиц — Стандартной модели (СМ). Это теория электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, то есть трех из четырех известных в природе взаимодействий, исключая гравитацию. Хотя теория не является полной, до сих пор она в основном успешно объясняла все известные явления микромира. Исходная версия СМ не могла объяснить лишь открытые позже ненулевую массу и осцилляцию нейтрино. Модифицированная версия СМ позволила, однако, объяснить и эти явления. В июле 2012 года произошло долгожданное событие: на Большом адронном коллайдере было накоплено достаточно данных, подтвердивших существование так называемого бозона Хиггса.

Дело в том, что в Стандартной модели предполагается, что существует особое вездесущее хиггсовское поле и что кварки и лептоны обретают массу за счет взаимодействия с этим полем. Предсказал это поле ныне здравствующий британский ученый Питер Хиггс в 1964 году. А бозон Хиггса Х — не что иное, как квант этого поля. Это была единственная частица Стандартной модели, которая оставалась необнаруженной.

Масса бозона Х, согласно экспериментальным данным, весьма велика — примерно в 135 раз больше массы протона (поэтому для того, чтобы обнаружить его рождение, понадобилось строить Большой адронный коллайдер). Через короткое время бозон Хиггса распадается на пару кварк-антикварк, или на две пары лептон-антилептон, или на два фотона.

Хиггсовское поле пронизывает всё сущее, и все фундаментальные частицы — кварки и лептоны, а также промежуточные бозоны взаимодействуют с этим полем и поэтому обладают массой. Фотоны и глюоны не взаимодействуют напрямую с хиггсовским полем и остаются безмассовыми.

Хиггсовское поле отличается от всех других известных нам полей. Электромагнитное, слабое, сильное поля так или иначе выделяют определённое направление в пространстве. Такие поля называют векторными, а их квантами являются частицы со спином 1. А поле Хиггса не выделяет никакого направления в пространстве, и его кванты имеют нулевой спин. Такое поле называют скалярным. Существенно, что даже в состоянии вакуума это поле присутствует и сказывается на движении частиц определенным образом: оно затрудняет ускорение частиц, но не мешает их равномерному движению. А ведь именно ускорение связано с массой. Из-за взаимодействия с хиггсовским полем частицы становятся инертными — иными словами, у них появляется масса.

Простые механические аналогии могут пояснить, почему при движении частицы сквозь какую-то среду может появиться инертность. Возьмём кусок пенопласта и покрошим его на стол. Получившиеся маленькие пенопластовые шарики очень легкие. Если подуть на них — они разлетятся. Это аналогия безмассовых частиц, то есть частиц, у которых отсутствует инертность. Теперь поместим эти шарики на поверхность воды и снова слегка подуем на них. Шарики отплывают, но уже медленнее. Если бы мы не видели воду, нам бы казалось, что у них появилась инертность, которой раньше не было. Она возникает из-за взаимодействия с водой, которая в этой аналогии играет роль вакуумного хиггсовского поля. Если же подуть на воду без пенопластовых шариков, то по ее поверхности побежит рябь — это будет аналог хиггсовских бозонов. Неточность этой аналогии заключается в том, что вода мешает движению шариков, а хиггсовское вакуумное поле мешает только ускорению частиц.

Экспериментальное обнаружение существования бозона Хиггса (достоверность этого оценивают как 99,99%) подтверждает, что Стандартная модель верно описывает микромир.

СМ имеет группу калибровочной симметрии SU(3) х SU(2) х х U(1). Группой глобальной внешней симметрии СМ является группа Пуанкаре. СМ — ренормализуемая теория, то есть расходимости, которые возникают в результате применения теории возмущений, могут быть устранены благодаря переопределению входящих в лагранжиан параметров. Ренормализуемость — следствие отсутствия аномалий, то есть нарушений классических симметрий при квантовании.

У СМ есть свои проблемы. В частности, она содержит около 20 свободных параметров, не является полной теорией — то есть не включает в себя гравитацию. СМ, объединенная с квантовой гравитацией, неренормализуема. Расходимости возникают в сингулярностях даже в случае объединения СМ с классической гравитацией.

Также Стандартная модель не объясняет существование темной материи и темной энергии, — некоторые ее параметры имеют неестественно малое значение (это «проблема естественности»), является эффективной теорией — то есть теорией, которая описывает физику в лишь определенных энергетических пределах и с определенной точностью (При все более и более высоких энергиях эффективные теории замещаются более полными описаниями. Предполагается, что при сколь угодно высоких энергиях существует Теория Всего).

Электромагнитные и слабые взаимодействия объединяются в рамках электрослабой теории Вайнберга-Салама, имеющей группу калибровочных симметрий SU(2) х U(1). Эта теория — составная часть СМ. Электрослабые взаимодействия, однако, объединяются в рамках СМ с сильными взаимодействиями лишь достаточно формально. Единой теории электрослабых и сильных взаимодействий, имеющей простую калибровочную группу и объединяющей кварки и лептоны в один мультиплет, — теории Большого объединения — пока что не существует. Такая теория, а также дополнительные измерения и суперсимметрия могут оказаться составляющими более полной теории, чем СМ.

Многие проблемы, возникающие при объединении СМ и гравитации, решаются в рамках теории струн. В частности, проблема неренормализуемости теории решается благодаря тому, что взаимодействия струн не являются точечными.

Предсказываемые теорией Вайнберга-Салама электрослабые бозоны — переносчики слабых взаимодействий — были открыты в 1983 году. Для окончательного завершения объединения электромагнитных и слабых взаимодействий оставалось открыть предсказываемый теорией бозон Хиггса.

4 июля 2012 года в Церне (Швейцария) было объявлено об открытии (обнаружении с вероятностью 99,9999 % — это статистически значимый результат) незаряженного бозона, имеющего массу порядка 125—126 Gev и очень похожего на бозон Хиггса — единственную предсказываемую СМ частицу, которая в течение 48 лет после ее предсказания оставалась неоткрытой.

Точные свойства открытой частицы еще следовало установить. В частности, следовало с достоверностью установить, что частица скалярная, то есть имеет нулевой спин и положительную четность, так как, исходя из того, каким образом частица распадалась, можно было лишь заключить, что ее спин либо нулевой, либо равен двум. Это было сделано в следующем году.

Положительная четность частицы означает инвариантность ее волновой функции относительно операции инверсии пространства - зеркального отражения.

Хотя прямого нарушения СМ или выхода за ее пределы обнаружено не было, масса открытого бозона оказалась слишком малой. С точки зрения СМ она должна быть гораздо большей. Есть и другие трудности, которые указывают на возможность существования расширенной СМ.

Может, таким образом, оказаться, что открытая частица не в точности бозон Хиггса, предсказываемый простейшей моделью, то есть СМ. (Одно из космологических следствий физики элементарных частиц состоит в том, что если открытый бозон окажется в точности тем, который предсказывается СМ, то наша Вселенная метастабильна, то есть через достаточно длительный период времени она претерпит изменения [Lincoln 2013].) Например, минимальная суперсимметричная СМ предсказывает существование пяти «бозонов Хиггса», один из которых имеет свойства бозона Хиггса в рамках СМ.

Гипотетическая суперсимметрия устанавливает связь между частицами материи (фермионами) и «силами» (калибровочными бозонами). Эта симметрия, предполагающая, что у каждого фермиона/бозона имеется суперпартнер — бозон/фермион, — единственная симметрия, которая может быть естественным образом добавлена к СМ. Она совместима с единой теорией всех взаимодействий и находится в согласии с измеренным значением массы бозона Хиггса. (Суперсимметрия также может объяснить существование так называемой темной материи во Вселенной, поскольку она предсказывает существование тяжелой стабильной частицы, которая лишь незначительно взаимодействует с окружающей материей.)

Классическая физика имеет дело либо с частицами, либо с волнами. Квантовое поле — основное понятие квантовой теории поля — представляет собой синтез классических понятий волны и частицы. Квантовое поле заполняет все пространство. В результате измерения его энергия локализуется в виде кванта поля. Квантовое поле — последняя физическая реальность.

Бозон (или поле) Хиггса — массивная нейтральная бесспиновая (точнее, скалярная) элементарная частица (квант поля Хиггса) — единственная, известная на сегодняшний день, бесспиновая элементарная частица, — которая взаимодействует со всеми массивными частицами, то есть со всеми частицами, за исключением фотонов и глюонов, и имеет очень короткое время жизни. Ее существование предсказывается в рамках механизма спонтанного нарушения симметрии (см. здесь), который был введен в физику частиц в 1964 году почти одновременно тремя группами ученых: Р. Браутом и Ф. Энглером [Englert 1964; 2015], П. Хиггсом [Higgs 1964A; 1964B] и Дж. Гуралником [Guralnik 1964A; 1964B], К. Хагеном и Т. Кибблом.

Для сравнения: фотон не имеет массы покоя. Протон в 1836 раз тяжелее электрона. Масса открытого бозона Хиггса приблизительно в 133 раз больше массы протона, то есть примерно такая же, как масса тяжелого атома.

Эксплицитно, в нескольких словах в конце своей двухстраничной статьи, новую частицу предсказал лишь Хиггс [Higgs 1964B]. В своей статье [Higgs 1964B] он представил механизм спонтанного нарушения симметрии, не обращаясь к теории вторично квантованных полей, а рассматривая квантовое возмущение классического поля в окрестности классического вакуума. В 2013 году за теоретическое открытие механизма, который помогает понять происхождение массы субатомных частиц, П. Хиггс и Ф. Энглер получили Нобелевскую премию по физике.

Бозон Хиггса обладает необычными свойствами. В отличие, например, от однозначного вакуумного состояния электромагнитного поля, которое равно нулю и, следовательно, инвариантно относительно калибровочных преобразований U(1) электромагнитного потенциала, вакуумное состояние поля Хиггса, вообще говоря, неоднозначная отличная от нуля постоянная.

При достаточно высокой температуре имеется целое семейство вакуумных состояний поля Хиггса, которые в простейшем случае связаны между собой преобразованиями группы симметрии U(1). Каждое фиксированное вакуумное состояние не является, таким образом, калибровочно инвариантным. При понижении температуры в результате фазового перехода происходит фиксация одного из вакуумных состояний поля Хиггса и, соответственно, спонтанное нарушение калибровочной инвариантности. При этом сама теория, то есть исходный лагранжиан и уравнения поля, остаются калибровочно инвариантными.

Физический вакуум — основное состояние системы, то есть состояние с минимальной энергией, — не является вакуумом в обыденном смысле. (При этом классический вакуум и соответствующий квантовый вакуум не всегда совпадают.) С точки зрения современной физики абсолютная пустота не существует. Вакуум имеет бесконечно богатую внутреннюю (можно сказать, имплицитную) структуру, которая, например, проявляется в постоянном рождении и уничтожении виртуальных частиц.

Вакуум, в частности, содержит универсальное скалярное поле Хиггса, имеющее некоторую постоянную величину и заполняющее всю Вселенную (как сказано выше, отличную от нуля фиксированную постоянную величину поле Хиггса приобретает лишь в результате спонтанного нарушения симметрии). На первоначальной, очень короткой стадии ее существования сразу же после Большого взрыва, составляющей малую долю секунды, все элементарные частицы были безмассовыми. Наличие у них массы является результатом их взаимодействия с вакуумным полем Хиггса при достаточно низкой температуре Вселенной — температуре ниже температуры фазового перехода, — когда последнее является достаточно «плотным» [Barrau 2013].

Существуют различные научно-популярные образные представления этого явления. Например, поле Хиггса представляют в виде снежного покрова постоянной высоты, а элементарные частицы как скользящие по поверхности этого покрова. Взаимодействие между частицей и полем Хиггса и, соответственно, возникающая эффективная масса частицы, тем больше, чем больше ее поверхностное трение. Безмассовый фотон представляют как скользящий без трения.

В рамках другого образного представления приобретение той или иной эффективной массы изначально безмассовой частицей объясняют, используя в качестве аналогии движущийся в жидкости предмет. Жидкость играет роль поля Хиггса, а движущийся в ней предмет — роль элементарной частицы. Возникающая эффективная масса предмета-частицы тем больше, чем больше сопротивление жидкости. Эти метафоры, конечно, очень далеки от реальности. Интересную и достаточно точную аналогию механизма Хиггса в экономических терминах предложил в своей публичной лекции Ю. Малдасена [Maldacena 2012].

Не все элементарные частицы приобрели массу одновременно. Что касается, например, калибровочных бозонов, то считается, что изначально, когда температура Вселенной была очень высокой, существовало лишь одно-единственное взаимодействие, объединяющее в себе гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. В результате охлаждения Вселенной, которое сопровождалось серией последовательных фазовых переходов, это единство все больше и больше нарушалось. Сначала независимым от остальных стало гравитационное взаимодействие. Потом в качестве самостоятельного отделилось сильное взаимодействие. Наконец, произошло разделение слабого и электромагнитного взаимодействий.

Взаимодействуя с виртуальными хиггсовскими частицами, элементарные частицы приобретают ту или иную массу в зависимости от силы взаимодействия, которая тем больше, чем больше константа соответствующего взаимодействия. Возникновение (различных) масс разрушает первоначальную симметрию между частицами. Масса самого бозона Хиггса, который есть реальная, а не виртуальная, флуктуация (или «складка») вакуума и которую Стандартная модель не позволяет предсказать, также возникает в результате фазового перехода или спонтанного нарушения симметрии.

Существование вездесущего поля Хиггса, взаимодействия между ним и элементарными частицами, объясняет происхождение массы элементарных частиц — масса, таким образом, не является внутренней характеристикой частиц, как это считалось со времен Галилея, — а значит, и происхождение массы во Вселенной, но не объясняет прямым образом массу составных частиц, таких, например, как нуклоны (напротив, например, масса электрона полностью объясняется механизмом Хиггса), то есть не объясняет всю существующую во Вселенной массу.

Нобелевский лауреат по физике Ф. Вильчек не считает, что механизм Хиггса объясняет происхождение массы или различных значений масс. Согласно ему, поле Хиггса лишь позволяет устранить противоречия между существованием некоторых видов масс и функционированием слабого взаимодействия [Wilczek 2008, p. 202].

Хиггс медленно движется и, взаимодействуя с другими частицами, быстро распадается. Он может распадаться различными способами с разной вероятностью. Например, с вероятностью 51% Хиггс распадается на два b-кварка, с вероятностью 30% — на W-бозоны. Хиггс может распадаться на два глюона. И так далее. К очень редкому относится распад бозона Хиггса на два фотона. (То, что Хиггс может распадаться на две идентичные безмассовые частицы, имеющие спин 1, свидетельствует, согласно теореме Ландау-Янга, что он сам не может иметь спин 1.) Именно этот распад, однако, легче всего наблюдать и интерпретировать в коллайдере.

Элементарные частицы не имеют внутренней эксплицитной структуры в том смысле, что их нельзя разложить на составляющие, подобно тому как молекулу можно разложить на атомы, атом на электроны и ядро, ядро на нуклоны, а нуклон на кварки (последнее разложение не является полным в том смысле, что кварки не могут быть изолированы и, следовательно, прямым образом наблюдаемы), но они как бы имеют имплицитную структуру, которая проявляется, например, при распаде частицы в результате ее взаимодействия с другими частицами. Разные частицы распадаются по-разному.