Флюид Хиггса, поле Хиггса, частица Хиггса

 

На одной покрытой водой планете в далекой-далекой галактике рыбы эволюционировали и стали разумными – настолько разумными, что некоторые из них стали физиками и начали изучать, как движутся тела. Сначала рыбы-физики получили очень сложные законы движения, потому что (как мы знаем) движение тел в воде устроено сложно. Но однажды рыба-гений – Рыба Ньютон – сделала предположение о том, что основные законы движения гораздо проще и красивее: в сущности, это законы движения Ньютона. Она предположила, что наблюдаемое движение выглядит сложным из-за влияния вещества – назовем его «водой», – заполняющего мир. С большим трудом рыбам удалось подтвердить теорию Рыбы Ньютона, выделив молекулы воды.

Согласно механизму Хиггса, мы похожи на таких рыб. Мы погружены в космический океан, который усложняет наблюдаемые законы физики.

Уравнения для частиц с нулевой массой, включая уравнения Максвелла, уравнения Янга – Миллса и уравнения Эйнштейна в общей теории относительности, особенно красивы. Как мы уже обсуждали, они могут обеспечивать огромное количество симметрии – локальной симметрии. Фотоны обладают нулевой массой, так же как цветные глюоны в квантовой хромодинамике и гравитоны в теории гравитации. Чтобы иметь красивые уравнения и чтобы наше описание Природы было единообразным, нам хотелось бы создать мир из «кирпичиков» с нулевой массой.

К сожалению, несколько видов элементарных частиц отказываются потакать нашим желаниям. Так, W- и Z -бозоны, которые переносят слабые взаимодействия, имеют значительные массы. (Именно поэтому слабые взаимодействия обладают малым радиусом действия и слабы при низких энергиях.) То, что они обладают массой, досадно, потому что в других отношениях, как мы только что видели, W- и Z- бозоны кажутся удивительно похожими на фотоны.

Можно ли преодолеть это затруднение? Примем во внимание, что на поведение фотонов могут влиять свойства вещества, через которое они проходят. Известный пример: свет замедляется при прохождении сквозь стекло или воду. Это явление, при котором свет становится более «вялым», чем обычно, можно грубо уподобить приобретению светом инерции. Менее знакомый, но более глубокий для наших текущих целей пример – поведение фотонов внутри сверхпроводников. Уравнения, описывающие фотоны в сверхпроводниках, математически идентичны уравнениям для частицы с массой. Внутри сверхпроводника фотоны эффективно становятся частицами с ненулевой массой.

Сущность механизма Хиггса в идее о том, что «пустое пространство» – т. е. пространство, лишенное частиц и излучения, – на самом деле заполнено материальной средой, которая делает W- и Z- бозоны массивными. Эта идея позволяет нам сохранить красивые уравнения для безмассовых частиц, при этом относясь с надлежащим уважением к мнению действительности. Итак, нам нужна среда, которая делает для W- и Z- бозонов то же самое, что сверхпроводники делают для фотонов. Более того, гипотетическая космическая среда должна создавать массы гораздо большего масштаба: массы W и Z в (не) пустом пространстве примерно в 1016 раз больше, чем массы фотонов в сверхпроводниках.

Физики обращались к механизму Хиггса многие годы и, используя его, шли от успеха к успеху. Многие аспекты взаимодействий W- и Z- бозонов, помимо их масс, были точно предсказаны с использованием красивых уравнений для безмассовых частиц и калибровочных симметрий с их следствиями, модифицированными заполняющим пространство веществом. Так мы собрали убедительную сумму доводов в пользу существования нашего собственного «космического океана». Но в конечном счете эта версия основывалась на косвенных доказательствах. Не было никакого четкого ответа на очевидный вопрос: из чего он сделан?

Ни одно известное вещество не могло быть основой космического океана. Никакая комбинация известных кварков, лептонов, глюонов или других частиц не имела нужных для этого свойств. Нужно было что-то новое.

В принципе космический океан Хиггса мог бы состоять из нескольких веществ, и сами эти вещества могли бы быть составными. Литература по теоретической физике элементарных частиц содержит сотни, если не тысячи, предложений такого вида. Но среди всех логичных возможностей есть так называемая минимальная модель – самая простая и самая экономная. В этой минимальной модели космическое вещество состоит всего из одного ингредиента. Хотя принятая в этой области терминология сбивает с толку и к тому же постоянно меняется, здесь, когда я говорю о «частице Хиггса», я буду иметь в виду уникальную новую частицу[75], которая была введена, чтобы завершить минимальную модель.

 

Илл. 36. Эта схема изображает процесс, в результате которого частица Хиггса была получена с помощью глюонов и впервые обнаружена экспериментально – блестящий пример, в котором можно видеть, как работают сообща многие аспекты Главной теории и глубокие принципы квантовой теории

 

Мы можем сделать много выводов о том, как частица Хиггса взаимодействует с другими формами материи. В конце концов, раз мы находимся внутри этого космического океана, мы все наблюдаем свойства частиц Хиггса в массе с незапамятных времен. Фактически все свойства этой частицы предсказываются единственным образом, как только становится известна ее масса. Например, ее спин и электрический заряд должны быть равны нулю, потому что она должна быть похожа на квант «ничего». Так как мы знали, что мы ищем, стало возможно разработать разумную стратегию поиска частицы Хиггса. Ключевой процесс, с помощью которого была обнаружена частица Хиггса, изображен на илл. 36.

Первый шаг состоит в том, чтобы создать эту частицу. Преобладающий механизм рождения довольно примечателен. Обычное вещество очень слабо взаимодействует с частицей Хиггса H. (Именно поэтому электроны и протоны могут быть намного легче, чем W и Z, – они не чувствуют ее сопротивления.) На самом деле преобладающее взаимодействие происходит не напрямую, а за счет косвенного процесса «слияния глюонов», процесса, который я обнаружил в 1976 г. во время незабываемой прогулки, о которой я расскажу ниже. Он представлен в нижней части илл. 36.

 

Глюоны не соединяются с частицей Хиггса напрямую. Их взаимодействие – чисто квантовый эффект. Для квантовой механики характерно возникновение спонтанных флуктуаций, или «виртуальных частиц». Обычно такие флуктуации возникают и исчезают без какого-либо заметного эффекта, кроме их влияния на поведение соседних реальных частиц. В наиболее важном процессе слияния глюонов последние передают энергию виртуальной паре, состоящей из топ-кварка t и антитоп-кварка t ̅. Кварк и антикварк t и t ̅ сильно взаимодействуют с частицей Хиггса – это главная причина того, что они тяжелые, – так что есть значительная вероятность того, что они породят эту частицу перед тем, как исчезнуть.

Самый эффективный способ получить из сталкивающихся протонов частицу Хиггса состоит в том, чтобы столкнуть два глюона, по одному от каждого протона. Остальная часть протонов материализуется в виде беспорядочного фона, обычно содержащего многие десятки частиц.

Распад H на два фотона, H → γγ, показанный ближе к верхней части илл. 36, происходит подобным же образом. Фотоны не связываются непосредственно с частицей Хиггса, а лишь через виртуальные t ̅ t и W + W− пары. Хотя это довольно редкий вариант распада, он был основным для открытия H -частицы, потому что у него есть два больших преимущества с экспериментальной точки зрения.

Первое преимущество в том, что энергия и импульс фотонов высокой энергии могут быть измерены довольно точно. Мы можем объединить их, согласно кинематике специальной теории относительности, чтобы определить «эффективную массу» пары фотонов. Если фотоны из этой пары образовались вследствие распада частицы с массой М, то их эффективная масса будет равна М.

Второе преимущество в том, что фотонные пары высокой энергии довольно трудно произвести в обычных процессах (не связанных с частицей Хиггса), поэтому с фоном не так уж трудно бороться.

Используя оба этих преимущества, экспериментаторы разработали стратегию поиска: измерять эффективные массы многих фотонных пар и искать избыток таких пар при одном определенном значении относительно соседних.

И – если сказать коротко – это сработало!

Есть еще бонус: поскольку фон может быть вычислен с большой достоверностью, величина превышения над фоном дает меру частоты рождения H, помноженную на коэффициент ветвления, или парциальную ширину именно такого распада – в пару γγ. Тогда можно проверить, согласуется ли измеренный избыток событий с предсказаниями для минимального H, что особенно интересно, поскольку эти частоты рождения открывают новую дверь в неизведанное. Ведь могут существовать и другие тяжелые частицы, пока не наблюдавшиеся, но дающие свой виртуальный вклад в величину частоты рождения! До сих пор наблюдения согласуются с минимальной моделью «без рюшечек», но большая точность одновременно и достижима, и очень желательна.

 

Очарованный вечер

 

Вплоть до десяти часов вечера (или около того) тот летний день 1976 г., который оказался самым плодотворным в моей научной карьере, совершенно не предвещал ничего подобного. У моей совсем маленькой дочки Эмити болело ухо, и весь день она была беспокойной, капризной и требовала внимания. Мы с Бетси, неопытные родители, недавно прибывшие в импровизированную деревню Фермилаба, где мы никого не знали, справлялись как могли. Когда наступила темная, типичная для Среднего Запада ночь, изнуренная Эмити наконец погрузилась в сон, а затем и Бетси тоже. Они были похожи на ангелов мира и спокойствия.

Настороженность и энергия, которые требовались, чтобы справляться с потоком маленьких кризисов, все еще были со мной, после того как сами кризисы прошли. В поиске выхода я решил, как часто делаю, выйти погулять. Ночь была кристально ясной; небо сияло; горизонт был резким и далеким; и даже земля, залитая лунным светом, казалась нереальной. С образами земных ангелов, которые остались во мне, и неземным зрелищем, окружавшим меня, я почувствовал невероятный восторг. Это было время для важных размышлений.

В течение нескольких предшествовавших лет теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, основанные на локальной симметрии, прошли путь от смелой авантюры до общепринятого мнения. Когда я подумал об этой ситуации, мне пришло в голову, что, в то время как различные кварки, лептоны, глюоны и виконы – не говоря уже о фотонах – были в центре внимания и в фокусе хорошо продуманных экспериментальных программ, нарушение симметрии оставалось относительно неизведанным. Не было даже заслуживающего внимания предложения проверить самую простую, «минимальную» модель с одной-единственной частицей Хиггса, как описано выше.

Основная проблема проста: частице Хиггса в этой модели «нравится» связываться с тяжелыми частицами, но частицы стабильного вещества, которые мы можем изучать непосредственно или поместить их в наши ускорители, очень легки. Цветные глюоны имеют нулевую массу, так же как фотоны, в то время как u- и d- кварк и электроны имеют незначительную массу.

Но недавно (вы помните, у нас на календаре 1976-й!) возник большой интерес к более тяжелым кваркам. Очарованный кварк c был еще недавним открытием, и были вполне достаточные основания подозревать, что существует два дополнительных, еще более тяжелых вида кварков. (И они правда существуют. Красивый кварк b был обнаружен довольно скоро, в 1977 г., в то время как топ-кварк t не был найден до 1995 г. Им уже были даны имена, и их свойства – с единственным исключением в виде их масс – были вычислены даже до того, как их открыли экспериментально.) Поэтому было естественным подумать, могут ли новые, более тяжелые кварки распахнуть двери, через которые мы могли бы добраться до частицы Хиггса. Я сразу же понял, что это возможно. Можно использовать те же самые приемы, которые привели к успеху с очарованными кварками, чтобы произвести мезоны, основанные на b ̅ b или t ̅ t. Эти более тяжелые кварки будут энергично связываться с частицами Хиггса. Если карты лягут удачно – по существу, если эти тяжелые кварки обладают большей массой, чем половина массы частицы Хиггса, – то частицы Хиггса смогут рождаться в распадах таких мезонов. Это было моим первым важным осознанием той ночи.

Теперь было важно рассмотреть конкурирующие распады, без частиц Хиггса, поскольку они могли бы доминировать и сделать интересующую меня возможность чисто умозрительной. Одной из самых важных возможностей, которые нужно было рассмотреть, был распад на цветные глюоны. Я не мог сделать точного расчета в уме, но, исходя из грубых оценок, казалось, что все в порядке. (Так оно и есть в действительности.) Но это навело меня на еще более важную мысль: если тяжелые кварки могут связываться с частицами Хиггса и с глюонами, то они дают возможность связать глюоны с частицами Хиггса! И в этот момент в моем мозгу родился основной процесс, который вы видите в нижней части илл. 36. Опять же, точное вычисление было бы трудной задачей, но я сделал некоторые приблизительные оценки в уме и счел результаты обнадеживающими. В частности, я понял, что, даже если недостающие кварки окажутся очень тяжелыми, они все равно будут давать свой вклад – и что если бы существовали еще более тяжелые кварки, то они тоже участвовали бы в процессе. Мне сразу же стало ясно, что это был основной способ, которым частицы Хиггса могут связываться со стабильным веществом. Здесь открывалось многообещающее окно в неизведанное. Это было вторым моим важным осознанием той ночи.

В тот момент я дошел до лаборатории и решил повернуть обратно. Мне повезло в размышлениях о минимальной модели Хиггса, поэтому хотел подумать, как новые идеи можно применить к более сложным ее версиям. Изменения легко развивать дальше в любом конкретном случае, поэтому я начал думать, какие усложнения было бы интереснее всего рассмотреть. Особенно любопытная идея заключалась в существовании некоторой дополнительной симметрии, которая бы спонтанно нарушалась. Это могло привести к возникновению новых безмассовых частиц – захватывающая возможность! Это было моим третьим важным осознанием той ночи.

В Принстоне, где я до этого преподавал в течение года, нечто, названное инстантонами – которые я даже не буду пытаться объяснить здесь, – вызвало сильнейшее возбуждение. Инстантоны нарушают симметрию особенно интересными способами, и я подумал, что будет забавно привлечь и их, чтобы у меня было что-то такое, о чем можно рассказать коллегам и о чем им было бы интересно послушать. Я смутно чувствовал, что частица, которая в противном случае была бы безмассовой, согласно моему третьему осознанию, вместо этого получит небольшую массу и будет иметь другие интересные свойства. Это было моим четвертым важным осознанием той ночи, и оно привело меня домой.

 

Судьба этих четырех озарений различна. Первому просто не повезло. Красивый b- кварк оказался недостаточно тяжелым по сравнению с частицей Хиггса, а t- кварк настолько тяжел и нестабилен, что его мезоны бесполезны.

Второе – это одно из моих достижений, которыми я больше всего горжусь. Более чем через 30 лет оно имело решающее значение для открытия частицы Хиггса, как описано на илл. 36 и в тексте рядом с ним.

Третье еще не принесло плоды, но остается интересным. В конечном счете я назвал эти безмассовые частицы «фамилонами», и их продолжают искать.

Четвертое оказалось самым интересным и, возможно, самым важным. Когда я возвратился в лабораторию на следующий день и посмотрел литературу на эту тему, то обнаружил очень интересную статью Роберто Печчеи и Хелен Квинн. Они рассматривали модель, похожую на ту, над которой размышлял я, и обратили внимание на то, что она могла решить очень важную проблему, так называемую проблему θ. Ее суть в том, что существует число θ, которое, согласно Главной теории, может иметь любое значение в интервале между - π и π, однако наблюдения показывают, что оно очень-очень мало. Это или совпадение, или признак того, что Главная теория является неполной. В модели Печчеи – Квинн это «совпадение» объяснялось как след новой (спонтанно нарушенной) симметрии. Однако Печчеи и Квинн не заметили, что в их модели была новая легкая частица! Поэтому мне выпала честь дать ей имя. За несколько лет до этого я заметил одно моющее средство Axion, название которого походило на имя частицы. Я решил, что, если у меня будет шанс, я назову так частицу. Среди прочего проблема θ содержала аксиальный ток. Это дало мне лазейку, с помощью которой можно было незаметно протащить это название мимо бдительных консервативных редакторов журнала Physical Review Letters, что я и сделал. (Стивен Вайнберг тоже заметил эту новую частицу независимо от меня. Он собирался назвать ее «хигглетом». Мы договорились, слава Богу, использовать название «аксион».)

У аксиона долгая, запутанная и все еще не законченная история. К этой теме я возвращался много раз, разработав теорию его рождения в ранней Вселенной и предложив возможное существование аксионного фона, аналогичного широко известному микроволновому фону. Согласно этой работе, наблюдать аксионный фон будет трудно, но возможно. Отважная команда блестящих экспериментаторов ведет активный поиск. Когда-нибудь в скором времени аксион, возможно, будет достоин собственной книги, поскольку является главным кандидатом для объяснения темной материи Вселенной. Но он может и не существовать вовсе. Время покажет.

 

Часть 4: Подведение итогов