Успешная теория взаимодействий исключает это плохое высокоэнергетическое поведение, запрещая существование поляризации, приводящей к неправильным предсказаниям и на самом деле отсутствующей в природе. Источником неверных предсказаний для рассеяния при высоких энергиях являются фиктивные поляризации, а симметрия позволяет оставить только физические поляризации, которые реально существуют. Симметрия, которая избавляет теорию от несуществующих поляризаций, также исключает неверные следствия, к которым они бы приводили.
Хотя до сих пор я не говорила об этом явно, идея работает только для без-массовых калибровочных бозонов. В противоположность фотонам, масса слабых калибровочных бозонов не равна нулю. Слабые калибровочные бозоны распространяются со скоростью меньше скорости света. И это сводит на нет всю работу.
В то время как безмассовые калибровочные бозоны имеют только две поляризации, реально существующие в природе массивные калибровочные бозоны имеют три поляризации. Один способ понять это различие состоит в том, что безмассовые калибровочные бозоны всегда движутся со скоростью света, откуда следует, что они никогда не находятся в покое. Следовательно они всегда выделяют свое направление движения, так что всегда можно отличить перпендикулярные направления поляризации от поляризации вдоль направления движения. При этом оказывается, что для безмассового калибровочного бозона физические поляризации осциллируют только в двух перпендикулярных направлениях.
А массивные калибровочные бозоны ведут себя иначе. Как все обычные тела, они могут находиться в покое. Но когда массивный калибровочный бозон стоит на месте, невозможно выделить его направление движения. Для покоящегося калибровочного бозона все три направления должны быть эквивалентны. Но если это так, тогда в природе должны существовать все три возможные поляризации. И они действительно существуют.
Даже если вам сложно принять эту логику, экспериментаторы уже наблюдали эффекты, связанные с третьей поляризацией массивного калибровочного бозона, и подтвердили ее существование. Третья поляризация называется продольной поляризацией. Когда массивный калибровочный бозон движется, продольная поляризация соответствует волне, осциллирующей вдоль направления движения, например в направлении, в котором осциллирует звуковая волна.
В случае безмассовых калибровочных бозонов, например фотонов, такой поляризации не существует. Однако для массивных калибровочных бозонов, таких как слабые калибровочные бозоны, третья поляризация есть реальная часть природы. Эта третья поляризация должна быть частью теории слабых калибровочных бозонов.
Поскольку эта третья поляризация есть источник избыточно большой вероятности взаимодействия слабых калибровочных бозонов при больших энергиях, ее существование ставит перед нами дилемму. Мы уже знаем, что для исключения плохого поведения при больших энергиях нужна симметрия. Но эта симметрия позволяет избавиться от неправильных предсказаний путем одновременного исключения третьей поляризации, а эта поляризация существенна для массивного калибровочного бозона и для описывающей его теории. Хотя внутренняя симметрия могла бы исключить плохие предсказания о поведении при высоких энергиях, за это пришлось бы заплатить слишком большую цену — такая симметрия избавилась бы и от массы! Похоже, что симметрия в теории массивных калибровочных бозонов выплескивает вместе с водой и ребенка.
Трудность на первый взгляд кажется непреодолимой, так как требования к теории массивных калибровочных бозонов представляются противоречащими друг другу. С одной стороны, внутренняя симметрия, описанная в предыдущей главе, не должна сохраняться, так как в противном случае массивные калибровочные бозоны с тремя физическими поляризациями были бы запрещены. С другой стороны, без внутренней симметрии, уничтожающей две поляризации, теория взаимодействий дает неверные предсказания для калибровочных бозонов большой энергии. Если мы хотим сохранить хоть какую-то надежду исключить плохое поведение при высоких энергиях, нам все еще нужна симметрия для исключения третьей поляризации каждого массивного калибровочного бозона.
Ключ к разрешению этого кажущегося парадокса и формулировке правильного описания массивных калибровочных бозонов на языке квантовой теории поля заключался в признании различия между бозонами больших и малых энергий. В теории без внутренней симметрии только предсказания, касающиеся калибровочных бозонов высокой энергии, выглядели сомнительными. Предсказания о низкоэнергетических массивных калибровочных бозонах выглядели разумно (и были правильными).
Эти два факта совместно требовали довольно глубокого вывода: чтобы избежать сомнительных предсказаний при больших энергиях, необходима внутренняя симметрия, иными словами, все еще применимы уроки предыдущей главы. Но когда энергия массивного калибровочного бозона мала (по сравнению с той энергией, которая по соотношению Эйнштейна E = mc2 соответствует его массе), симметрия уже не может сохраняться. Эта симметрия должна быть устранена так, чтобы калибровочные бозоны могли иметь массу, а третья поляризация могла участвовать во взаимодействиях при низких энергиях, когда учет массы приводит к различиям.
В 1964 году Питер Хиггс и другие обнаружили, каким образом теории взаимодействий могут включать массивные калибровочные бозоны, проделав в точности то, что мы только что сказали, — сохранив внутреннюю симметрию при больших энергиях, но устранив ее при малых энергиях. Механизм Хиггса, основанный на спонтанном нарушении симметрии, разрушает внутреннюю симметрию слабых взаимодействий только при низкой энергии. Это обеспечивает появление дополнительной поляризации при низкой энергии, т. е. там, где теория в этом нуждается. Однако дополнительная поляризация не принимает участия в процессах при высокой энергии, так что бессмысленные взаимодействия при высокой энергии не возникают.
Рассмотрим теперь конкретную модель спонтанного нарушения симметрии слабого взаимодействия, в которой используется механизм Хиггса. С помощью этого варианта механизма Хиггса мы увидим, каким образом приобретают массу элементарные частицы Стандартной модели.
Механизм Хиггса
В механизме Хиггса фигурирует поле, которое физики называют хиггсовским полем. Как мы видели, поля в квантовой теории поля — это объекты, способные рождать частицы в любой точке пространства. Каждый тип поля порождает свой собственный специфический тип частиц. Например, источником электронов является электронное поле. Аналогично, хиггсовское поле является источником хиггсовских частиц.
Как тяжелые кварки и лептоны, так и хиггсовские частицы настолько массивны, что мы их не обнаруживаем в обычной материи. Однако в противоположность тяжелым кваркам и лептонам, хиггсовские частицы, которые порождаются хиггсовским полем, никто никогда не наблюдал, даже в опытах, осуществленных на ускорителях больших энергий. Это не означает, что хиггсовские частицы не существуют, просто они слишком тяжелы для того, чтобы рождаться при доступных энергиях. Физики ожидают, что если хиггсовская частица существует, мы сможем найти ее всего через несколько лет, когда вступит в строй ускоритель высоких энергий БАК (Большой адронный коллайдер, по англ. LHC, Large Hadron Collider) в Женеве[115].
Тем не менее мы достаточно ясно уверены в том, что механизм Хиггса приложим к нашему миру, так как это единственный известный способ придать массы частицам Стандартной модели. Это единственно известное решение тех проблем, которые мы представили в предыдущей главе. Так как никто пока что не обнаружил хиггсовскую частицу, мы, к сожалению, до сих пор точно не знаем, что такое хиггсовское поле (или поля).
Природа хиггсовской частицы является одним из наиболее горячо обсуждаемых вопросов в физике частиц. В этом разделе я опишу простейшую из многих моделей-кандидатов, содержащих разные частицы и взаимодействия, которая покажет, как работает механизм Хиггса. Какой бы ни оказалась истинная теория хиггсовского поля, она будет включать механизм Хиггса — спонтанное нарушение симметрии слабого взаимодействия и придание масс элементарным частицам в том же духе, что и модель, которую я сейчас опишу.
В этой модели пара полей испытывает слабое взаимодействие. Будет удобно далее считать, что эти два хиггсовских поля, участвующие в слабом взаимодействии, несут заряд слабого взаимодействия. При описании этого механизма часто допускают небрежности в терминологии, так что иногда «хиггс» означает два поля вместе, а иногда — одно из полей (а часто и хиггсовскую частицу, которую мы надеемся найти). Здесь я буду обозначать отдельные поля как хиггс1 и хиггс2
