Даже до конца не понимая точную природу хиггсовской частицы и причину, по которой она столь легка, мы видим из требования на массу, что Большой адронный коллайдер (БАК), который приступит к работе в ближайшее время в ЦЕРНе (Швейцария), должен открыть одну или несколько критически важных новых частиц. Что бы ни нарушало электрослабую симметрию, оно должно иметь массу в окрестности масштаба массы слабых взаимодействий. И мы ожидаем, что БАК обнаружит, что это такое. Если это критически важное открытие случится, оно позволит глубоко продвинуться вперед в понимании лежащей в основе строения мира структуры материи. И это укажет нам, какое из предложений (если мы до него догадались) по объяснению хиггсовской частицы правильно.
Однако, прежде чем мы перейдем к этим предложениям, нам следует рассмотреть одно возможное расширение Стандартной модели, которое было предложено исключительно в интересах простоты описания природы. В следующей главе рассматриваются виртуальные частицы, зависимость взаимодействий от расстояния и заманчивый вопрос о великом объединении.
Что стоит запомнить
• Несмотря на важность симметрий для формулировки правильных предсказаний о поведении частиц при высоких энергиях, массы кварков, лептонов и слабых калибровочных бозонов указывают на то, что симметрия слабого взаимодействия должна быть нарушена.
• Поскольку мы должны избавиться от неверных предсказаний, симметрия слабого взаимодействия должна, тем не менее, сохраняться при высоких энергиях. Следовательно, симметрия слабого взаимодействия должна нарушаться только при низких энергиях.
• Когда во всех физических законах симметрия сохраняется, а в конкретной физической системе не сохраняется, то возникает спонтанное нарушение симметрии. Спонтанно нарушенные симметрии — это симметрии, которые сохраняются при высоких энергиях и нарушаются при низких энергиях. Симметрия слабого взаимодействия спонтанно нарушена.
• Процесс, с помощью которого происходит спонтанное нарушение симметрии слабого взаимодействия, называется механизмом Хиггса. Для этого должна существовать частица с массой порядка масштаба массы слабых взаимодействий, равной 250 ГэВ (напомним, что специальная теория относительности связывает энергию и массу соотношением E = mc2).
Глава 11
Скейлинг и Великое объединение: связь взаимодействий на разных расстояниях и при разных энергиях
I hope someday you’ll join us
And the world will live as one.
John Lennon[116]
Афине часто казалось, что интересные новости доходили до нее в последнюю очередь. Она ничего не слышала о приключениях Икара с автомобилем, пока не прошло больше месяца со дня его покупки. И узнала-mo она об этих приключениях совсем не от него, а от своей подруги, которая слышала о них от брата кузена Дитера, а он узнал о них от кузена Дитера, который слышал о них от самого Дитера.
Таким окольным путем до Афины дошла следующая фраза, сказанная Икаром: «Интенсивность силы зависит от места, где вы были». Эти странные слова, совсем не характерные для Икара, сначала сбили Афину с толку, но потом она поняла, что фраза по дороге исказилась, как в испорченном телефоне. После некоторых раздумий она решила, что на самом деле замечание Икара было таким: «Эффективность машины зависит от модели автомобиля»[117].
Мы увидим, что первоначально услышанное Афиной замечание правильно. В этой главе рассказывается о том, как физические процессы, происходящие между частицами, находящимися на одном расстоянии друг от друга, могут быть связаны с процессами, происходящими между частицами, находящимися на другом расстоянии, и почему физические величины, например масса частицы или константа взаимодействия, зависят от энергии частицы. Эта зависимость от энергии и расстояния превосходит классическую зависимость сил от расстояния. Например, с классической точки зрения, напряженность электромагнитного, а также гравитационного полей уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими телами (закон обратных квадратов). Но квантовая механика изменяет эту зависимость от расстояния, оказывая влияние на напряженность самого взаимодействия, так что частицы на разных расстояниях (и при разных энергиях) взаимодействуют как бы с разными зарядами.
С увеличением расстояния взаимодействия становятся слабее или сильнее за счет виртуальных частиц — короткоживущих частиц, существующих как следствие законов квантовой механики и соотношения неопределенностей. Виртуальные частицы взаимодействуют с калибровочными бозонами и изменяют взаимодействия так, что они становятся зависящими от расстояния, что напоминает то, как друзья Афины исказили слова Икара, передавая их от одного к другому.
Квантовая теория поля показывает, как вычислить влияние виртуальных частиц на зависимость взаимодействий от расстояния и энергии. Одним из триумфов подобных вычислений было объяснение того, почему сильное взаимодействие так сильно. Другим интересным следствием стала потенциальная возможность существования теории Великого объединения (ТВО), в рамках которой столь различные при низких энергиях три негравитационных взаимодействия сливаются в единое взаимодействие при высоких энергиях. Мы воспользуемся ниже этими результатами и теми идеями и вычислениями в квантовой теории поля, которые к ним приводят.
В следующих главах следует иметь в виду насколько сильно различаются масштабы энергий, которые мы обсуждаем. Энергия объединения составляет одну тысячу триллионов ГэВ, а планковский масштаб энергии, на котором гравитация становится сильной, еще примерно в тысячу раз больше. Энергетический масштаб слабых взаимодействий, равный энергии, при которой осуществляются современные эксперименты, неизмеримо меньше; он находится в пределах от ста до тысячи ГэВ. Слабый масштаб энергий настолько же мал по сравнению с энергией Великого объединения, насколько размер мраморного шарика мал по сравнению с расстоянием от Земли до Солнца. Поэтому иногда я буду называть масштаб слабых взаимодействий низкоэнергетическим, несмотря на то что это очень большая энергия с точки зрения экспериментальных перспектив, но в то же время она намного меньше энергетического масштаба Великого объединения и планковского масштаба.
Крупным и мелким планом
Эффективные теории поля используют идею эффективной теории, о которой шла речь в гл. 1, в приложении к квантовой теории поля. Они концентрируют внимание на тех масштабах энергии и расстояния, которые есть надежда измерить. Эффективная теория поля, примененная на определенном масштабе энергии и расстояния, «эффективно» описывает те энергии и расстояния, которые нас интересуют. Эта теория фокусируется на тех силах и взаимодействиях, которые могут проявиться, когда энергия частиц[118] не превосходит некоторой заданной величины, и пренебрегает энергиями, которые недостижимо выше. Теория не занимается деталями физических процессов и поведения частиц, которые происходят при энергиях, много больших тех, которые можно достичь.
Одно из преимуществ эффективной теории поля состоит в том, что даже если вы не знаете, какие взаимодействия имеют место на коротких расстояниях, вы можете продолжать изучение величин, существенных на интересующих вас масштабах. Вам нужно всего лишь думать о величинах, которые вы можете (в принципе) измерить. Когда вы смешиваете краски, вам не нужно знать их подробную молекулярную структуру. Но, скорее всего, вас интересуют непосредственно воспринимаемые свойства, такие как цвет и текстура. Имея эту информацию, и даже не зная микроструктуру вашей краски, вы можете расклассифицировать краски по их свойствам и предсказать, как будет выглядеть смесь красок, когда вы перенесете их на холст.
Однако, если вам известен химический состав ваших красок, правила физики позволяют установить некоторые их свойства. Эта информация не нужна вам, когда вы рисуете (используете эффективную теорию), но она может оказаться полезной, когда вы смешиваете краски (выводите параметры эффективной теории из более фундаментальной теории).
Аналогично, если вы не знаете, как выглядит теория на малых расстояниях (при больших энергиях), вам не удастся вывести измеримые величины. Однако, если вы знаете детали поведения на малых расстояниях, квантовая теория поля точно указывает, как связаны разные эффективные теории, применяемые при разных энергиях. Квантовая теория поля позволяет вам вывести величины, относящиеся к одной эффективной теории, например, массы или константы взаимодействия, зная величины, относящиеся к другой эффективной теории.
