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

Оба поля хиггс1 и хиггс2 могут рождать частицы, но они могут также принимать ненулевые значения, даже если никаких частиц нет. До этого момента мы не сталкивались с подобными ненулевыми значениями для квантовых полей. До сих пор, помимо электрических и магнитных полей, мы рассматривали только квантовые поля, которые рождают или уничтожают частицы, но принимают нулевые значения в отсутствие частиц. Но квантовые поля могут также иметь ненулевые значения, точно так же, как классические электрические и магнитные поля. Согласно механизму Хиггса, одно из хиггсовских полей принимает ненулевое значение. Мы сейчас покажем, что это ненулевое значение и есть в конечном итоге источник масс частиц.

Самый лучший способ представить себе поле, принимающее ненулевое значение, это думать о нем как о пространстве, где есть заряд поля, но нет реальных частиц. Вы должны думать о заряде, который несет поле, как о присутствующем везде. Увы, это довольно абстрактное понятие, так как само поле есть абстрактный объект. Но когда поле принимает ненулевое значение, последствия вполне конкретны: заряд, который должно нести ненулевое поле, существует в реальном мире.

В частности, ненулевое хиггсовское поле распределяет слабый заряд по всей Вселенной. Происходит это так, как будто ненулевое, несущее слабый заряд хиггсовское поле размазывает этот заряд по всему пространству. Ненулевое значение хиггсовского поля означает, что слабый заряд, который переносит хиггс1 и хиггс2, находится везде, даже там, где нет частиц. Вакуум — состояние Вселенной без частиц — сам несет слабый заряд, когда одно из двух хиггсовских полей принимает ненулевое значение.

Слабые калибровочные бозоны взаимодействуют со слабым зарядом вакуума точно так же, как они взаимодействуют с любыми другими слабыми зарядами. Далее, заряд, заполняющий вакуум, блокирует слабые калибровочные бозоны, когда они пытаются распространить взаимодействия на большие расстояния. Чем дальше они пытаются распространиться, тем больше «краски» встречают на своем пути. (Так как заряд реально распространяется по трем измерениям, вам может показаться более понятной аналогия с пятном из краски.)