Стандартная Модель
Современная теория элементарных частиц — Стандартная модель фундаментальных взаимодействий — строится на основе понятия симметрии. Это не только знакомая нам пространственная симметрия, а симметрия относительно преобразований в так называемом внутреннем пространстве, как, например, симметрия относительно фазовых преобразований или относительно вращений в пространстве «изоспина» или в пространстве «цвета».
Согласно Стандартной модели, весь материальный мир построен из частиц двух сортов: кварков и лептонов. Из кварков построены протоны и нейтроны, из которых состоят ядра атомов, а легчайший лептон — электрон — образует атомную оболочку. Всего известно шесть сортов кварков и столько же сортов лептонов. Их обычно подразделяют на три поколения, которые полностью идентичны за исключением значений их масс. Каждое последующее поколение тяжелее, чем предыдущее. Все эти частицы открыты экспериментально на ускорителях в прошлом веке.
Различают три типа фундаментальных взаимодействий элементарных частиц: сильное, слабое и электромагнитное. Существует ещё гравитация, но она очень слаба и ею обычно пренебрегают в физике микромира. Сильное взаимодействие ответственно за стабильность атомного ядра, слабое взаимодействие осуществляет процесс распада ядер, что является источником термоядерной энергии Солнца, а электромагнитное взаимодействие — это хорошо знакомый нам свет, который переносит энергию Солнца на Землю и является источником жизни. Все эти взаимодействия кварков и лептонов осуществляются путем обмена квантами соответствующего поля: глюонами, слабыми бозонами и фотонами в случае сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия, соответственно.
Симметрии, связанные с этими тремя взаимодействиями, формулируются на языке теории групп и отвечают преобразованиям в соответствующем пространстве параметров. Уравнения, которыми описываются кварки и лептоны, а также частицы — переносчики взаимодействий, должны быть инвариантны относительно преобразований симметрии. Это требование есть следствие тех законов сохранения, которые были проверены экспериментально. Конкретный вид групп симметрии — это также вопрос соответствия теории с экспериментом. В результате многолетних усилий были установлены группы симметрии трёх фундаментальных взаимодействий. Этими группами являются соответственно группы SU (3), SU (2) и U (1) — так называемые унитарные группы.
Парадокс массы
Примечательно, что наличие симметрий уравнений движения для частиц, не только приводит к законам сохранения, например, электрического заряда, лептонного и барионного (кваркового) зарядов, но и определяет свойства их взаимодействий, разрешённые моды распада, времена жизни, и так далее. Таким образом, вид симметрии является определяющим при формулировке модели фундаментальных взаимодействий. И здесь мы сталкиваемся с проблемой принципиального характера: перечисленные группы симметрии Стандартной модели запрещают существование масс у кварков, лептонов и частиц-переносчиков взаимодействий. В то же время, известно, что безмассовыми являются лишь фотон и глюон — переносчики электромагнитных и сильных взаимодействий, а все другие частицы обладают массой.
Для разрешения этого парадокса требуется нарушение симметрии, однако таким образом, чтобы не разрушить те свойства частиц, что твердо установлены экспериментально. Следует ещё отметить, что теория, которая описывает элементарные частицы, является квантовой теорией поля — обобщением квантовой механики на системы с бесконечным числом степеней свободы. Для своей математической согласованности квантово-полевая Стандартная модель фундаментальных взаимодействий с необходимостью должна обладать симметрией. Иначе она приводит к неправильным предсказаниям, не согласующимся с экспериментом.
Спонтанное нарушение симметрии
Для решения этой серьёзной проблемы был предложен так называемый механизм спонтанного нарушения симметрии, известный в статистической физике, но приобретший новые черты в релятивистской физике элементарных частиц. Дело в том, что спонтанное нарушение симметрии обычно сопровождается появление безмассовых состояний, которые не наблюдаются в физике частиц. Однако оказалось, что в данном случае эти безмассовые состояния являются фикцией и на самом деле являются продольными модами векторных бозонов — переносчиков слабого взаимодействия. Механизм спонтанного нарушения симметрии с поглощением безмассовых мод в продольные состояния векторных бозонов иногда называют механизмом Хиггса по имени ученого, одного из авторов данной идеи. Стоит отметить, что первые опубликованные работы, где был предложен этот механизм, принадлежат бельгийцам Роберту Брауту и Франсуа Энглерту и шотландцу Питер Хиггсу. К этому же выводу независимо пришли американцы Геральд Гуральник, Карл Хаген и англичанин Томас Киббл.
Идея спонтанного нарушения симметрии состоит в том, что дифференциальные уравнения движения остаются неизменными и определяются ненарушенной симметрией теории, а нарушение касается только начальных условий. Наглядно это можно продемонстрировать на следующем примере: представьте себе, что Вы сидите за ужином за круглым столом и перед каждым гостем стоит прибор, а между приборами — салфетка. Ситуация полностью симметрична относительно вращений стола. При большом количестве гостей группа симметрии вращений круглого стола есть группа U (1), прямо как группа электромагнитных взаимодействий. Теперь представим, что какой-то гость выбирает салфетку слева либо справа от себя. Как только он это сделал — симметрия нарушена. И теперь все гости должны выбрать салфетку соответственно. Таким образом, при сохранении симметрии круглого стола и всей рассадки гостей, начальные условия симметрию относительно вращений нарушили.
Как использовать данный механизм в Стандартной модели фундаментальных взаимодействий и почему он позволяет придать массу всем частицам? Прежде всего в модель вводится дополнительное поле спина 0. Таких полей в Стандартной модели не было: все кварки и лептоны имеют спин ½, все переносчики взаимодействий — спин 1. Затем предполагается, что потенциал имеет такой вид, что низшее энергетическое состояние соответствует ненулевому среднему значению поля. В Стандартной модели потенциал выбирается в форме, напоминающей донышко бутылки из-под шампанского, или в форме мексиканской шляпы. В этом случае положение в центре является неустойчивым, а устойчивым низшим состоянием является положение вдоль жёлоба окружающего центр. Потенциал при этом симметричен относительно вращений вокруг оси проходящей через центр, но если выбрать какое-либо положение на жёлобе — это нарушит вращательную симметрию. В Стандартной модели это соответствует группе симметрии слабых взаимодействий — SU (2). То есть осуществляется спонтанное нарушение симметрии: уравнения движения симметричны, а начальное значение — среднее значение поля — нарушает симметрию. Это среднее значение — конденсат — является величиной постоянной, не зависящей от точки пространства и времени. Это как бы некое поле в которое погружены все частицы Стандартной модели.
Механизм генерации масс
Распространяясь в пространстве, частицы взаимодействуют с постоянным полем как с некоторой вязкой средой, что приводит к замедлению их движения, тем больше, чем сильнее взаимодействие. Тем самым они приобретают массу, пропорциональную силе взаимодействия с этой средой. Это сразу же приводит к предсказанию — отношения масс различных частиц должно быть пропорционально отношению соответствующих констант, характеризующих силу взаимодействия. В случае частиц — переносчиков слабого взаимодействия, так называемых W и Z –бозонов, это предсказание блестяще выполняется.
Тем самым все частицы, взаимодействующие с этим новым полем, приобретают массу. Это относится к кваркам, лептонам и W и Z –бозонам. Фотон и глюон с этим полем не взаимодействуют и остаются безмассовыми. Соответственно группа симметрии Стандартной модели становится нарушенной, а не нарушенными остаются группы SU (3) и U (1).
Однако, проявлением существования нового поля является не только конденсат. В квантовой теории каждому полю соответствуют квантовые флуктуации, проявляющиеся как частицы. Частицей соответствующей данному новому полю и является пресловутый бозон Хиггса — частица спина 0. Хиггсовский бозон тоже приобретает массу в результате взаимодействия с той же самой средой, так что она тоже пропорциональна силе этого взаимодействия. Но, так как теория не предсказывает значение константы самодействия бозона Хиггса, не предсказывается и его масса.
То есть мы знаем свойства хиггсовского бозона, знаем вид его взаимодействия с другими частицами, но не знаем его массу. По этой причине его экспериментальное обнаружение затруднено. Теория даёт лишь косвенные ограничения на массу хиггсовского бозона в пределах от 10 до 600 масс протона, хотя прецизионные измерения параметров слабого взаимодействия, произведенные на электрон-позитронном коллайдере Европейского центра ядерных исследований в Женеве скорее указывают на более узкий интервал в районе 100 протонных масс.
Экспериментальный поиск
Экспериментальный поиск хиггсовского бозона осуществлялся в последнее время на всех ускорителях. Проблема его обнаружения состояла в том, что хиггсовский бозон, как и большинство элементарных частиц, является нестабильным и практически мгновенно распадается на более лёгкие частицы. Несмотря на то, что он движется со скоростью близкой к скорости света, он успевает пролететь ничтожное расстояние, и детекторы регистрируют лишь продукты его распада. Это есть уже известные нам частицы: фотоны, кварки, лептоны и W и Z — бозоны. Последние, в свою очередь, также распадаются. Таким образом, обнаружение хиггсовского бозона осуществляется по продуктам его распада. Однако, те же самые частицы рождаются на ускорителях и в отсутствии хиггсовского бозона. Это значит, что признаком рождения хиггсовского бозона является избыток рождённых вторичных частиц с энергией равной массе хиггсовского бозона. То есть, задача детектора состоит в фиксации потока вторичных частиц и измерении их энергии. При некоторой энергии должен наблюдаться избыток частиц по отношении к расчетному и это будет сигналом рождения хиггсовского бозона. Как видим, всё не так просто.
Уже упоминавшийся электрон-позитронный женевский коллайдер не нашёл хиггсовский бозон и установил нижний предел на его массу в размене 115 протонных масс. Причиной его необнаружения, являлась недостаточная энергия коллайдера. С другой стороны, протонные коллайдеры, уже закрытый коллайдер в Национальной лаборатории им. Э.Ферми под Чикаго и работающий сейчас Большой адронный коллайдер в Женеве, имеют достаточную энергию, но приводят к такому количеству рождающихся частиц, что «рассмотреть» хиггсовский бозон оказывается очень трудно.
В силу специфики рождения частиц на протонном коллайдере, движение происходит в обратном направлении, от больших масс к меньшим. Большой адронный коллайдер последовательно исследовал интервал масс от 600 до 115 ГэВ и в 2011 году интервал возможных значений массы хиггсовского бозона сузился до 115-130 протонных масс.
Следует, однако, отметить, что хотя для придания масс всем известным частицам достаточно одного хиггсовского бозона, существовала вероятность, что реализуется более сложная схема, включающая несколько таких частиц разной массы. При этом, правда, легчайшая из них обладала бы теми же свойствами, что и один единственный хиггсовский бозон.
Необходимость введения дополнительной частицы спина 0, или даже нескольких таких частиц, часто рассматривалась как недостаток механизма Хиггса в Стандартной модели. Надо сказать, что до сих пор в природе не обнаружено ни одной фундаментальной частицы спина 0, хотя они являются очень популярными составляющими многих моделей в физике частиц и космологии.
Возможно, что это частица не является элементарной, а состоит из других частиц, как протон и нейтрон состоят из кварков. Такую возможность тоже следует принимать во внимание, однако, эффективно, даже будучи составным, хиггсовский бозон всё равно должен проявиться в экспериментах на ускорителях.
Открытие 2012 года
4 июля 2012 года в Европейском центре ядерных исследований в Женеве состоялся семинар, на котором ЦЕРН (Европейский Центр ядерных исследований) заявил об открытии новой частицы с массой в районе 125.5 ГэВ по своим свойствам напоминающей столь желанный бозон Хиггса. В этот час во многих университетах и научных центрах во всём мире физики с волнением следили за происходящим и с нетерпением ожидали того, что на самом деле ни для кого не было секретом, секретом были лишь детали: какова статистика? каково значение массы? получен ли сигнал на уровне 5 сигма?
Несомненно, открытие новой частицы (надеемся, что определение квантовых чисел позволит подтвердить, что речь действительно идет о хиггсовском бозоне) явилось важнейшим событием в физике высоких энергий. Уместно вспомнить, что первые указания на существование новой частицы появились в 2011 году, когда было набрана светимость в 5/фб. В 2012 году набрано ещё 6/фб и уровень достоверности по двум основным каналам распада: в два фотона и в четыре лептона, достиг 5 сигма. Вероятно, в конце года, когда ожидается утроение статистики, будут определены квантовые числа — спин и четность, и можно будет уверенно говорить об открытии хиггсовского бозона.
Поразительно, как появление экспериментальных данных, содержащих по сути дела одно число — 125.5 ГэВ, возбудило физическое сообщество. Важен, конечно, сам факт существования хиггсовского бозона, а не его масса, но и масса, как оказалось, говорит о многом. На проходящей в те же дни Международной конференции по физике высоких энергий в Мельбурне уже на следующий день после объявления результата и во все последующие дни в многочисленных докладах обсуждались последствия открытия. Оказалось, например, что для суперсимметричных моделей полученное значение несколько великовато и немедленно началось обсуждение моделей с расщиренным хиггсовским сектором, моделей с нарушением R-чётности и прочее.
Статистика пока ещё невелика и небольшие отклонения от Стандартной модели можно объяснять флуктуациями, но уже обсуждают некоторое превышение в рождении фотонов и наоборот недостаток в рождении лептонов, отсутствие пар тау-лептонов. На повестке дня двухдублетные модели, модели составного хиггса наподобие псевдоголдстоуновских бозонов. Другими словами — спячка закончилась, наступает интересное время.
Похоже мало кто сомневается, что в ближайшее время (в 2012 году) в вопросе о существовании хиггсовского бозона будет поставлена точка. Предстоит ещё конечно определить, что это за бозон: единственный бозон из минимальной версии Стандартной модели, начало ли целого семейства хиггсовских бозонов (как в суперсимметричных теориях) или может составной бозон с наличием возбужденных состояний. Но начало положено. Можно предполагать, что в дальнейшем важность этого исторического момента будет осознана. Похоже, 4 июля мы вступили в новую эру.
Литература:
Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц// 2-е изд., переработанное и дополненное. — М.: «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1988 г., 272 с.
Окунь Л. Б. Лептоны и кварки// 2-е изд., переработанное и дополненное. — М.: «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1990 г., 346 c.
