Краткое описание
Все известные на сегодня элементарные частицы и их взаимодействия с хорошей точностью описываются Стандартной моделью. Хиггсовский бозон — неоткрытая пока частица, которая очень важна для этой теории (изображение с сайта GridPP) Современная теория элементарных частиц опирается на определенную симметрию между электромагнитными и слабыми взаимодействиями — электрослабую симметрию. Считается, что эта симметрия была в ранней Вселенной и из-за нее частицы были поначалу безмассовы, но на каком-то этапе она самопроизвольно нарушилась, и частицы приобрели массу. В теории элементарных частиц для этого нарушения электрослабой симметрии был придуман хиггсовский механизм. Именно его должен будет изучить LHC.
Для этого в эксперименте потребуется открыть хиггсовский бозон — частицу-отголосок хиггсовского механизма. Если этот бозон будет найден и изучен, физики узнают, как протекало нарушение симметрии, и даже, возможно, создадут новую, более глубокую теорию нашего мира. Если этот бозон не будет найден (ни в каком виде!), то потребуется серьезный пересмотр Стандартной модели элементарных частиц, поскольку без хиггсовского механизма она работать не может.
Все эксперименты, проведенные до сих пор, не могли справиться с этой задачей из-за недостаточно большой энергии частиц. Ожидается, что коллайдер LHC с его рекордной энергией протонов даст ответы на все ключевые вопросы.
Чуть подробнее
Современная теория элементарных частиц — Стандартная модель — занимается не столько перечислением фундаментальных частиц, сколько описанием их взаимодействий. В основе ее лежит идея, что два таких, казалось бы, разных взаимодействия, как электромагнитное и слабое, на самом деле являются двумя сторонами «одной медали» — электрослабого взаимодействия.
В рамках этой теории получается так, что при высокой температуре между слабыми и электромагнитными взаимодействиями существует симметрия. Но электрослабая симметрия возможна только тогда, когда фундаментальные частицы безмассовы, а мы знаем из опыта, что в нашем мире эти частицы массивны. Значит, симметрия должна быть нарушена. Хиггсовский механизм как раз и является той движущей силой, которая нарушает эту симметрию. Можно сказать, что главная задача хиггсовского механизма — сделать частицы массивными.
Происходит это так. В квантовой теории все частицы — это вовсе не «твердые шарики», а кванты, колеблющиеся «кусочки» поля. Электроны — это колебания электронного поля, фотоны — колебания электромагнитного поля и т. д. У каждого поля есть состояние с самой низкой энергией — оно называется «вакуумом» этого поля. Для обычных частиц вакуум — это когда частицы отсутствуют, то есть когда их поле везде равно нулю. Если частицы присутствуют (то есть поле не везде равно нулю), то такое состояние поля обладает энергией больше, чем у вакуума.
В квантовой теории каждый сорт частиц — это колебания некоторого поля. У этого поля есть вакуум — состояние, при котором поле везде равно нулю. (Рис. И. Иванова) А хиггсовское поле устроено особым образом — у него вакуум ненулевой. Иными словами, состояние с наинизшей энергией хиггсовского поля — это когда всё пространство пронизано хиггсовским полем определенной силы, на фоне которого движутся остальные частицы. Колебания хиггсовского поля относительно этого «вакуумного среднего» — это хиггсовские бозоны, кванты хиггсовского поля.
Хиггсовское поле выделяется среди других тем, что у него вакуумом является состояние, при котором вселенная равномерно заполнена некоторым постоянным полем. Хиггсовские бозоны — колебания этого поля относительно вакуумного среднего. (Рис. И. Иванова) Вездесущее присутствие фонового хиггсовского поля сказывается на движении частиц строго определенным образом — оно затрудняет ускорение частиц, но не мешает их равномерному движению. Частицы становятся более инертными, под действием внешних сил они начинают двигаться как-то неохотно — иными словами, у них появляется масса. Эта масса тем больше, чем сильнее они «цепляются» за хиггсовское поле. Впрочем, некоторые частицы, например фотоны, не цепляются напрямую к хиггсовскому полю и остаются безмассовыми.
Существует множество попыток объяснить суть хиггсовского механизма на пальцах, самыми простыми словами. Некоторые из них приведены на страничке Хиггсовский механизм в аналогиях.
Хиггсовские бозоны тоже массивные, поскольку хиггсовское поле взаимодействует само с собой. Отличительная черта хиггсовских бозонов — они взаимодействуют с разными частицами пропорционально их массе — ведь хиггсовское вакуумное среднее и хиггсовский бозон суть два проявления одного и того же хиггсовского поля. Это свойство хиггсовских бозонов очень важно для их поиска на LHC.
(Подробности про поиск хиггсовского бозона на LHC)
Всё ли известно про хиггсовский механизм?
Вовсе нет! Более того — про него известно очень, очень мало.
Дело в том, что практически все экспериментальные данные, на которых «выросла» Стандартная модель, требуют лишь сам факт нарушения симметрии, но почти ничего не говорят по поводу его механизма. Поэтому проблема сейчас заключается не в том, что физики не знают, как объяснить нарушение электрослабой симметрии, а в том, что они придумали уже очень много вариантов этого нарушения.
Некоторые из них очень простые — как в Стандартной модели, другие — идейно простые, но чуть более сложные в исполнении (например, в моделях с несколькими бозонами Хиггса), а некоторые опираются на принципиально новые идеи, например суперсимметрию, многомерные пространства или новый тип взаимодействия. Все эти варианты собирательно называют «неминимальные хиггсовские механизмы». Какой из них окажется ближе к реальности, можно будет узнать после нескольких лет работы LHC.
(Подробнее про неминимальные варианты хиггсовского механизма)
Можно ли обойтись без хиггсовского механизма?
В принципе, да, но тогда неизбежно получится намного более экзотическая теория, чем Стандартная модель с обычным хиггсовским механизмом.
Тут нужно понимать логическую цепочку. Если мы принимаем идею электрослабой симметрии, то тогда эту симметрию необходимо как-то нарушить. Хиггсовский механизм — самый естественный и минимальный способ такого нарушения. Есть попытки построения бесхиггсовского механизма, но все они очень экзотические и требуют введения новых частиц, взаимодействий или даже пространственных координат. Конечно, будет очень интересно, если именно такая модель реализуется в нашем мире, но с точки зрения конструирования моделей это гораздо более сложные и менее естественные теории, чем хиггсовский механизм.
Если же мы не принимаем идею электрослабой симметрии, то хиггсовский механизм уже не нужен, но тогда потребуется создать иную теорию слабых взаимодействий, которая бы объяснила все наблюдаемые свойства частиц. Напомню, что Стандартная модель не только прекрасно справляется с этим, но и именно на ее основе были предсказаны и затем подтверждены в эксперименте свойства W- и Z-бозонов, отвечающих за слабое взаимодействие. Никакой другой теории, которая могла бы прийти на замену Стандартной модели, пока нет.
На все ли вопросы отвечает хиггсовский механизм?
Опять же, нет. Хиггсовский механизм не объясняет всё, он лишь завершает Стандартную модель, делая ее теорией, пригодной для вычислений при энергиях много меньше 1 ТэВ.
Поэтому при попытке экстраполировать Стандартную модель на очень большие энергии возникают проблемы. Подчеркнем, что это проблемы не хиггсовского механизма самого по себе, а всей Стандартной модели. Они отражают тот факт, что СМ не полна и является лишь «приблизительной» теорией, хорошо работающей лишь при низких энергиях.
При высоких энергиях вместо Стандартной модели должна заработать какая-то новая, более глубокая и еще не построенная теория, в которой эти проблемы будут (отчасти?) решены. Что это за теория — достоверно не известно, но наработок существует уже очень много. Поэтому главная задача LHC — попытаться хоть краешком глаза увидеть проявления этой теории, чтобы понять, куда двигаться дальше. Большинство физиков уверены, что этого можно достичь именно через исследования хиггсовского механизма.
Дополнительная литература:
- Базовые сведения о хиггсовском механизме можно найти в книге Л. Б. Окуня «Физика элементарных частиц» (на уровне слов и картинок) и «Лептоны и кварки» (на серьезном, но доступном уровне).
- S. Dawson. Introduction to Electroweak Symmetry Breaking // hep-ph/9901280 — 83-страничные лекции про хиггсовский механизм и свойства хиггсовского бозона в Стандартной модели и в суперсимметричных теориях.
- C. Quigg. Spontaneous symmetry breaking as a basis of particle mass // Rep. Prog. Phys. 70 1019–1053 (2007); статья в свободном доступе.