Механизм Хиггса

В отличие от протонов и нейтронов такие элементарные частицы, как кварки и электроны, неделимы. Откуда у них берутся массы покоя – главная загадка происхождения массы. Согласно современной физической теории, массы фундаментальных частиц являются результатом их взаимодействия с полем Хиггса. Но почему это поле присутствует всюду во Вселенной? Почему в космических масштабах его напряженность не равна нулю, как у электромагнитного поля? Что такое поле Хиггса?

Поле Хиггса – это квантовое поле. Здесь нет ничего удивительного: все элементарные частицы представляют собой кванты соответствующих квантовых полей. Электромагнитное поле тоже является квантовым, а соответствующая ему элементарная частица – фотон. Так что поле Хиггса в какой-то мере не более загадочно, чем электроны и свет. И все же есть у него три особенности.

Первая из них чисто «техническая». Все поля характеризуются так называемым спином, т.е. определенной величиной углового момента соответствующих частиц. Например, у электронов он составляет 1/2, а у большинства частиц, связанных со взаимодействиями (скажем, у фотонов), равен 1. Спин бозона Хиггса равен нулю, поэтому одноименное поле может входить в лагранжиан необычными способами, что, в свою очередь, обусловливает остальные его особенности.

Второе уникальное свойство поля Хиггса позволяет объяснить, почему его напряженность всюду отлична от нуля. Любая система, включая Вселенную в целом, стремится к состоянию с самой низкой энергией, словно шар, скатывающийся на дно впадины. Для обычных полей наподобие электромагнитного самое низкое энергетическое состояние соответствует нулевой напряженности поля, т.е. его отсутствию. Если же поле отлично от нуля, то содержащаяся в нем энергия увеличивает общую энергию системы. Однако в случае поля Хиггса энергия Вселенной минимальна, когда его напряженность не равна нулю. Таким образом, для обычных полей дно впадины соответствует нулевой напряженности; для поля Хиггса в центре впадины (при нулевой напряженности) имеется пригорок, а самые низкие точки образуют ров. Подобно шару, Вселенная «скатывается» в круговое углубление, которое соответствует ненулевому полю. Поэтому в естественном состоянии с самой низкой энергией Вселенная повсюду пронизана полем Хиггса.

Последняя отличительная черта поля Хиггса связана с особенностями его взаимодействия с другими частицами. Они ведут себя так, будто имеют массу, пропорциональную напряженности поля, умноженной на силу взаимодействия. Массы связаны с теми членами лагранжиана, которые относятся к частицам, взаимодействующим с полем Хиггса.

Однако пока мы не можем точно сказать, сколько существует видов полей Хиггса. Хотя Стандартная модель требует, чтобы все массы элементарных частиц были обусловлены одним полем Хиггса, настало время заменить ее более полной теорией. Главные претенденты на роль последней – расширения Стандартной модели, известные как Суперсимметричные стандартные модели (ССМ). В них каждая частица Стандартной модели имеет так называемого суперпартнера (пока еще не обнаруженного) с тесно связанными свойствами. В ССМ необходимы по крайней мере два различных вида полей Хиггса, взаимодействие с которыми наделяет каждую частицу Стандартной модели массой. Эти поля также придают часть массы (но не всю) суперпартнерам. Два поля Хиггса приводят к пяти разновидностям бозонов Хиггса: три из них электрически нейтральны и два заряжены. Массы нейтрино очень малы по сравнению с массами других частиц и могут возникать из этих взаимодействий косвенно или быть связанными с еще одним, третьим видом поля Хиггса.

У теоретиков есть несколько причин считать, что ССМ-картина взаимодействий Хиггса окажется правильной. Во-первых, без механизма Хиггса W- и  Z-бозоны, которые являются посредниками в слабых взаимодействиях, были бы безмассовыми, как фотон (с которым они связаны), и слабое взаимодействие было бы таким же сильным, как электромагнитное. Согласно теории, механизм Хиггса придает массу W- и  Z-бозонам весьма специфическим образом. Предсказания, основанные на этом положении (например, отношения масс W- и Z-бозонов) были подтверждены экспериментально.

Во-вторых, все другие аспекты Стандартной модели были хорошо проверены, а в столь подробной, взаимосвязанной теории трудно изменить одну часть (например, поле Хиггса), не затрагивая остальное. Например, результат измерений свойств W- и Z-бозонов привел к точному предсказанию массы верхнего кварка задолго до того, как он был получен экспериментально. Если бы механизм Хиггса был другим, это и другие предсказания оказались бы неверными.

В-третьих, механизм Хиггса идеально подходит для объяснения происхождения масс всех частиц Стандартной модели, W- и  Z-бозонов, а также кварков и лептонов. Альтернативным теориям это, как правило, не удается. Кроме того, ССМ предлагает структуру, позволяющую выработать единое понимание всех сил природы. Наконец, ССМ помогает объяснить, почему энергетическая впадина для Вселенной имеет форму, необходимую для механизма Хиггса. В базовой Стандартной модели форму впадины необходимо ввести как постулат, тогда как в ССМ она выводится математически.

Наглядно хиггсовский механизм можно представить следующим образом. Рассыпанные по поверхности стола маленькие пенопластовые шарики (аналоги безмассовых частиц) легко разлетаются от малейшего дуновения; однако будучи высыпанными на поверхность воды, они уже не перемещаются так же легко — взаимодействие с жидкостью, которая в этой аналогии играет роль вакуумного хиггсовского поля, придало им инертность. Рябь от дуновения на свободной поверхности воды будет аналогом хиггсовских бозонов. Неточность этой аналогии заключается в том, что вода мешает любому движению шариков, в то время как хиггсовское вакуумное поле не оказывает влияния на частицы, движущиеся равномерно и прямолинейно, а противодействует лишь их ускорению.