В начале 20-го века ученые думали, что разгадали главную тайну Вселенной, узнав, что она состоит из атомов. Но затем оказалось, что сами атомы тоже имеют сложную структуру из ядер и электронов. А открытие нейтрона в 1932 году подтолкнуло физиков к созданию современной Стандартной модели элементарных частиц.
Последним камнем в фундаменте этой модели стало открытие бозона Хиггса в 2012 году на Большом адронном коллайдере. Считалось, что с бозоном Хиггса головоломка наконец разгадана. Однако это не так – перед наукой все еще стоит несколько грандиозных загадок. Почему существуют темная материя и темная энергия? Что произошло во Вселенной в самом начале Большого взрыва? Откуда берутся массы элементарных частиц? И, пожалуй, самый главный вопрос: почему Вселенная состоит из материи, а не равного количества материи и антиматерии?
Содержание
Удивительно, но бозон Хиггса может помочь разгадать эту последнюю тайну – почему мы существуем в материальном мире. Для объяснения потребуется экскурс в свойства нейтрона.
Путаница с нейтроном
Протоны, составляющие ядра атомов, могут существовать вечно. Но их близкие “родственники” нейтроны – нестабильны. Свободный нейтрон со временем распадается на протон, электрон и антинейтрино. Такой распад также происходит у отдельных нейтронов внутри нестабильных ядер.
Чтобы объяснить этот загадочный распад, физики предположили существование новой силы – слабого ядерного взаимодействия, переносчиком которой является тяжелая частица – W-бозон. Это противоречило известной теореме о том, что переносчики фундаментальных сил (бозоны) должны быть безмассовыми. Парадокс удалось разрешить благодаря предложенному в 1964 году “механизму Хиггса”.
Решение Хиггса
Согласно теории Хиггса, во Вселенной существует специальное “поле Хиггса”, распространенное повсюду. Когда при остывании ранней Вселенной произошло спонтанное нарушение электрослабой симметрии, три компоненты этого поля породили массивные W и Z-бозоны. А последняя четвертая компонента образовала новую безмассовую частицу – скалярный бозон Хиггса.
Открытие бозона Хиггса в 2012 году подтвердило справедливость этого невероятного механизма. Он стал краеугольным камнем нашего понимания того, из чего состоит материя. Возникновение массы частиц обусловлено их взаимодействием с полем Хиггса, подобно тому как фотоны обретают массу за счет взаимодействия со сверхпроводящими электронами в некоторых материалах.
Но загадка не решена до конца. Возможно, открытый бозон Хиггса – не единственная частица своего рода?
Ловушки на пути симметрии
Процесс нарушения симметрии хиггсовским полем можно представить как скатывание шара с холма. Возможны два варианта формы холма. В первом – траектория ровная без каких-либо ям. Во втором есть по меньшей мере одна “ложная яма” – ловушка, в которой шар может застрять, прежде чем докатиться до основания.
Если шар – это поле Хиггса, а его конечная точка – физический вакуум современной Вселенной, то гладкий путь без ловушек соответствует плавному нарушению симметрии, как в Стандартной модели. А возможность попадания в “ложную яму” означает более сложный сценарий.
Предполагается, что именно такой случай необходим для одного из объяснений существующей асимметрии между материей и антиматерией во Вселенной.
Условия Сахарова
Для возникновения этой асимметрии требуется выполнение трех условий, предложенных советским физиком Андреем Сахаровым:
- Вселенная должна находиться в неравновесном состоянии.
- Должны существовать процессы, не сохраняющие объединенную чётность С (зарядовое сопряжение) и СР (зарядовое сопряжение и пространственная чётность).
- Должны происходить процессы с нарушением барионного числа – количества барионов (протонов и нейтронов) в системе.
В Стандартной модели есть процессы с нарушением СР-симметрии, но они слишком слабы для объяснения наблюдаемой асимметрии материи и антиматерии. Электрослабый фазовый переход там происходит плавно, без ловушек для полей.
Однако если добавить в теорию новые сектора частиц, могущих смешиваться с бозоном Хиггса, ситуация меняется. Тогда возможен более сложный фазовый переход первого рода с “запинками” и ловушками на пути эволюции. Это создает идеальные условия для нарушения барионного числа и появления избытка материи над антиматерией.
Поиски перехода первого рода
Следы такого перехода можно попытаться обнаружить на современных ускорителях элементарных частиц, например, Большом адронном коллайдере. На нем происходит множество столкновений, образующих бозоны Хиггса. Если реально существует более одного хиггсовского поля, они должны смешиваться, вызывая небольшие отклонения от предсказаний Стандартной модели для свойств бозона Хиггса.
Такую тонкую “подгонку” на уровне тысячных или даже миллионных долей можно выявить, внимательно изучая огромное количество столкновений и регистрируемых событий. В экспериментах на адронном коллайдере также могут наблюдаться реакции с нарушением барионного числа – признак выполнения третьего условия Сахарова.
Другие сигналы новой физики
Помимо прямых признаков от столкновений частиц на коллайдерах, наличие дополнительных хиггсовских полей должно проявляться и другими способами.
Во-первых, первопорядковый фазовый переход в ранней Вселенной мог порождать специфические гравитационные волны. Их можно попытаться зарегистрировать современными детекторами, созданными для обнаружения волн от слияний черных дыр и нейтронных звезд.
Во-вторых, существование дополнительных хиггсовских полей способно объяснить природу темной материи. Если какие-то новые частицы слабо взаимодействуют с обычным веществом, оставаясь при этом стабильными и массивными, они могут быть ответственны за гравитационные эффекты темной материи.
В-третьих, изучение распадов бозона Хиггса может указать на фундаментальные свойства гравитации. Например, если гравитация на малых расстояниях отличается от предсказаний Эйнштейна из-за существования “дилатона” – другого скалярного поля, то бозон Хиггса должен распадаться на пары дилатонов.
Стоит ли удивляться важности бозона Хиггса? Во многом поиск ответов на фундаментальные вопросы о рождении и устройстве нашей Вселенной сводится к детальному исследованию этой элементарной частицы!
Вызов для физики
В течение последних десятилетий Стандартная модель элементарных частиц считалась практически завершенной. Открытие бозона Хиггса окончательно установило ее господство в микромире. Но теперь ученые ищут намеки на новую, более глубокую теорию, способную объединить все известные фундаментальные взаимодействия и ответить на главные загадки космологии.
Возможно, именно бозон Хиггса и скрытое многообразие хиггсовских полей станут ключом к разгадке тайны материального устройства нашего мира. Или же физики в конечном итоге поймут, что для объяснения мироздания необходимо искать фундаментальные законы уже на других путях?
Упорный поиск и развитие новых идей, конечно же, продолжатся. Но хотелось бы, чтобы простой бозон Хиггса в итоге привел нас к элегантному и гармоничному пониманию Вселенной.
Красивая и грандиозная теория, объясняющая все происходящее от первых мгновений после Большого взрыва, – вот величайшая мечта и цель современной физики. А начинается путь к ней с кирпичика под названием бозон Хиггса.
Читайте также: Питер Хиггс умер в возрасте 94 лет. Что такое предсказанная им “частица Бога” – бозон Хиггса?
