Глава 3
Атомы и частицы
Мы разрываем материю на части, чтобы найти основные кирпичики, из которых она построена, – кварки и лептоны.
В начале 1800-х годов немецкий терапевт Самуэль Ганеман заложил основы гомеопатии. Разочаровавшись в эффективности методов тогдашней медицины, Ганеман разработал новый подход, основанный на принципе «лечения подобного подобным». Ганеман утверждал, что лечить болезнь можно в первую очередь с помощью субстанции той же природы, что и субстанция, вызвавшая данный недуг, нужно только ее правильно приготовить. Способ приготовления назывался потенцированием и состоял в последовательном разбавлении вещества водой и энергичного встряхивания раствора после каждого акта разбавления. Обычно при разбавлении смешивают одну часть вещества с 99 частями воды. Гомеопатические препараты так и готовятся: разбавляют, встряхивают, еще раз разбавляют, еще раз встряхивают, и так 200 раз.
Недавно Криспиан Яго – профессиональный консультант по программному обеспечению и по совместительству член общества скептиков-любителей из Хемпшира – решил публично продемонстрировать нелепость гомеопатии как медицинского метода. Для этого он решил применить метод последовательного разбавления, использовав легкодоступное вещество – собственную мочу. Полученный раствор он затем выпил. Поскольку он был не очень терпеливым, то разбавлял мочу только 30 раз. Для наукообразности он назвал мочу не «мочой» (urine), а «писой» (piss), а затем заявил, что разработал лекарство для лечения состояния «being pissed», что переводится либо как «быть рассерженным» (на американском английском), либо как «быть пьяным» (на британском английском). И естественно, выложил эти результаты для широкого обозрения в виде скандального видеоролика на сайте YouTube.
У Яго были веские причины не переживать из-за того, что придется пить мочу, разведенную 30 раз в соотношении 1:99, поскольку к тридцатому разведению полученный таким образом раствор вообще не содержал первоначального вещества. Не просто «незначительного количества», а на самом деле ничего – конечно, если процесс разведения был проделан достаточно аккуратно.
Объясняется это тем, что все в окружающем нас мире – моча, алмазы, картофель-фри, действительно все – состоит из атомов, как правило, объединенных в молекулы. Эти молекулы – самые мелкие кирпичики вещества, которые все еще можно считать частичками этого вещества. По отдельности два атома водорода и один атом кислорода – только атомы, в соединении друг с другом в молекуле они становятся водой.
Поскольку все вещества состоят из атомов и молекул, мы не можем разбавлять вещество бесконечно и считать, что оно все еще сохраняет свою идентичность. Чайная ложка мочи содержит примерно 1024 молекул. Если мы один раз ее разбавим, смешав 1 часть мочи с 99 частями воды, у нас останется 1022 молекул мочи. Разведем два раза, и у нас останется 1020 молекул. К тому времени, когда мы разбавим двенадцать раз, в ложке раствора останется в среднем только одна молекула исходного вещества. А дальше идет обычное очковтирательство – просто смешивается вода с еще большим количеством воды. Приблизительно за 40–50 разведений мы смогли бы разбавить до одной молекулы все вещество известной Вселенной.
Поэтому когда Яго закончил процедуру и сделал свой показательный глоток, вода, которую он пил, была столь же чиста, как и вода из крана. Сторонники гомеопатии, конечно, знают все это, но считают, что молекулы воды сохраняют «память» о любом веществе, первоначально в ней растворенном, а приготовленный таким образом раствор даже действеннее, чем первоначальное вещество. Это не соответствует всему, что мы знаем из физики и химии, да и клинические испытания гомеопатических препаратов показывают, что их эффективность в борьбе с болезнью не выше, чем у плацебо.
Однако людям часто свойственно не доверять фактам. А ведь один из самых замечательных фактов – это то, что вещество состоит из атомов и молекул. И кроме того, для создания многообразия всего, существующего в нашем наблюдаемом мире, требуется лишь несколько фундаментальных элементарных частиц, способных образовывать различные комбинации.
На первый взгляд «зоопарк» частиц выглядит сложным и устрашающим, но на самом деле существует всего двенадцать частиц вещества, которые распадаются точно на две группы по шесть: кварки, которые участвуют в сильных ядерных взаимодействиях, и лептоны, которые этого не делают. История открытия элементарных частиц – это удивительная история, длившаяся столетие: начиная с обнаружения электрона в 1897 году и до открытия последнего элементарного фермиона (тау-нейтрино) в 2000 году. Здесь мы проведем краткую экскурсию по «зоопарку», а более подробное описание частиц и их характеристики приведем в Приложении 2. Когда все разложится по полочкам, мы будем иметь относительно простой набор частиц, из которых сделано все остальное.
Изображения атомов
Все видели схематические изображения атомов. На этих рисунках атомы похожи на крошечные солнечные системы: в центре – ядро, а вокруг него, каждый по своей орбите, вращаются электроны. Эта схема используется в качестве логотипа Комиссии по атомной энергии США. Однако на самом деле такое изображение атома – искусный обман.
Эта картинка – по сути модель атома Бора, названная в честь датского физика Нильса Бора, использовавшего в определении структуры атома идеи квантовой механики. До этого была принята другая модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом, английским физиком, уроженцем Новой Зеландии. В модели атома Резерфорда электроны вращались вокруг ядра на самых разных расстоянии, подобно планетам в реальной Солнечной системе (с той разницей, что на электроны действует электромагнитная сила, а не сила тяжести). Бор модифицировал эту идею, внеся ограничение, согласно которому электроны могут находиться только на определенных орбитах, и это явилось крупным шагом вперед в объяснении экспериментальных данных, касающихся спектров атомов. Теперь мы знаем, что электроны на самом деле вообще не «вращаются», потому что они в реальности не имеют точного «положения» или «скорости». Квантовая механика говорит, что электрон существует в виде облака вероятности, называемого «волновой функцией», которая показывает, где мы могли бы обнаружить частицу, если бы принялись ее искать.
Схематическое изображение атома, в данном случае атома гелия. Ядро расположено в центре и состоит из двух протонов и двух нейтронов, а два электрона «вращаются» на некотором расстоянии вокруг него.
Со всеми этими оговорками, если мы хотим получить лишь некоторое интуитивное представление о том, что в атоме происходит, сложившееся у нас в голове схематичное представление о том, как он выглядит, не так уж плохо. Ядра в центре, электроны на окраинах. Электроны относительно легкие, больше 99,9 % всей массы атома находится в ядре, а ядро состоит из смеси протонов и нейтронов. Нейтроны немного тяжелее, чем протоны, – нейтрон тяжелее электрона примерно в 1842 раза, а протон – примерно в 1836 раз. И протоны, и нейтроны называются «нуклонами», поскольку являются частицами, входящими в состав ядер. Оба нуклона удивительно похожи друг на друга, только вот протон имеет электрический заряд, а нейтрон – нейтрален, и, как уже было сказано, чуть-чуть тяжелее.
Подобно многим вещам в нашей жизни, строение атома определяется тончайшим балансом сил. Электроны притягиваются к ядру электромагнитной силой, которая гораздо сильнее, чем сила тяжести. Электромагнитное притяжение между электроном и протоном примерно в 1039 раз сильнее гравитационного притяжения между ними. Но в то время как гравитация – вещь простая (всё притягивает всё), электромагнитное взаимодействие является более хитрым. Нейтроны получили свое название потому, что они нейтральны, то есть вообще не имеют электрического заряда. И следовательно, электромагнитное взаимодействие между электроном и нейтроном равно нулю.
Частицы с одноименным электрическим зарядом отталкиваются друг от друга, в то время как противоположности, в соответствии с романтическими клише, притягиваются. Электроны притягиваются к протонам, находящимся внутри ядра, поскольку электроны отрицательно заряжены, а протоны – положительно. Но тогда возникает вопрос: почему упакованные так плотно внутри ядра протоны не отталкивают друг друга? Дело в том, что их взаимное электромагнитное отталкивание действительно существует, но оно значительно слабее, чем сильное ядерное взаимодействие. Электроны не чувствуют этого сильного взаимодействия (как нейтроны не чувствуют электромагнитного), а вот протоны и нейтроны его очень даже чувствуют, и именно поэтому могут объединяться друг с другом и образовывать атомные ядра. Однако только до определенного предела. Если ядро становится слишком большим, электрическое отталкивание усиливается настолько, что протонам уже трудно удержаться вместе, и ядро приобретает радиоактивные свойства: оно поживет еще какое-то время, а потом распадется на меньшие ядра.
Антиматерия
Все, что вы видите вокруг прямо сейчас, или видели своими глазами, или слышали своими ушами, а также воспринимали с помощью любого из органов чувств когда-либо прежде, – все это составлено из электронов, протонов и нейтронов, на которые действуют три силы – гравитация, электромагнетизм и ядерная сила. Последняя удерживает вместе протоны и нейтроны в ядрах атомов. В начале 1930-х годов был открыт нейтрон, и физикам стала известна вся троица этих частиц – электроны, протоны и нейтроны. В то время, должно быть, трудно было не поддаться искушению и не поверить, что эти три фермиона – действительно самые важные, фундаментальные ингредиенты Вселенной, то есть основные блоки конструктора «Лего», из которых все строится. Но у природы было припасено для нас еще несколько сюрпризов.
Первым, кто понял в общих чертах, как ведут себя фермионы, стал английский физик Поль Дирак. В конце 1920-х годов он вывел уравнение, описывающее поведение электрона. Физикам понадобилось много времени, чтобы понять эту работу Дирака. Непосредственным следствием уравнения Дирака является наличие у каждого фермиона частицы противоположного вида, названной античастицей. Частицы антивещества имеют точно такую же массу, что и их визави из вещества, но противоположный электрический заряд. Когда частицы и античастицы встречаются вместе, они, как правило, аннигилируют с высвобождением энергии, и если мы сможем собрать вместе некоторое количество частиц антиматерии, это даст нам (теоретически) отличный способ запасти энергию. Эта идея породила множество сюжетов в научно-фантастической литературе на тему ракетных двигателей, работающих на антивеществе.
Теория Дирака блестяще подтвердилась в 1932 году, когда американский физик Карл Андерсон открыл позитрон – античастицу электрона. Существует строгая симметрия в отношениях между материей и антиматерией. Однако сегодня мы знаем, что вся та Вселенная, которую мы можем наблюдать, заполнена именно веществом и содержит очень мало антивещества. Почему Вселенная должна быть именно такой, остается для физиков загадкой, впрочем, у нас есть на этот счет целый ряд многообещающих идей.
Андерсон изучал космические лучи – частицы высокой энергии, прилетающие из космоса в атмосферу Земли. Там они сталкиваются с частицами атмосферы, и при этом рождаются другие частицы, часть которых устремляется к поверхности Земли, к нам. Таким образом, земная атмосфера играет роль гигантского естественного детектора частиц.
Чтобы получить изображения треков заряженных частиц, Андерсон использовал удивительный прибор – «облачную камеру» (или «конденсационную камеру», некий аналог «камеры Вильсона»). Это удачное название, так как основной принцип можно понять, наблюдая за тем, что происходит в реальных облаках. Вы заполняете камеру перенасыщенным водяным паром, причем «перенасыщенный» означает, что водяной пар действительно готов превратиться в капельки воды, но еще не в состоянии это сделать без какого-либо внешнего толчка. В обычном облаке таким толчком обычно служит некоторая частичка примеси вроде пылинки или кристаллика соли. В физическом приборе – «облачной камере» – такой инициатор конденсации появляется, когда в нее прилетает заряженная частица. Частица сталкивается с атомами внутри камеры, выбивает из них электроны, образуя на своем пути ионы. Эти ионы служат центрами кристаллизации, на которых конденсируются крошечные капельки воды. Таким образом, пролетающая заряженная частица будет оставлять за собой след из капель, похожий на инверсионный след самолета, позволяющий нам увидеть его путь.
Андерсон поместил свою «облачную камеру» внутрь мощного магнита высотой со здание аэронавтики в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) и стал наблюдать за треками (следами) космических лучей. Получение перенасыщенного до нужной степени пара внутри камеры требовало быстрого (адиабатического) снижения давления, что достигалось при падении поршня, сопровождаемого громким хлопком. Камеру включали только по ночам, поскольку она потребляла огромное количество электроэнергии, и тогда громкие удары поршня будили жителей Посадену, сообщая во всеуслышание, что ученые не покладая рук трудятся над раскрытием тайн Вселенной.
Изображение треков в облачной камере, с помощью которой Карл Андерсон открыл позитрон. Траектория позитрона – искривленная линия, которая начинается вблизи дна, пересекает пластинку свинца, расположенную посередине камеры, продолжается в верхней половине и тянется к потолку камеры, но там трек уже имеет большую кривизну.
На фотографиях, сделанных Андерсоном, обнаружилось равное количество пролетающих через камеру частиц, чьи треки закручивались по и против часовой стрелки. Легко предположить, что в космических лучах содержалось равное количество протонов и электронов. И действительно, скорее всего, именно этого можно было ожидать, поскольку отрицательно заряженные частицы не могут быть созданы без положительных, иначе нарушился бы баланс. Но у Андерсона в эксперименте был еще один экспериментальный параметр, который он также внимательно проанализировал, – толщина ионного следа в «облачной камере». Андерсон понял, что если треки, оставленные положительными частицами, образованы протонами, которые движутся сравнительно медленно (в данном контексте это означает, что их скорость ниже, чем 95 % скорости света), то они, эти треки, должны быть шире, толще, чем те, что наблюдались в эксперименте. Оказалось, таинственные частицы, пролетавшие через камеру, были положительно заряженными, как протоны, но такими же легкими, как электроны.
С точки зрения логики, имелась еще одна возможность – эти треки могли принадлежать электронам, движущимся в обратном направлении. Чтобы проверить такую возможность, Андерсон вставил в камеру пластину свинца, делящую ее пополам. Частица, перелетающая сквозь свинцовую пластину из первой половины камеры во вторую, должна была бы слегка замедлиться, и это четко указало бы направление ее движения. На знаменитом снимке, вошедшем в историю физики элементарных частиц, мы видим закрученный в направлении против часовой стрелки след частицы в облачной камере, прошедшей через свинец, и замедлившейся после этого.
Так был открыт позитрон. Известные гуру теории поля – Эрнест Резерфорд, Вольфганг Паули и Нильс Бор – сначала не поверили в позитрон, но красивый эксперимент всегда одерживает верх над теоретической интуицией, какой бы блестящей она ни была. С этих пор идея антиматерии вошла в мир физики элементарных частиц навсегда.
Нейтрино
Итак, кроме трех фермионов (протона, нейтрона и электрона) у нас появились еще три (антипротон, антинейтрон, позитрон), то есть всего шесть частиц. Пока еще не густо. И остались загадки. Например, когда распадаются нейтроны, они превращаются в протоны и испускают электроны. Тщательное изучение процесса показало, что при таком распаде вроде бы нарушается закон сохранения энергии – полная энергия протона и электрона всегда оказывалась немного меньше, чем у их родителя нейтрона.
Решение этой задачи нашел в 1930 году Вольфганг Паули. Он предположил, что лишнюю энергию уносит крошечная нейтральная частица, обнаружить которую весьма трудно. Он назвал свою гипотетическую частицу «нейтроном» – это произошло еще до того, как это имя присвоили тяжелой нейтральной частице, входящей в состав атомного ядра. Позже Энрико Ферми предложил назвать частицу Паули «нейтрино», что в переводе с итальянского означает «нечто маленькое и нейтральное».
Распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино
На самом деле, как мы сейчас знаем, при распаде нейтрона испускается не нейтрино, а антинейтрино, но в принципе Паули был абсолютно прав. Надо сказать, что тогда он был слегка смущен, ведь ему пришлось ввести в научный обиход частицу, которую, как всем казалось, обнаружить нельзя. Зато сейчас все изменилось, и физика нейтрино стала неотъемлемой частью физики элементарных частиц.
И после введения нейтрино с механизмом распада нейтронов не все еще было ясно. Когда частицы взаимодействуют друг с другом, предполагается, что на них действует некая сила, однако распад нейтрона не мог быть вызван ни силами гравитации, ни электромагнитными, ни ядерными силами. И тогда физики приписали распад нейтрона некому «слабому ядерному взаимодействию»: эта сила, очевидно, имела какое-то отношение к нуклонам, но в то же время не была той силой, что удерживает нуклоны вместе и называется «сильным ядерным взаимодействием».
Существование нейтрино установило некоторую симметрию между элементарными частицами. Были две легкие частицы, электрон и нейтрино, которые в конечном итоге окрестили «лептонами» – от древнегреческого слова λεπτόζ (лептос), «малый». И было две тяжелые частицы, протон и нейтрон, которые немного позже назвали «адронами» – от древнегреческого αδρόζ (адрос), «массивный». Адроны подвержены сильному ядерному взаимодействию, в то время как лептоны его не чувствуют. В каждой двойке имеется одна заряженная частица и одна нейтральная. И если вы решите, что это все, что ими исчерпываются основные строительные блоки материи, вас можно понять.
Поколения лептонов
Но в 1936 году появился – как с неба упал – неожиданный гость по имени мюон. Карл Андерсон, первооткрыватель позитрона, и Сет Неддермайер опять принялись исследовать космические лучи – частицы, которые попадают в атмосферу Земли из космоса, и обнаружили новую отрицательно заряженную, как и электрон, частицу, но тяжелее электрона, однако легче, чем мог бы быть антипротон. Ее назвали «мюмезон», но вскоре поняли, что это совсем не мезон, то есть бозон, составленный из кварка и антикварка), и название укоротили до «мюона». В 1930-е годы в лаборатории Калтеха, где работал Карл Андерсон, было обнаружено не менее половины из известных сегодня элементарных частиц. Кто знает, а вдруг спустя одно или два десятилетия половина из открытых к тому времени элементарных частиц будет найдена на БАКе…
Итак, мюон стал настоящим сюрпризом. У физиков уже имелся электрон, зачем им был нужен его более тяжелый кузен? Эту озадаченность физического сообщества лучше всего передает знаменитая острота выдающегося физика, лауреата Нобелевской премии Исидора Айзека Раби по поводу открытия мюона: «Ну и кто его заказал?». Наверняка нечто подобное мы услышим, и не раз, если в экспериментах на БАКе откроется что-то совершенно неожиданное, и теоретикам придется пересматривать свои устоявшиеся модели.
И это было только началом. В 1962 году экспериментаторы Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штейнбергер показали, что в действительности существует два различных вида нейтрино. Есть «электронные нейтрино», которые взаимодействуют с электронами и часто образуются одновременно с ними, но еще есть и «мюонные нейтрино», образующиеся одновременно с мюонами. Когда распадается нейтрон, он испускает электрон, протон и электронное антинейтрино, а когда распадается мюон, он испускает электрон, электронное антинейтрино, но кроме них еще и мюонное нейтрино.
Три поколения лептонов Стандартной модели.
Большие кружки указывают на большие массы.
Затем история повторилась. В 1970-х годах была обнаружена тау-частица (тау-лептон), отрицательно заряженная, как и электрон, но тяжелая – даже тяжелее мюона. Эти три частицы оказались очень похожими – практически кузенами, отличаясь только массами. В частности, все они ощущают действие слабых и электромагнитных сил, но не чувствуют сильное взаимодействие. И тау-частица тоже имеет свое собственное нейтрино, существование которого предполагалось, но до 2000 года поймать его не смогли.
Итак, мы уже знаем по крайней мере шесть лептонов, которые образуют три «семейства» или, как их называют, «поколения»: электрон и его нейтрино, мюон и его нейтрино и тау-частица и ее нейтрино. Совершенно естественно задаться вопросом, не обнаружится ли за ними еще четвертое, пятое и так далее поколения. Сейчас есть некоторые доказательства того, что этими тремя поколениями все лептоны исчерпываются. Известные нейтрино имеют очень малую массу – они, безусловно, намного легче электрона. Теперь понятно, как искать новые легкие частицы, тщательно анализируя распады более тяжелых частиц. Ученые посчитали, сколько видов нейтриноподобных частиц должно существовать, чтобы объяснить эти распады, и получили, что их должно быть три. Конечно, нельзя быть до конца уверенным, что где-то еще не скрываются и другие похожие частицы, допустим, с аномально большими массами, но скорее всего физики нашли все возможные нейтрино (и следовательно, число поколений лептонов исчерпывается тремя).
Кварки и адроны
Меж тем и адронная физика не стояла на месте. Появление ускорителей частиц в середине XX века привело к буму элементарных частиц. Были открыты пионы, каоны, эта-мезоны, ро-мезоны, гипероны и многие другие частицы. Уиллис Лэмб, произнося свою Нобелевскую лекцию в 1955 году, пошутил: «Раньше за открытие новой элементарной частицы обычно награждали Нобелевской премией, а теперь за это следует штрафовать на 10 000 долларов».
Все эти новые частицы были адронами, и, в отличие от лептонов, сильно взаимодействовали с нейтронами и протонами. Вскоре физики начали подозревать, что эти «понаехавшие» адроны вообще не очень «элементарные» частицы и в их основе лежит некая более глубокая базовая структура.
Загадка была разгадана в 1964 году Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом, независимо друг от друга предположившими, что адроны состоят из более мелких частиц, названных кварками. Как и лептонов, кварков шесть типов, или, как принято говорить, шесть ароматов: верхний (up), нижний (down), очарованный (charm), странный (strange), истинный (top, truth) и прелестный (beauty, bottom). Верхние, очарованные и истинные кварки имеют электрический заряд +2/3, в то время как нижние, странные и прелестные кварки имеют заряд −1/3. Иногда их разбивают на две группы: кварки «верхнего типа» и «нижнего типа» соответственно.
Три поколения кварков Стандартной модели.
Более крупные частицы представлены более крупными кружками.
В отличие от лептонов каждый аромат кварков в действительности представляет собой не одну частицу, а триплет частиц. Три вида каждого кварка различают, приписав каждому виду определенный цвет: красный, зеленый и синий. Названия забавные, но никакого отношения к реальности они не имеют – на самом деле увидеть кварки невозможно, но если бы вам все-таки удалось это сделать, вы убедились бы, что они точно не раскрашены в разные цвета.
Кварки нельзя наблюдать по отдельности, а это значит, что они существуют только в некоторых комбинациях внутри адронов (явление конфайнмента), причем эти комбинации всегда «бесцветные». Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. Протон – из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон – из двух нижних и одного верхнего. Один из этих кварков будет красным, один – зеленым, и один – синим, а вместе они дают белый цвет, который считается бесцветным в принятой терминологии. Позже мы увидим, что внутри нуклонов появляются и исчезают «виртуальные» пары кварк-антикварк, но они возникают в виде комбинаций «кварк определенного цвета – антикварк противоположного цвета», так что общая «белизна» не нарушается.
Глядя на изображения лептонов и кварков, нельзя не заметить некоторые закономерности. В обоих случаях у нас есть шесть типов частиц. И эти шесть типов в точности разбиваются на три пары, по две частицы в каждой, причем в каждой паре электрический заряд отличается от заряда соседней пары на единицу. Можно ли найти более глубокое объяснение такой закономерности? Можно, по крайней мере отчасти. Две частицы в каждой паре – например, электрон и его нейтрино – были бы совершенно идентичными, если бы не вездесущее поле Хиггса, заполнившее пустое пространство. Такая закономерность – демонстрация роли поля Хиггса в качестве нарушителя симметрий, и в следующих главах этой книги мы эту роль рассмотрим более внимательно.
«Неправильная» сила
Все объекты вокруг нас обладают размером и формой, и этим они обязаны фермионам Стандартной модели. А вот взаимодействовать этим фермионам друг с другом позволяют именно силы и связанные с ними частицы – бозоны. Фермионы могут притягивать или отталкивать друг друга, перебрасываясь бозонами. Также они могут терять энергию или распадаться на другие фермионы, выплевывая какие-то бозоны. Без бозонов фермионы просто летели бы вечно каждый по своей прямой, не взаимодействуя ни с чем остальным во Вселенной. И причина, по которой Вселенная стала столь сложной и интересной, в том, что все эти силы разные, и они толкают и тянут фермионы дополняющими друг друга способами.
Бозоны в Стандартной модели. (В этой книге мы включили и гравитоны в Стандартную модель, хотя это не всегда делается.)
Все эти бозоны электрически нейтральны, за исключением W-бозонов, и имеют нулевую массу, за исключением W– и Z-бозонов и бозона Хиггса.
Физики часто говорят, что существуют четыре силы природы, при этом они не включают в расчет поле Хиггса, и не только потому, что потребовалось много времени, чтобы его обнаружить. Бозон Хиггса отличается от других бозонов. У других бозонов – так называемых «калибровочных бозонов» – существует глубинная связь с основными симметриями природы, и об этом мы поговорим в главе 8. Гравитон, правда, тоже немного отличается от них. Каждая элементарная частица имеет определенный внутренний «спин». Фотон, глюоны и W– и Z-бозоны имеют спин, равный единице, в то время как спин гравитона равен двум. (См. Приложение 1, где о спине рассказано более детально.) Мы еще не знаем, как на гравитацию распространить требования квантовой механики, но, видимо, гравитон все же правильнее будет назвать калибровочным бозоном.
А вот бозон Хиггса совершенно иной. Его мы называем «скалярным» бозоном, а это значит, что он имеет нулевой спин. В отличие от калибровочных бозонов бозон Хиггса не навязан нам симметрией или любым другим глубоким принципом природы. Мир без поля Хиггса выглядел бы совсем иначе, но при этом прекрасно описывался бы непротиворечивой физической теорией. При всей его важности бозон Хиггса выглядит инородной заплаткой на красивой математической структуре Стандартной модели. Тем не менее это бозон, и, следовательно, другие частицы могут им перекидываться, а значит, возникает сила природы.
Бозон Хиггса является колебанием поля Хиггса, а поле Хиггса дало массу всем массивным элементарным частицам. Так что бозон Хиггса взаимодействует со всеми массивными частицами из нашего «зоопарка» – кварками, заряженными лептонами, а также W– и Z-бозонами. (Вопрос о массах нейтрино до сих пор полностью не закрыт, так что давайте делать вид, что они не взаимодействуют с полем Хиггса, хотя окончательный приговор по их делу еще не вынесен.) На самом деле все происходит наоборот: чем сильнее частица взаимодействует с полем Хиггса, тем большей массой она обрастает при перемещении в этом поле, заполняющем все пустое пространство.
Эта особенность бозона Хиггса – его взаимодействие с частицей тем сильнее, чем она массивнее – имеет решающее значение, когда дело доходит до изучения этого экзотического зверя на БАКе. Сам бозон Хиггса – тяжелая частица, и даже когда он рождается в какой-то реакции, мы не в состоянии непосредственно его увидеть, поскольку он очень быстро распадается на другие частицы. Мы знаем, что скорости его распада в разных реакциях разные: с некоторой вероятностью он будет распадаться, например, на W-бозоны, с другой – на нижние кварки, с третьей – на тау-мезоны и так далее. И эти значения вероятностей распада не произвольны – физики точно знают, как бозон Хиггса должен взаимодействовать с другими частицами (потому что знают массу каждой из них), поэтому можно достаточно точно вычислить ожидаемую вероятность различных видов распадов.
Но в действительности ученые очень хотят ошибиться. Конечно, это большая победа – обнаружить бозон Хиггса, но еще больше хочется найти что-то новое и удивительное. Поиск невидимых частиц, которые трудно создать и которые быстро распадаются на другие частицы, – сложная задача. Она требует терпения, точности в измерениях и тщательного статистического анализа. Хорошая новость состоит в том, что законы физики строги – предсказания того, что мы должны найти, не могут быть истолкованы двояко. Если окажется, что бозон Хиггса отличается от ожиданий ученых, это будет явным признаком того, что Стандартная модель дала сбой, и нам, наконец, открылось окно в новую физику.