Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы - Стивен Вайнберг

Никто еще не обнаружил хиггсовскую частицу, но это не противоречит теории: хиггсовская частица и не могла бы быть обнаружена в сделанных до сих пор экспериментах, если ее масса больше пятидесяти масс протона, что вполне возможно. (К сожалению, электрослабая теория молчит в отношении точного значения массы хиггсовской частицы, только ограничивая ее значение сверху числом в один триллион электрон-вольт, т.е. в тысячу раз больше массы протона.) Необходимы новые эксперименты, чтобы проверить, действительно ли существует хиггсовская частица, а может, и несколько таких частиц с отличающимися свойствами, и установить их массы.

Важность этих проблем выходит за рамки вопроса о характере нарушения электрослабой симметрии. Теория электрослабых взаимодействий дала нам понимание того, что все частицы стандартной модели, за исключением хиггсовских частиц, приобретают свои массы за счет нарушения симметрии между слабыми и электромагнитными силами. Если бы мы могли каким-то способом выключить это нарушение симметрии, то электрон, частицы W, Z и все кварки стали бы безмассовыми, как фотон или нейтрино. Поэтому загадка происхождения масс элементарных частиц есть часть проблемы понимания механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. В первоначальной версии стандартной модели хиггсовская частица – единственная, масса которой непосредственно входит в уравнения теории, нарушение электрослабой симметрии придает всем другим частицам массы, пропорциональные массе хиггсовской частицы. Но у нас нет уверенности, что все обстоит так просто.

Выяснение механизма нарушения электрослабой симметрии важно не только в физике, но и при попытках понять раннюю историю нашей Вселенной. Так же, как можно уничтожить всякую намагниченность куска железа и восстановить симметрию между различными направлениями, всего лишь нагрев этот кусок выше 770 °С, так же и симметрию между слабыми и электромагнитными силами можно восстановить, подняв температуру в лаборатории до нескольких миллионов триллионов (1015) градусов (порядка 100 ГэВ в энергетических единицах). При таких температурах симметрия будет уже не скрытой, а будет явно проявляться в свойствах всех частиц стандартной модели. (Например, при таких температурах электроны, W, Z и все кварки станут безмассовыми.) Подобные температуры порядка 1015K невозможно создать в лаборатории, их даже не найти в центре самых горячих звезд. Но в соответствии с простейшей версией общепринятой космологической теории Большого взрыва примерно 10–20 миллиардов лет тому назад существовал момент, когда температура Вселенной была бесконечно велика. Примерно через 10−10с после этого начального момента температура Вселенной упала до 1015K, и с этого времени нарушилась симметрия между слабыми и электромагнитными силами.

Скорее всего, это нарушение симметрии не произошло одномоментно и везде одинаково. В более знакомых нам примерах «фазовых переходов», скажем, замерзании воды или намагничивании куска железа, переход может произойти в одном месте чуть раньше или чуть позже, чем в другом, и происходить в разных местах чуть по-разному, что видно, например, при образовании отдельных маленьких кристалликов льда или магнитных доменов с разными направлениями намагниченности. Такого рода усложнения при электрослабом фазовом переходе могут привести к разным наблюдаемым эффектам, например, повлиять на распространенность легких элементов, созданных несколькими минутами спустя. Однако понять это невозможно, пока не понят сам механизм нарушения электрослабой симметрии.

Нарушение симметрии между слабыми и электромагнитными взаимодействиями действительно существует, так как теория, основанная на этом принципе, действует, т.е. позволяет сделать много успешных предсказаний о свойствах частиц W и Z и о переносимых ими силах. Но мы не можем быть до конца уверены, что электрослабая симметрия нарушается вакуумной величиной какого-то поля, введенного в теорию, или что хиггсовская частица реально существует. Что-то обязательно должно быть включено в электрослабую теорию, чтобы нарушить симметрию, но вполне возможно, что это нарушение обусловлено непрямым воздействием каких-то сверхсильных взаимодействий нового типа[168], которые не действуют на обычные кварки или электроны и нейтрино, и поэтому еще не обнаружены. Подобные теории были развиты еще в конце 70-х гг.[169], но в них возникают свои проблемы. Задача строящихся сверхмощных ускорителей – разрешить эту загадку.

На этом история спонтанного нарушения симметрии не кончается. Эта идея сыграла свою роль при попытке объединить в рамках единой схемы слабые и электромагнитные взаимодействия с третьим – сильным ядерным взаимодействием. Стандартная модель объясняет очевидное различие между электромагнитными и слабыми взаимодействиями как результат спонтанного нарушения симметрии. Но это, очевидно, не так в отношении сильных взаимодействий. Даже на уровне уравнений стандартной модели не существует симметрии, связывающей сильные ядерные силы с электромагнитными и слабыми силами. Начиная с 70-х гг., не прекращаются поиски теории, обобщающей стандартную модель, в которой как сильные, так и электрослабые взаимодействия были бы объединены одной более широкой и спонтанно нарушенной группой симметрии[170].

Есть очевидное возражение против всякой подобной попытки объединения взаимодействий. В рамках любой теории поля интенсивность взаимодействия зависит от числовых параметров двух типов: от масс (если они есть) частиц типа W, Z, переносящих взаимодействие, и определенных чисел, называемых константами связи или константами взаимодействия и характеризующих вероятность испускания и поглощения частиц, подобных фотонам, глюонам, W и Z, в ядерных реакциях. Массы возникают в результате спонтанного нарушения симметрии, но константы взаимодействия – это числа, входящие в исходные уравнения теории. Любая симметрия, связывающая сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия, даже после спонтанного нарушения будет приводить к точному равенству всех констант взаимодействия, т.е. к равенству интенсивностей сильных и электрослабых взаимодействий (если должным образом определить способ их сравнения). Кажущиеся различия между интенсивностями нужно будет тогда приписать спонтанному нарушению симметрии, приводящему к разнице в массах частиц-переносчиков взаимодействия, в полной аналогии с тем, как в стандартной модели разница между электромагнитными и слабыми силами обусловлена нарушением электрослабой симметрии, в результате которого у частиц W и Z получаются очень большие массы, а фотон остается безмассовым. Но ясно, что интенсивности сильных ядерных и электромагнитных взаимодействий не равны друг другу – сильные взаимодействия, как это следует из самого их названия, намного сильнее электромагнитных, даже несмотря на то, что оба этих взаимодействия переносятся безмассовыми частицами, глюонами и фотонами.

В 1974 г. возникла идея, как преодолеть указанное препятствие[171]. На самом деле, константы взаимодействия всех типов зависят, хотя и очень слабо, от энергий процессов, в которых эти константы измеряются. В любой теории, объединяющей сильные и электрослабые взаимодействия, указанные константы взаимодействия должны быть обязательно равны друг другу при определенной энергии, однако значение этой энергии может существенно отличаться от тех значений, которые доступны в современных экспериментах. В стандартную модель входят три независимые константы взаимодействия (это одна из причин, по которой мы не удовлетворены этой моделью как окончательной теорией), так что само требование, что существует какая-то энергия, при которой все эти константы должны сравниваться по величине, является весьма нетривиальным. Накладывая это условие, можно предсказать одну связь между константами при энергиях существующих ускорителей[172], и это предсказание находится в разумном согласии с опытами. Хотя это всего лишь одно успешное количественное предсказание, но отсюда следует ободряющий вывод, что в этих идеях что-то есть.

Таким же способом можно оценить и ту энергию, при которой все константы взаимодействия становятся равными по величине. При энергиях современных ускорителей сильное взаимодействие намного превосходит по интенсивности все другие силы и, согласно квантовой хромодинамике, убывает с ростом энергии очень слабо. Поэтому предсказывается, что та энергия, при которой все взаимодействия в стандартной модели станут одинаково сильными, должна быть очень большой, порядка 1024эВ = 1015ГэВ (вычисления, сделанные в последнее время, приводят, скорее, к значению 1016ГэВ). Если действительно существует спонтанно нарушенная симметрия, объединяющая сильные и электрослабые взаимодействия, то должны существовать и новые тяжелые частицы, входящие наряду с W, Z, фотонами и глюонами в число переносчиков взаимодействия. Тогда энергия 1015ГэВ должна соответствовать массе этих новых сверхтяжелых частиц. Как будет видно ниже, в современных теориях суперструн не требуется предполагать существование отдельной новой симметрии, связывающей сильные и электрослабые взаимодействия, но константы этих взаимодействий сравниваются при той же энергии 1016ГэВ.