Что было бы, если бы поле Хиггса было нулевым

Поле Хиггса – тема столь важная, что она даже заслужила себе целый экспериментальный комплекс, Большой адронный коллайдер, предназначенный для её изучения. Это загадочное поле в среднем ненулевое, оно покрывает всю Вселенную, будто невидимая жидкость, и влияет на массы известных элементарных частиц. А что, если бы оно было в среднем нулевым? Каков был бы наш мир?

Он был бы смертелен для нас – в нём не было бы атомов – но в определённом смысле он был бы гораздо проще и лучше организован. Давайте посмотрим, как именно.

Рис. 2

Возьмём рис. 2 из статьи об известных частицах (её следует прочитать перед этой статьёй). На нём изображены известные элементарные частицы природы и Хиггс из Стандартной Модели. Линии обозначают, какие частицы влияют друг на друга. Вы можете видеть три из четырёх известных взаимодействий природы (гравитация исключена для ясности): сильное взаимодействие (с глюонами, как переносчиками), электромагнетизм (переносчик – фотон), слабое взаимодействие (переносчики – W и Z). Можно видеть, что нейтрино, заряженные лептоны и кварки не взаимодействуют друг с другом напрямую, на них влияют только переносчики взаимодействий. И, наконец, поле Хиггса, ненулевое в нашей Вселенной, обозначенное зелёным полем, влияет на все известные массивные элементарные частицы, и, вообще-то, отвечает за наличие у них массы.

Рис. 3

Сравните это с рис. 3, где изображён мир частиц, который существовал бы, если бы поле Хиггса было нулевым. Смотрите внимательно, и вы увидите множество различий!

• Вместо электромагнитного и слабого взаимодействия, существующих в нашем мире, с ненулевым полем Хиггса, в мире с нулевым полем эти силы были бы перераспределены и искажены. Переделанные силы называются гиперзарядом и изоспином (по историческим причинам; никакой смысловой нагрузки названия не несут).
• В процессе этой перестановки меняются и частицы-переносчики взаимодействий. Появились 3 частицы W и одна X, а Z⁰ и фотон исчезли. И ещё частицы W и X теперь безмассовые.
• Переносчики взаимодействий стали проще и в другом смысле. Фотон влияет на частицы W⁺ и W^— напрямую; это видно на рис. 2, где они соединены фиолетовой линией. Но частицы X не влияет на прямую на частицы W. Глюоны влияют сами на себя, как и раньше (красная изогнутая линия; W тоже влияют на себя; X не влияет ни на какие переносчики взаимодействий.
• Для каждой частицы материи (кроме нейтрино) теперь существует две частицы с тем же именем. Но они отличаются – так же сильно, как Арнольд Палмер и Арнольд Шварценеггер. Физики придумали для них несколько систем именования, но верхний кварк с любым названием будет одного и того же «аромата», поэтому я обозначил разницу между ними поворотом букв вправо или влево. Можем называть их лево-верхними и право-верхними.
• Все левые частицы идут парами, по одной паре для каждого поколения, и подвержены влиянию изоспинового взаимодействия. Электрону соответствует нейтрино-е (электронное нейтрино), верхнему кварку – нижний кварк, и т.п.
• Частицы справа в одиночестве, по одной на каждое поколение, и изоспин на них не влияет.
• Нейтрино остались только левые.
• На рис. 2 я отмечал нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3, но на рис. 3 я использую названия «электронное нейтрино», «мюонное нейтрино» и «тау-нейтрино». Эту тонкость можно проигнорировать, если вы не интересуетесь темой углублённо. В противном случае можно почитать статью о типах нейтрино и их осцилляциях.
• Все изображённые частицы будут безмассовыми – кроме частиц Хиггса, которых будет целых четыре! (И это минимум – в Стандартной Модели, где используется простейший вариант полей Хиггса, их четыре, но в принципе всё может быть и сложнее).

Как ненулевое поле Хиггса влияет на этот более простой и лучше организованный (но непригодный для жизни) мир, и превращает его в наш с вами сложный? Всё дело в том, как поле Хиггса взаимодействует с переносчиками взаимодействий изоспина и гиперзаряда, и с частицами материи. Как это работает, к примеру, с верхним кварком, изображено на рис. 4 и 5. Левый верхний кварк и правый верхний кварк взаимодействуют друг с другом при помощи сильного взаимодействия и частицы Хиггса – но не с другими частицами материи. В частности, если верхний левый кварк встретится с частицей Хиггса, он с высокой вероятностью превратится в верхний правый. Как только поле Хиггса станет ненулевым, такое взаимодействие приведёт к тому, что две версии безмассовых верхних кварков превратятся в один массивный верхний, обладающий при том большой массой.

Рис. 4

Связь левых верхних с правыми верхними не стоит путать с объединением двух частиц в композитный объект, такой, как протон и электрон, связанные вместе электромагнитной силой и формирующие атом водорода. Это другой тип комбинирования, в котором две элементарные частицы смешиваются в одну элементарную частицу.

Рис. 5

Как это работает? На рис. 5 изображена эта схема. Когда поле Хиггса равно нулю, верхняя левая частица будет двигаться со скоростью света, как и верхняя правая. Но когда поле не равно нулю, его присутствие и то, что оно взаимодействует с верхней левой и верхней правой частицами, заставит верхнюю левую частицу превращаться в верхнюю правую, и наоборот. Как часто это будет происходить? Примерно 100 триллионов триллионов (100 000 000 000 000 000 000 000 000) раз в секунду. Этот процесс превращения делает невозможным рассмотрение левых верхних и правых верхних частиц как отдельных сущностей, поскольку они неразрывно связаны между собой; если у вас есть одна, то вскоре появится и другая. Обеих одновременно у вас не будет, почему верхний кварк и остаётся элементарной, а не составной частицей. Вместе можно назвать эту смесь двух частиц верхним кварком. А ненулевое поле Хиггса, чьё присутствие заставляет перепрыгивать между левым верхним и правым верхним состояниями, ещё и обеспечивает эту структуру внутренней энергией, имеющейся даже в покое. Эта энергия неотличима от энергии массы (E = mc²); в экспериментах она ведёт себя точно так же. Иначе говоря, то, что мы называем энергией массы верхнего кварка, на самом деле является энергией, получаемой им при нахождении внутри ненулевого поля Хиггса. Уберите поле Хиггса, сделайте его нулевым, и верхний кварк вернётся к состоянию двух отдельных безмассовых частиц, верхней левой и верхней правой.

То же явление придаёт массу электрону, но взаимодействие левого и правого электронов с полем Хиггса весьма слабое, поэтому в присутствии ненулевого поля Хиггса электрон имеет массу, но сравнительно небольшую. Частота переключения между левым и правым электроном составляет 0,000003 от частоты переключения между левым верхним и правым верхним кварком, поэтому (применим немножко математики) мы получаем, что масса электрона составляет 0,000003 от массы верхнего кварка.

Рис. 6

Все остальные кварки и заряженные лептоны получают свои массы сходным образом. Чем сильнее взаимодействие левого и правого объектов с Хиггсом, тем больше получающаяся масса смешанного объекта при ненулевом поле Хиггса.

Что насчёт переносчиков взаимодействий? Хиггс не влияет на глюоны, но перемешивает изоспин и гиперзаряд, создавая фотон из смеси W³ и X, Z⁰ из другой смеси W³ и X, а частицу Хиггса, называемую A⁰, а также W⁺ и W^— из смесей W¹, W², H⁺ и H^—. Этот процесс, называемый механизмом Хиггса, делает W⁺, W^– и Z⁰ массивными, оставляя фотон безмассовым.

Ага, вот почему мир с ненулевым полем Хиггса остаётся с одной частицей Хиггса (h), в то время как мир с нулевым полем имеет 4 частицы — H⁺, H^–, A⁰ и H⁰. Так же, как верхний левый и верхний правый кварк смешиваются, образуя массивный верхний, три дополнительных частицы Хиггса смешиваются с тремя смесями безмассовых частиц W и X, образуя массивные Z⁰, W⁺ и W^–!

Рис. 7

Взаимодействие, переносчик которого обладает массой, на дальних дистанциях оказывается неэффективным, поэтому ядерные силы кажутся нам такими слабыми. Если бы поле Хиггса было нулевым, изоспин и гиперзаряд были бы одинаково сильными. Вместо этого в нашем мире есть сильное электромагнитное взаимодействие с безмассовым фотоном в качестве переносчика, и слабое ядерное взаимодействие, такое слабое, что на нашу повседневную жизнь оно практически никак не влияет – хотя, правда, оно необходимо для работы звёздных топок, включая и солнечную!

Причина, по которой мир выглядит таким сложным, по которой существуют все эти частицы с самыми разными массами, частично объясняется тем, что поле Хиггса и частица Хиггса взаимодействуют с разными частицами материи с очень разной силой. Так что проблема разнообразных масс частиц на деле является проблемой разной силы взаимодействия с полем/частицей Хиггса. Почему же эти взаимодействия так сильно отличаются? С ответом на этот вопрос консенсуса не наблюдается (специалисты по физике частиц называют его «проблемой аромата» – говоря об ароматах кварков, и об электронах, мюонах и тау – заряженных лептонах с разными ароматами). Мы надеемся, что некоторые ответы сможет дать нам БАК – но гарантий на это нет.

Остался ещё вопрос – как нейтрино получают свою массу? Ответ – мы точно не знаем. Одну из возможностей – существование правосторонних нейтрино в природе – очень сложно найти экспериментально, поскольку на неё не влияют никакие из трёх взаимодействий, показанных на рис. 2 и 3 – а механизм приобретения нейтрино массы такой же, как у других частиц. Вторая возможность – левосторонние нейтрино получают массу от непрямого взаимодействия с частицей Хиггса, которое не работает с другими частицами. Ко второму варианту склоняются многие мои коллеги, поскольку он естественным образом объяснил бы, почему нейтрино настолько легче кварков и заряженных лептонов. Но это долгая история.

Закончу на важном моменте. Многие люди, впервые познакомившись с историей поля Хиггса, предполагают, что оно должно быть как-то связано с гравитацией, которая тоже взаимодействует с более тяжёлыми частицами лучше, чем с менее тяжёлыми. Гравитация сильнее тянет верхние кварки, чем электроны, как и силы Хиггса. Но опытные физики такую идею отвергают. Почему?

Суть в том, что для гравитации исключений не существует – гравитация всегда притягивает частицы пропорционально их массе. (На самом деле, это не совсем так – гравитация притягивает частицы пропорционально их энергиям. В повседневной жизни энергия любого объекта по большей части – это энергия массы, E = mc², так что для людей, камней и звёзд, энергия и масса составляют почти точную пропорцию. Но гравитация и свет изгибает! Если бы гравитация притягивала только массу, она не притягивала бы свет, состоящий из безмассовых фотонов).

Наоборот, только у частиц, получающих массу из поля Хиггса, есть взаимоотношение между их массой и силой взаимодействия с Хиггсом. В частности, как видно из рис. 3 и 7, частица Хиггса не получает всю свою массу из ненулевого поля Хиггса – и её сила взаимодействия с самой собой не связана напрямую с её массой. Есть корреляция, но не пропорция. Это не такой редкий случай. В других моих статьях вы увидите множество примеров гипотетических частиц, получающих свою массу иным образом – например, частиц, появляющихся в таких теориях, как суперсимметрия или дополнительные свёрнутые измерения.

Так что связь между гравитацией и энергией (и, следовательно, массой в повседневной жизни) абсолютна, в то время, как связь между Хиггсом и массой должна существовать только для известных элементарных частиц, и её может не быть у других элементарных частиц, которые нам ещё предстоит найти – но такая связь уже не подтверждается для частицы Хиггса.

Иначе говоря, любые совпадения между полем Хиггса и гравитацией будут чисто случайными!