Вопросы и ответы по поводу частицы Хиггса

Я вроде понял. Волна Хиггса – это возмущение поля Хиггса, а частица Хиггса – это мельчайшая, наиболее слабая волна.

Именно. Извините за такую короткую версию истории. В следующих статьях будут объяснения по поводу частиц с использованием математических выкладок и физических основ.

Почему специалисты по физике частиц так интересуются частицей Хиггса?

На самом деле, они не интересуются ей. Их интересует поле Хиггса, оно чрезвычайно важно для них.

Почему поле Хиггса так важно?

Поле Хиггса, в отличие от большинства элементарных полей природы, обладает ненулевым средним значением по всей Вселенной. Из-за этого у многих частиц есть масса, включая электрон, кварки, и частицы слабого взаимодействия W и Z. Если бы среднее значение поля Хиггса было нулевым, эти частицы были бы безмассовыми или очень лёгкими. Это было бы катастрофой; атомы и атомные ядра дезинтегрировали бы. Ничто, подобное людям или Земле, на которой мы живём, не могло бы существовать без ненулевого среднего значения поля Хиггса. Наши жизни зависят от него.

Что нам известно по поводу поля Хиггса?

Почти ничего. В основном то, что оно есть, и что его значение не равно нулю. У нас есть кое-какая информация по поводу того, как оно взаимодействует с материей, но не слишком много. Недавнее открытие того, что может быть его возмущением – частицы Хиггса – может дать нам дополнительные сведения.

Если поле Хиггса так важно, почему же так много шума вокруг частицы Хиггса?

С одной стороны, найти частицу Хиггса (или нечто вместо неё – подробности ниже) – это простейший (и, вероятно, единственный) способ для физиков изучить поле Хиггса – а именно это нам и надо. В этом смысле обнаружение частицы Хиггса – первый большой шаг к основной цели: пониманию свойств поля Хиггса и причин его ненулевого среднего значения.

С другой стороны, современные СМИ настаивают на раздувании шумихи. И поскольку объяснение поля Хиггса и его роли и связи с частицей Хиггса занимает слишком много места для типичного новостного сообщения, журналисты, а также общающиеся с ними люди, сокращают всю эту информацию. В результате всё внимание получает частица Хиггса, а несчастное поле Хиггса трудится в безвестности, защищая Вселенную от катастрофы и не получая заслуженного уважения…

Уверены ли физики в существовании поля Хиггса?

Да, хотя это момент нужно особо прокомментировать. На основе множества экспериментов и их успешных интерпретаций при помощи математических уравнений мы уверены, что существует некое поле с ненулевым средним значением, придающее массу электрону, частицам W, Z, и многим другим, и позволяющее существовать нашему миру и нам с вами. Доказательства неоспоримы. По умолчанию мы зовём это поле «полем Хиггса».

Но мы многого не знаем. К примеру:
• Может существовать одно поле Хиггса, или их может быть несколько – каждое со своей частицей.
• Поле Хиггса может оказаться композитом из нескольких других полей. В природе существуют такие примеры: если протон – это композитный объект, состоящий из кварков, антикварков и глюонов, то протонное поле – это композитное поле, состоящее из кварковых, антикварковых и глюонных полей. Нам неизвестно, элементарно ли поле Хиггса, так, как электрическое поле, или же это композитное поле, как у протона.

Единственный способ узнать количество полей Хиггса и их элементарность, а также то, как они взаимодействуют с известными нам частицами, и, возможно, с неизвестными – это провести эксперимент: Большой адронный коллайдер, или БАК.

Что такое «элементарный»?

К сожалению, ответ получается закольцованным: это значит «не композитный». Его нельзя разбить на более элементарные части. Точнее, его нельзя разбить на части при помощи имеющихся у нас технологий. (Раньше люди считали, что протоны элементарны. До того они думали, что атомы элементарны – отсюда и «Периодическая таблица элементов»).

Уверены ли физики в существовании частицы Хиггса?

Раньше мы не были в этом уверены, и её существование по сути доказал только эксперимент от июля 2012 года.

А в прошлом мы были уверены в том, что:
1. Существует по меньшей мере один тип частицы Хиггса, и мы найдем её (их) на БАК, или
2. Частицы Хиггса слишком быстро распадаются, чтобы мы могли их обнаружить, но только лишь оттого, что на них очень сильно влияют новые частицы и силы, которые мы сможем найти на БАК!

Теперь мы кое-что узнали: второй вариант оказался неверным. И хотя в природе могло и не быть частицы Хиггса, кажется, она существует. И теперь, чтобы больше узнать о поле Хиггса, нам нужно понять, бывают ли другие типы частиц Хиггса, и каковы свойства найденной частицы.

Пресса и многие физики утверждают, что БАК построили, чтобы искать частицу Хиггса. И раз уж её нашли, закончил ли БАК свою работу?

Всё это неправда. Правда, что БАК был построен, чтобы понять, что представляет собой поле (или поля) Хиггса, как оно работает и элементарное оно или композитное. Поиски частицы Хиггса – один из способов узнать это. Не нужно путать цели и средства. Конечная цель – понимание поля. Поиск и изучение частицы – это средства, и на БАК ещё много чего осталось сделать, включая изучение найденной частицы и возможные открытия новых.

А на самом ли деле нашли частицу Хиггса?

Точно можно сказать следующее:
1. Используя полученные в 2011 и начале 2012 года данные, учёные обнаружили на БАК новую частицу.
2. Эта частица пока ещё не очень хорошо изучена, но она ведёт себя так, как и ожидается от бозона Хиггса.
3. Она также ведёт себя соответственно тому, как должен вести себя простейший тип частиц Хиггса – т.н. частица Хиггса из Стандартной модели.

Пока учёные ведут дополнительные исследование этой частицы. Эти исследования также помогут нам в результате расширить наше понимание поля Хиггса. Кроме того мы будем продолжать поиски других частиц Хиггса, которые сложнее найти. То, что мы пока нашли одну, не означает, что их не может быть две, пять или двенадцать!

А вы правда, на самом деле, положа руку на сердце, торжественно клянётесь в том, что уверены, что в природе существует поле Хиггса?

Да, да, да. Я редко заявляю о чём-то в абсолютном ключе, но здесь я говорю «да». Если попытаться убрать поле Хиггса из математики, но оставить W, Z и другие тяжёлые частицы (такие, как верхний кварк), уже открытые нами и присутствующие в природе, то окажется, что математика Стандартной модели не имеет смысла. Получится теория, предсказывающая, что определённые процессы (включая те, что можно изучать на БАК) могут происходить с вероятностью большей, чем 1. А это невозможно и нелогично. Вероятность чего-либо, очевидно, не может быть больше одного или меньше нуля.

Вы можете удивиться, но очень тяжело составлять логически непротиворечивые теории. Большинство теорий начинают предсказывать события с вероятностью меньше нуля или больше единицы. Только очень малое их количество имеет смысл.

Чтобы восстановить Стандартную модель до рабочего состояния, необходимо добавить поле Хиггса, или что-то вроде него, к уже открытым в экспериментах полям. Но сделать это можно многими путями, и единственный способ определить, какой из них правильный – это проводить эксперимент, а именно – БАК!

Почему частицу Хиггса часто зовут «бозоном Хиггса»?

Все частицы в природе, элементарные или нет, можно разделить на два класса, фермионы и бозоны (хотя в некоторых твёрдых материалах встречаются очень странные исключения). Так получилось, что частица Хиггса – это бозон. Но с точки зрения того, что она делает и почему нам нужно её искать и изучать, это не так уж важно.

Почему частицу Хиггса называют «частицей бога»?

Потому что в СМИ считают, что это круто звучит и что это заставляет читателей обращать внимания на их статьи. Происхождение этого прозвища настолько нерелигиозное и ненаучное, насколько это можно себе представить: его придумали в качестве рекламы. Профессор, лауреат Нобелевской премии, Леон Ледерман, очень важный физик-экспериментатор, заслуживающий огромного уважения за вклад в науку, достоин также и всяческого порицания за то, что его книга про частицу Хиггса [The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?] получила такой броский заголовок. Он находится где-то между непристойностью и богохульством, в зависимости от вашего воспитания. Когда я, учась в институте, впервые услышал, как он использует это прозвище во время своей лекции, моя челюсть просто упала. Я уже тогда достаточно разбирался в физике, чтобы понять, насколько это было абсурдно.

Я никогда не видел и не слышал физика, упоминающего таким образом частицу Хиггса в любом контексте – в научной работе, в докладе на конференции, или даже в неформальной научной дискуссии. Ничто в математических уравнениях, в интерпретации физики, в любой из известных мне философий, в знакомых мне религиозных текстах и традициях, не объединяет частицу или поле Хиггса с понятиями религии или божества. Это прозвище придумали на пустом месте.

Лично я считаю, что ни наука, ни религия не должны быть разменными монетами в связи с тем, что книжным издательствам нужно продавать книги, а СМИ – статьи. Чем быстрее мы откажемся от этой идеи, тем лучше.

Я слышал, что частица Хиггса очень быстро распадается, так как же она может создать или поддерживать поле Хиггса? Из того, что я читал, вроде бы следует, что существует море частиц Хиггса, которые каким-то образом создают поле Хиггса. Но это не сработает, если частица Хиггса очень быстро прекращает существовать.

Поле Хиггса не нужно создавать в каком-либо процессе; оно просто есть, точно так же, как существует электрическое поле, везде и всегда.

У поля Хиггса ненулевое среднее значение (а у электрического – нулевое). Это ненулевое значение тоже просто «есть». Его не нужно создавать в каком-либо процессе. Это просто предпочтительное состояние Вселенной касательно поля Хиггса. Мы не знаем, почему так происходит, но для этого никто ничего не должен делать.

Не нужно представлять себе ненулевое значение поля Хиггса как море частиц Хиггса; это неправильно. Частица Хиггса – это возмущение поля минимальной интенсивности. Возмущение изменяется в пространстве и времени, как и любая волна. Но ненулевое значение поля Хиггса не меняется в пространстве и времени, это константа. Хорошая аналогия: плотность воздуха – это поле. У него есть постоянное среднее значение. Волны в воздухе – это звуковые волны. И нет смысла считать, что средняя плотность воздуха каким-то образом создаётся морем звуковых волн, мимолётных колебаний воздуха.

Частицы Хиггса формируются не спонтанно. Для этого нужно затратить энергию. Нужно использовать нечто вроде столкновения протонов на БАК, чтобы ударить поле Хиггса и заставить его вибрировать, точно так же, как вам нужно хлопнуть в ладоши, чтобы вызвать звук, ударить по поверхности озера, чтобы создать волну, или дёрнуть струну скрипки, чтобы она завибрировала. Так же, как волна гаснет через некоторое время, а струна скрипки перестаёт вибрировать, так и частица Хиггса распадается. Воздух, озеро, струна скрипки и поле Хиггса остаются после того, как вибрация рассеивается.

Тогда выходит, что частицы Хиггса не существуют в природе? Видимо, поэтому вы писали, что в комнате, где я нахожусь, нет частиц Хиггса, но у моих электронов масса имеется. А какую роль играет частица Хиггса в механизме массы? Я думал, что они как-то переносят взаимодействие, типа как W для слабого взаимодействия, но создаётся впечатление, что частица Хиггса для этого не подходит. А на одной лекции я спросил Фрэнка Клоуза, есть ли в комнате частицы Хиггса, и он упомянул, что они могут появиться, «заняв» на время энергию, а потом снова исчезнуть. Так что в комнате могут быть частицы Хиггса. Согласны ли вы с такой картиной?

Частица Хиггса не играет никакой роли в механизме массы. Массу различным частицам придаёт поле Хиггса – конкретно тот факт, что его среднее значение не равно нулю. Именно поле нам нужно понять, а не частицу. Частица – лишь средство для достижения цели.

Частица Хиггса – это возмущение поля Хиггса, и изучение частицы может дать нам представление о поле.

Виртуальные частицы Хиггса действительно присутствуют в комнате, но виртуальные частицы – это вообще не частицы, несмотря на то, что их так называют. Частицы Хиггса – это пристойно ведущие себя волны на поле Хиггса, а виртуальные «частицы» Хиггса – это более общий тип возмущений поля. У частиц Хиггса есть определённая масса, а у виртуальных частиц её нет. Так что Фрэнк Колуз не то, чтобы врал вам, но и выразился он не совсем правильно. Он рассказывал вам стандартную «ложь во благо», которую физики-теоретики обычно рассказывают общественности, но она настолько отличается от действительности, что ужасно запутывает людей – так что прошу вас не обращать на неё внимания.

Если масса создаётся, поскольку частицы взаимодействуют с полем Хиггса, двигаясь сквозь него, то что тогда двигается – поле или частица? Если частица статична по отношению к полю, теряет ли она массу?

Вне зависимости от того, как вы двигаетесь в пространстве, вы не двигаетесь относительно поля Хиггса. Это звучит странно, но вспомните ещё одну странность: вне зависимости от того, как вы двигаетесь, свет двигается относительно вас со скоростью 300 000 км/с. Наша интуиция неправильно работает с пространством и временем – то, о чём догадался Эйнштейн – и также могут существовать поля, находящиеся в покое относительно всех наблюдателей!

Поэтому массы частицы остаётся постоянной вне зависимости от того, что она делает – покоится относительно вас или двигается. И это важно, поскольку частица всегда покоится относительно себя самой. Поэтому с её точки зрения её масса должна сохраняться.

Аналогии, описывающие связь массы частицы с полем как движение через патоку или заполненную людьми комнату, не лишены проблем, поскольку из них следует, что частица должна двигаться, чтобы испытывать влияние поля Хиггса, хотя на самом деле это не так.

Поскольку гравитация притягивает вещи пропорционально их массе, и поскольку поле Хиггса отвечает за наличие массы у всех вещей, то очевидно должна быть какая-то глубинная связь между Хиггсом и гравитацией, не так ли?

Весьма разумная догадка, но совершенно неправильная. Проблема в том, что это утверждение комбинирует представление о гравитации XVII века, которое давно уже было пересмотрено, с чрезмерно упрощённым понятием конца XX века о происхождении масс частиц. Давайте-ка я войду в роль преподавателя и исправлю предыдущее утверждение:

Поскольку гравитация притягивает вещи пропорционально их комбинации их энергии и импульса, и поскольку поле Хиггса отвечает за наличие массы не у всего, а только у известных элементарных частиц, за исключением самой частицы Хиггса, то между Хиггсом и гравитацией нет никакой связи.

Поясню исправления.

Когда вы впервые сталкиваетесь с понятием гравитации в школе, вы учите закон Ньютона: сила притяжения между двумя объектами, массой M1 и M2, пропорциональна произведению M1 M2.

Но это было до Эйнштейна. Оказывается, что закон Ньютона нужно пересмотреть: Эйнштейновская формулировка примерно соответствует тому, что для двух медленно движущихся объектов (их относительная скорость гораздо меньше скорости света с), с энергиями Е1 и Е2, сила их притяжения пропорциональна произведению Е1 Е2.

Как же эти утверждения сочетаются друг с другом? Эйнштейн и его последователи установили, что для любого обычного объекта соотношение между его энергией Е, импульсом p и массой М (она называется «массой покоя», но специалисты по физике частиц называют её просто «массой») следующее:

Для медленно движущегося объекта p ≈ Mv (v – его скорость), и pc ≈ Mvc гораздо меньше, чем Mc². Следовательно,

(то есть для медленных объектов E ≈ M c²).

Поскольку планеты, луны и искусственные спутники двигаются относительно друг друга и Солнца со скоростями гораздо меньшими, чем 0,1% от с, то гравитационное притяжение между ними пропорционально

А так как с – константа, то для таких объектов законы притяжения Эйнштейна и Ньютона полностью совпадают. Сила пропорциональна произведению энергий и произведению масс, поскольку они пропорциональны друг другу.

Но у объектов, двигающихся с высокими скоростями, или для объектов, испытывающих сильное гравитационное притяжение (что быстро приведёт к увеличению их скорости) Эйнштейновский закон притяжения включает сложную комбинацию импульса и энергии, в которой масса не проявляется непосредственно. Поэтому Эйнштейновская гравитация притягивает и такие вещи, как свет, состоящий из безмассовых фотонов. И поэтому гравитационные волны – волны в пространстве и времени, не обладающие, на манер света, массой – могут формироваться объектами, движущимися по орбите друг вокруг друга. Проще говоря, закон гравитации Эйнштейна, подтверждённый экспериментально, значительно отличается от закона Ньютона, в частности, в нём первостепенную роль играет не масса, а энергия и импульс. И у всех объектов, вне зависимости оттого, из чего они сделаны или как они двигаются, есть энергия – поэтому всё во Вселенной влияет через гравитацию на всё остальное. Мы говорим, «гравитация – универсальное взаимодействие».

А что насчёт того, что поле Хиггса отвечает за всю массу во Вселенной? Это утверждение, часто встречающееся в прессе или в популярных статьях, неверно.

А каково будет верное утверждение? Есть список известных нам элементарных частиц. Массой не обладают:

• фотоны,
• глюоны,
• гравитоны (их наличие пока только предполагается).

Массой обладают:

• W и Z частицы,
• кварки: верхний, нижний, очарованный, странный, прелестный, истинный,
• заряженные лептоны: электроны, мюоны, тау,
• нейтрино: три типа (по меньшей мере два из них обладают массой),
• недавно открытая частица массы 125 ГэВ/с², которую можно считать частицей Хиггса некоего типа.

Частицы W и Z, кварки, заряженные лептоны и нейтрино действительно должны обладать массой благодаря полю Хиггса. По-другому они массу получить не могут. Но для самой частицы Хиггса это не так.

Масса у частицы Хиггса существует не только благодаря полю Хиггса!

А откуда же она берётся? Это долгая история, заканчивающаяся не ответом, а вопросом. Пока я не буду на неё останавливаться, скажу лишь, что у массы частицы Хиггса нет простого, понятного и единственного источника, и её удивительно малая масса – это одна из граней огромной головоломки под названием «проблема иерархии».

В любом случае, поле Хиггса – не универсальный источник массы для всех элементарных частиц. Частица Хиггса получает часть своей массы из какого-то другого источника. И вероятно, не только она. Очень возможно, что тёмная материя состоит из частиц, и что эти частицы тоже получают часть своей массы из другого источника. Тёмная материя, по мнению большинства физиков и астрономов, составляет большую часть материи во Вселенной. Считается, что она отвечает за большую часть массы галактики Млечный путь, в которой обитаем и мы. И поле Хиггса, скорее всего, вносит малый вклад в эту массу.

Другие объекты получают свою массу из источников, не связанных с частицей Хиггса. Большая часть массы атома содержится в ядре, а не в лёгких электронах снаружи. Ядро состоит из протонов и нейтронов – мешков с пойманными в них кварками, антикварками и глюонами. Эти кварки, антикварки и глюоны мечутся в их крохотных тюрьмах с огромными скоростями, и масса протона и нейтрона существует благодаря этим энергиям, а также энергии, необходимой на удержание кварков и всего остального, и массам самих кварков и антикварков, содержащихся в мешке. Поэтому массы протона и нейтрона не происходят преимущественно из поля Хиггса. Так что масса Земли и Солнца изменилась бы незначительно, если бы поля Хиггса не было – если бы в его отсутствие они не развалились.

А чёрные дыры, одни из наиболее массивных объектов Вселенной, находящиеся в центре почти всех галактик, в принципе могут состоять из безмассовых объектов. В принципе, чёрную дыру можно полностью сделать из фотонов. На практике большая часть чёрных дыр сделана из обычной материи, но масса обычной материи в основном зависит от атомных ядер, а их масса, как мы уже отметили, не полностью зависит от поля Хиггса.

Как ни крути, а поле Хиггса – не универсальный источник массы для всех объектов Вселенной – ни для обычной материи, ни для тёмной материи, ни для чёрных дыр. Оно даёт массу большинству известных фундаментальных частиц, и его наличие критично для существования атомов. Но интересных гравитационных эффектов во Вселенной было бы предостаточно и без поля Хиггса. В ней просто не было бы атомов и людей, которые бы их изучали.

Наконец, можно спросить, есть ли в каких-либо уравнениях математическая связь между гравитацией и полем Хиггса. Ответ: нет. У гравитационных полей спин равен 2, они описываются как часть пространства и времени. Они взаимодействуют со всеми частицами и полями. У поля Хиггса спин равен 0, взаимодействует оно напрямую с элементарными частицами и полями, участвующими в электромагнитных и слабых взаимодействиях.

Так что, мысль о связи Хиггса и гравитации естественна для человека, не являющегося экспертом, но наивна. Она проистекает из неправильного понимания:

• Поля Хиггса, которое не обладает универсальным действием. Оно придаёт массу большинству известных элементарных частиц, но не частице Хиггса, не протонам и нейтронам, не тёмной материи (скорее всего) и чёрным дырам;
• Эйнштейновской гравитации, универсальной, и работающей с энергией и импульсом, но не непосредственно с массой, притягивающей протоны и нейтроны, тёмную материю и чёрные дыры, хотя их массы существуют не только благодаря полю Хиггса.

Получается, что несмотря на поверхностное сходство, связь между гравитацией и Хиггсом весьма слаба.

Если мы ищем причины, по которым элементарные частицы обладают определённой массой, почему же мы не ищем причин, по которой они обладают определёнными зарядом и спином?

Мы их ищем. Но в квантовой теории поля (в уравнениях, использующихся в физике частиц) масса очень сильно отличается от заряда и спина. Заряд и спин частиц фиксированы и определены. А масса способна плавно меняться от нуля и до ненулевых значений, и во втором случае точная масса определяется, сложным квантово-механическим способом, через усилие и природу взаимодействий этой частицы со всеми остальными. Поэтому вопрос о том, откуда берётся масса и величина взаимодействий в природе сильно отличается от вопроса, откуда берутся заряд и спин.

Было ли значение поля Хиггса ненулевым всегда?