9 Стандартен модел за начинаещи (5) / Симетрии и Хигс

Някой може да попита - защо въобще хората говорят за обединение и за обща теория за всичко? Много е просто. Първо вижте четирите взаимодействия. Три от тях имат много характерна обща черта - доказано се пренасят от калибровъчни бозони със спин 1. Обаче, понякога тези бозони са с маса (при слабото взаимодействие), понякога без (фотоните и глуоните). Електромагнитното и гравитационното взаимодействия се простират до безкрайност, което значи, че един електрон от тялото ви си взаимодейства електромагнитно и гравитационно с електрон от звезда в съседната галактика. (Всъщност един електрон от тялото ви "се намира" с някаква вероятност в съседната галактика, но това е друга история.) Слабото и силното взаимодействие пък действат на нищожни разстояния (от сорта на 10^-15 метра). Електромагнитното е действие на привличане и отблъскване. Гравитационното - само на привличане. Силното пък се увеличава с нарастване на разстоянието между частиците, за разлика от всички други, вследствие на което частиците, подложени на него не могат да се наблюдават в свободно състояние. Четирите взаимодействия са изключително различни по сила (гравитационното взаимодействие е 10³⁸ пъти по-слабо от силното взаимодействие). И т.н. и т.н.

Второ: в Стандартния модел има твърде, твърде много параметри... Масите на 12-те фундаментални фермиона; трите ъгъла на смесване в матрицата, която показва вероятностите за преход между поколенията; една фаза в същата матрица, която определя връзката между количеството материя и антиматерия; константите, които показват силата на взаимодействията; масата на Хигс бозона и т.н. Общо двайсетина параметъра, които нито се знае защо са толкова, нито защо стойностите им са такива.

Цялата тази картина е прекалено сложна и е просто невъзможно Природата да е толкова... ъ... грозна. И тук дори не отваряме дума за това, че гравитацията не може дори принципно да се намеси в цялата тази картина, без да се добавят още 6-7 измерения. По всичко личи, че Стандартният модел в тази си форма е просто етап от пътя ни към нещо по-симетрично и по-красиво. Дали и кога ще стигнем дотам - виж края на поста...

Но по този път вече сме били свидетели на красиви теоретични обединения, намерили експериментални потвърждения, и точно едно от тях води до хипотезата за съществуване на бозона на Хигс.

Оказва се, че слабото и електромагнитното взаимодействия, колкото и да са различни на пръв поглед, всъщност са проявления на една и съща сила - електрослабата. Над определени енергии (100 GeV) тези две взаимодействия математически се описват по един и същ начин, т.е. те са симетрични. Някога, в далечното минало на Вселената, когато температурата й е отговаряла на тези 100 GeV (това е около 10¹⁵ градуса), разлика между слабото и електромагнитното взаимодействие не е съществувала - те са били едно. Тази електрослаба сила е била носена от 4 безмасови калибровъчни бозона.

Когато енергиите са паднали под тази граница, обаче, с разширението и охлаждането на Вселената симетрията се е нарушила, и електромагнитното взаимодействие се е отделило от слабото. В този момент са се "образували" и преносителите на двете взаимодействия - също с различни свойства. Фотонът се е оказал безмасов, докато трите калибровъчни бозона W⁺, W^- и Z⁰ са добили доста голяма маса (от порядъка на 100 GeV). Именно за да се опише математически това разрушаване на симетрията е необходимо да се постулира съществуването на скаларно поле (съответстващо на частица със спин 0), което има ненулева стойност в цялото пространство. При взаимодействието с това поле калибровъчните бозони на електрослабото взаимдоействие се "превръщат" в калибровъчни бозони на електромагнитното и слабото взаимодействие, придобивайки маса във втория случай.

Има множество интуитивно ясни примери, които помагат да си представим това придобиване на маса. През 80-те, когато британските учени молили правителството да отпусне средства за LHC, Маргарет Тачър им казала, че нямат грижи, стига да обяснят на език, който и политик може да разбере за какво ще ги похарчат. Тогава й дали следната аналогия "Маргарет, скъпа, прдстави си стая, пълна с хора. На входа се появява някакъв човек, който иска да мине между тях. Ако това е никому неизвестна персона, тя просто ще профучи необезпокоявана през стаята. Ако обаче се появи кралицата появиш ти, всички ще я те наобиколят, за да й ти отдадат внимание. Това взаимодействие с хората (проявления на полето на Хигс) ще я те забави, т.е. ще й ти придаде "маса". Разбра ли, Маргарет?" - "Чек ще свърши ли работа?"

Има и още една готина аналогия - представете си полето на Хигс като океан. Всяка частица е безкрайно лека суха гъба, която като се потопи в това поле "поема" от него и придобива маса в зависимост от свойствата си. Фотонът изобщо няма да се намокри при преминаването си през водата. Топ-кваркът обаче ще се насмуче яко. Какво определя кой колко вода... т.е. маса ще поеме - не е ясно. Ясно е, че механизмът на поемането на вода от всички частици е еднакъв.  И че океанът, съставен от частици на Хигс е физически съществуващ обект.

Описаният механизъм на придобиване на маса е математически най-простият, най-елегантният и следователно - най-вероятният от всички възможни. Има и други начини да се разруши електрослабата симетрия, така че частиците да получат маса, без задължително да се изисква съществуването на "класическия" бозон на Хигс: техниколор, модели със скрит Хигс, безхигсови модел... Горе-долу колкото теоретични групи - толкова и модели. За щастие, LHC е не само гигантско съоръжение за откриване на нова физика, но и убиец на теории. С откриването на Хигс бозона под ножа вече паднаха всички изброени (а, извън темата за Хигса - нискоенергетичната суперсиметрична теория също започна да издъхва, защото няма ни вест ни кост от нея).

Точно проявление на това хигсово поле с много голяма вероятност е намерената на 4 юли тежка частица, която се разпада на два фотона (наред с другите вероятни канали на разпадане). Свойствата й трябва да се уточнят, за да се докаже 100%, че това е търсеният бозон на Хигс, но те отново са проста математика: зарядът на тази частица трябва е нула, защото системата от два фотона има нулев заряд (а зарядът на началното и крайното състояние е еднакъв). Спинът на тази частица е най-вероятно нула, защото спинът на фотона е 1, а двата фотона "се въртят" в противоположни посоки, унищожавайки общия ъглов момент (не е изключено все още спинът да е 2, т.е. спиновете на двата фотона да са паралелни, но е малко вероятно). С други думи - частицата с маса 125.3 GeV е идеален кандидат за Хигс. В резултат на това, една елегантна теоретична концепция става наблюдавана реалност, и цялата математическа хватка, която счупва електрослабата симетрия и води до наблюдаемите при температурата (енергията) на сегашната Вселена електромагнитно и слабо взаимодействия, се оказва експериментално доказан факт.

Забележете последствията от всичко това: вместо да имаме модел с 4 взаимодействия, в който освен изброените параметри съществуват още два допълнителни (масите на W^+/- и Z⁰ бозоните), сега имаме обединена теория, в която имаме 3 взаимодействия (силно, електрослабо и гравитационно), в която параметър остава само масата на Хигс бозона (а масите на W^+/-, Z⁰ и фотона се получават като следствия и вече не са фундаментални константи).

С увеличаването на енергиите (и температурите с връщането назад в миналото на Вселената), трябва да се стигне до момент, в който силното и електрослабото взаимодействие се обединяват по подобен начин в обща група на симетрия. Това е т.нар. Теория на Великото Обединение, която би съдържала като следствия всички сега известни параметри на Стандартния модел, а силното и електрослабото взаимодействия биха били проявления на тази "електрослабосилна" сила, която се е счупила на две при охлаждането на Вселената. "Охлаждане" е интересен избор на дума тук, защото се предполага, че енергията, при която това се е случило е от порядъка на 10¹⁶ GeV или 10²⁷ Келвина, което е извън възможностите на каквито и да било експерименти, дирижирани от човешко същество. Правилно - това, че LHC ще възпроизведе условия много близки до "началото" на Вселената е просто PR, който ще се срути, ако някой уточни какво значи "много". Във всеки случай, достатъчно би било, ако вместо протони, в LHC сблъскваха ябълки, съсредоточени в "обема" на един протон. Тогава от LHC щяха да летят не само Хигс-бозни, но може би и изкуствени органи.

За финал оставям най-депресиращата част - моментът, в който опитаме да обединим и гравитационното взаимодействие с останалите. Дори ако квантовата гравитация е валидна хипотеза, интуитивните ни представи за пространство и време, вече подложени на изпитание веднъж от Общата теория на относителността, сега трябва да претърпят още една метаморфоза - този път почти непреодолима за ограничените ни мозъци. Трябва да забравим за понятията "причина", "следствие" и "местоположение". На т.нар. планкови размери, които трябва да са се случили, когато температурата на Вселената е била 10³² Келвина, четирите измерения вече не съществуват в класическия им смисъл - не може да се каже нито дали едно събитие настъпва преди или след друго, нито може да се каже дали една точка е вляво или вдясно от друга. Това води до пълната невалидност на словосъчетанието "начало на Вселената". И не, че искам да съм прекалено черноглед, но е по-вероятно човечеството да се самоунищожи (или да бъде унищожено от халосал го астероид с големината на Тексас), отколкото да еволюира до ниво, в което дори ще може да постави адекватно въпроса за "Началото", нежели да му даде подобие на отговор.

С това приключвам серията за Стандартния модел, всъщност откривайки поле за нова поредица постове, която да касае плоските ни, ограничени и обречени на вечни интелектуални мъки представи за историята и самата същност на Вселената.