Элементарные частицы в Стандартной модели


Физик Эдуард Боос о принципе калибровочной инвариантности, идее спонтанного нарушения симметрии и недостатках Стандартной модели

Мы поговорим о современной физике элементарных частиц. Согласно современным представлениям, которые подтверждаются огромным количеством самых разных экспериментов, наш микромир на фундаментальном уровне описывается так называемой Стандартной моделью, в которую входят частицы со спином ½ (они называются фермионами) и частицы со спином 1 (они называются бозонами). Посредством обмена этими бозонами между фермионами осуществляются соответствующие взаимодействия.

Скажем, протоны, нейтроны состоят из кварков. Протон состоит из двух u- и одного d-кварка. Нейтрон состоит из двух d- и одного u-кварка. Вот эти кварки связываются внутри протона и нейтрона посредством обмена одного из типов векторных частиц, так называемых глюонов, от английского слова glue — «клей», который склеивает эти кварки как бы и образует единую частицу протон или единую частицу нейтрон. Со времён школы мы знаем, что в природе существует 4 вида взаимодействий: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Пока в той схеме элементарных частиц, о которой я говорю, гравитационное взаимодействие стоит немного особняком. Оно слишком слабое, и в схему Стандартной модели не включается. Хотя в различных моделях за рамками Стандартной модели есть варианты, когда и гравитация объединяется в нечто единое с теми тремя другими силами.

Но среди вот этих сильных, слабых, электромагнитных взаимодействий оказывается, что электромагнитные и слабые взаимодействия объединяются на определённом масштабе достаточно маленьких расстояний, достаточно больших энергий в единые так называемые электрослабые силы. И то, как устроены эти электрослабые силы и электрослабые взаимодействия, и связано очень глубоко с такими частицами, как w-бозон, z-бозон и бозон Хиггса, о котором мы сегодня поговорим немножко более подробно.

На самом деле бозон Хиггса был предсказан достаточно давно (это было примерно в 1964 году) несколькими учёными. Кстати, двое из них (Питер Хиггс и Энглер) получили недавно нобелевские премии за открытия. Точнее, не за открытия бозона Хиггса. Потому что вообще это было подтверждением тех идей, которые были в своё время высказаны целым рядом учёных, помимо Питера Хиггса. Питер Хиггс предсказал бозон, а все они предсказали новый механизм того, как появляются массы у всех элементарных частиц. Проблема была в том, что та теория, которая была построена (Стандартная модель) — это настоящая квантовая теория поля, как квантовая электродинамика, которая позволяет рассчитывать не только эффекты в низших порядках, но и рассчитывать то, что происходит в более высоких порядках по каким-то малым константам разложения, и проверять с очень высокой точностью самые различные предсказания.

Так вот, вся эта конструкция базируется на одном фундаментальном принципе, который называется принципом калибровочной инвариантности взаимодействий. Он тесно связан с законом сохранения заряда в каждой точке пространства-времени. Этот принцип был очень хорошо апробирован в квантовой электродинамике и был перенесён на сильные и электрослабые взаимодействия. И всё было бы хорошо, если бы частицы были безмассовые. Но мы знаем, что частицы не безмассовые, имеют массу. Но как только мы хотим приписать массы этим частицам, то оказывается, что все такие введённые конструкции, которые называются в науке «массовыми членами», нарушают этот принцип локальной калибровочной инвариантности, и не удаётся сделать так, чтобы и принцип соблюсти (а принцип вроде как нужен, потому что это очень глубокий базовый принцип), а с другой стороны массой обеспечить.

И вот, собственно говоря, так называемая идея спонтанного нарушения электрослабой симметрии была предложена в работах нескольких авторов в 1964 году. И за этот механизм и была выдана Нобелевская премия в 2013 году. Но подтверждением этого механизма явилось открытие бозона. Потому что как вследствие этого механизма обязательно предсказывалась новая скалярная частица. Поисками этой частицы занимались очень и очень долго. Проблема состояла в том, что Стандартная модель благодаря этому принципу калибровочной инвариантности очень хорошо предсказывает все взаимодействия между элементарными частицами. И то, что это взаимодействия именно такие, как предсказано, было доскональнейшим образом проверено в самых разных экспериментах.

Но Стандартная модель не предсказывала одну величину, а именно массу самого бозона Хиггса. И поэтому хотя все взаимодействия бозона Хиггса были понятны, было понятно, как его искать и так далее, но не была известна его масса, то очень сложно было эти поиски провести, потому что в зависимости от того, где его масса, стратегия поисков была разная, разные были доминирующие моды, в которых можно было его поймать, на разных ускорителях и коллайдерах это были совершенно разные по постановке эксперименты. Поиски велись долго, было несколько в своё время достаточно возбуждающих моментов. Например, перед тем, как был закрыт коллайдер LAP2 в ЦЕРНе (это электрон-позитронный коллайдер, который работал в ЦЕРНе до того, как был запущен Большой адронный коллайдер в том же самом кольце).

Так вот, незадолго до его открытия казалось, что есть указания на то, что что-то такое появляется, правда, как мы теперь знаем, не с той массой, как в результате он был найден на Большом адронном коллайдере. Но это был такой момент, когда люди думали, что вот-вот. Но потом LAP был закрыт и, как показала история, то было правильно сделано. Потому что тут ничего не было — ясно, что эта область была закрыта. А работа Большого адронного коллайдера могла бы существенно отодвинуться по времени, и, возможно, мы бы до сих пор ещё этот бозон не обнаружили.

Но бозон Хиггса был обнаружен в 2012 году. Этому предшествовало, конечно, очень много других открытий. В частности, открытие w- и z-бозонов, а затем в Лаборатории имени Ферми на коллайдере «Теватрон» был открыт самый тяжёлый из кварков, так называемый топ-кварк. И, кстати, довольно забавно, что все бозоны, включая бозон Хиггса, были открыты в Европе, а все фермионы, топ-кварк и b-кварк были открыты в Америке. Получилось такое интересное историческое разделение обязанностей. Но крайне не хватало открытия этого бозона. Как мы теперь знаем, в какой-то мере повезло, что он имеет массу 125 ГэВ — чуть больше, чем 125 масс протона. Этот бозон потяжелее, чем w- и z-бозоны, которые имеют массу примерно 80 и 90 ГэВ, и полегче, чем топ-кварк. Топ-кварк — самая тяжёлая из существующих элементарных частиц, которая имеет массу примерно 173 ГэВ.

После того, как бозон Хиггса был открыт в нескольких модах, все частицы Стандартной модели, включая все лептоны, все нейтрино, все кварки, включая топ-кварк, который я упомянул, и бозон Хиггса — всё было открыто. Тем самым завершилось построение Стандартной модели. С одной стороны, мы создали Стандартную модель и открыли все частицы взаимодействия. И, казалось бы, это триумф, и очень много всего понято. И то, что предсказывалось, то открылось.
Но, с другой стороны, стало совершенно очевидным, что всё то, что открылось, недостаточно для понимания и объяснения целого ряда эффектов и явлений. Одна проблема, например, состоит в большой разнице масс между открытыми фермионами, скажем, топ-кварк, который имеет массу 173–174 массы, и других кварков, лёгких кварков, скажем, u и d, которые составляют маленькую долю массы протона, согласно механизму Хиггса. Или лептоны, или нейтрино (нейтрино — совсем лёгкие частицы), многое осталось непонятным.

Были открыты осцилляции нейтрино, которые Стандартной моделью не предсказываются. Для того, чтобы их понять, надо уже немножко выйти за рамки Стандартной модели. Мы не понимаем, что такое тёмная материя, из которой, согласно различным астрофизическим наблюдениям, состоит примерно 23% окружающей нас Вселенной. Но ни одна из частиц Стандартной модели не входит в то, что могло бы образовывать вот эту тёмную материю.

Ну и гравитация, как я уже говорил, стоит немножко особняком от Стандартной модели, этого мы тоже не понимаем. По-настоящему мы не понимаем проблему барионной асимметрии Вселенной. В Стандартной модели есть очень-очень маленький источник CP-нарушения, который в принцип мог бы быть ответственным за то, что у нас наблюдаются одни частицы в нашем мире, которые мы видим вокруг себя, но не наблюдается античастиц. Хотя все законы Стандартной модели практически симметричны относительно замены частицы на античастицу, так называемая CP-симметрия. Но тот источник, который есть в Стандартной модели для такой CP-асимметрии, для каких-то вещей вполне подходит, но он совершенно не достаточен для того, чтобы объяснить ту асимметрию, которую мы наблюдаем во Вселенной. И это тоже одна из проблем.

Помимо этого, в Стандартной модели есть внутренние теоретические проблемы, которые говорят о том, что механизм Хиггса, открытый нами, нестабилен по отношению к высшим поправкам. То есть когда мы считаем поправки, то они оказываются очень чувствительными к любому масштабу любой возможной новой физики. И если этот масштаб очень большой, а сейчас единственный масштаб, который мы знаем, помимо электрослабого масштаба, до которого мы уже дошли, — это гравитационный масштаб, это постоянная Планка, или масса Планка. Это 10^19 ГэВ, это огромный масштаб. Тогда совершенно непонятно, почему бозон Хиггса имеет ту массу, которую имеет, и вот эти огромные поправки, если они контролируются этой новой физикой, не утягивают эту массу куда-то очень далеко.

Всё это привело к тому, что сейчас учёные мира озабочены тем, как создать какие-то варианты теории моделей, выходящих за рамки Стандартной модели, которые объясняют те или иные проблемы, о которых я говорил. Это с одной стороны. А экспериментальные программы в ЦЕРН-е, программы этих коллабораций (ATLAS, CMS, LHCb, Alice) настроены на то, чтобы, в частности, попробовать найти какие-то отклонения от предсказаний Стандартной модели, новые эффекты, которые мы пока не знаем и никто не знает.

boos.jpg

доктор физико-математических наук, профессор физического факультета МГУ, заведующий отделом экспериментальной физики высоких энергий НИИЯФ МГУ

Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru