Механизм Хиггса
Почему частицы обладают массой? Поле Хиггса пронизывает всю Вселенную — и благодаря взаимодействию с ним W- и Z-бозоны, а также кварки и лептоны приобретают массу.
Калибровочные бозоны не должны иметь массы — и всё же имеют
В электрослабой теории переносчики силы W⁺, W⁻ и Z⁰ являются калибровочными бозонами — подобно фотону. По математическим причинам калибровочные бозоны в точной калибровочной теории не могут иметь массу: явный член массы в лагранжиане разрушил бы калибровочную симметрию, и теория перестала бы быть перенормируемой.
Проблема в том, что эксперименты однозначно показали: W и Z — массивные частицы, с массами 80 и 91 ГэВ/c² соответственно, что примерно в 85 и 97 раз тяжелее протона. Как калибровочные бозоны могут иметь массу, не разрушая симметрию теории? Ответ — механизм Хиггса: элегантное решение, которое сохраняет симметрию и одновременно её нарушает.
«Мексиканская шляпа» и вакуум
Механизм Хиггса основан на концепции спонтанного нарушения симметрии. Представим потенциал в форме мексиканской шляпы: кольцо минимумов энергии окружает приподнятый центр. Когда система в таком потенциале находит своё основное состояние, ей приходится «выбрать» точку на этом кольце — и тем самым она нарушает вращательную симметрию шляпы, хотя сам потенциал полностью симметричен.
Именно такую структуру потенциала имеет поле Хиггса. В ранней, горячей Вселенной поле колебалось вокруг симметричного центра. По мере остывания Вселенной поле «скатилось» в один из минимумов — оно выбрало «вакуумное среднее значение» (v ≈ 246 ГэВ). Это вакуумное значение — не произвольное решение, а устойчивое физическое состояние. Симметрия лагранжиана сохраняется, но основное состояние Вселенной спонтанно её нарушает.
Следствие: W- и Z-бозоны, изначально безмассовые, «поглощают» голдстоуновские бозоны нарушенного поля и тем самым приобретают массу. Это и есть механизм Голдстоуна–Хиггса: продольные степени свободы массивных калибровочных бозонов происходят из нарушенного поля Хиггса. Фотон остаётся безмассовым, поскольку связанная с ним U(1)_em-симметрия электродинамики нарушением не затрагивается.
Юкавская связь — как кварки и лептоны приобретают массу
Поле Хиггса наделяет массой не только калибровочные бозоны, но и кварки с лептонами — правда, посредством другого механизма. За счёт так называемых юкавских связей фермионы взаимодействуют с полем Хиггса. Сила этой связи определяет массу фермиона: тяжёлый топ-кварк (≈ 173 ГэВ) связывается сильно, лёгкий электрон (0,511 МэВ) — почти никак.
Константы юкавской связи — это параметры Стандартной модели: их пока невозможно предсказать из самой теории, они должны определяться экспериментально. Почему топ-кварк весит почти столько же, сколько атом золота, а электрон — в миллион раз меньше, остаётся одной из нерешённых загадок Стандартной модели.
| Частица | Масса | Юкавская связь (относительная) |
|---|---|---|
| Топ-кварк (t) | ≈ 173 ГэВ | ~1 |
| Боттом-кварк (b) | ≈ 4,2 ГэВ | ~0,024 |
| Тау-лептон (τ) | ≈ 1,8 ГэВ | ~0,01 |
| Странный кварк (s) | ≈ 95 МэВ | ~0,0005 |
| Электрон (e) | ≈ 0,511 МэВ | ~0,000003 |
4 июля 2012 года — бозон, каким его и предсказывали
Бозон Хиггса — это квант поля Хиггса, точно так же как фотон — квант электромагнитного поля. Это единственная известная фундаментальная скалярная частица (спин 0) и последний недостающий кирпичик Стандартной модели. Его открытие стало кульминацией 48-летних экспериментальных поисков.
С тех пор бозон Хиггса изучается особенно интенсивно. На БАК измеряют силу его связи с различными частицами — пока все измерения совпадают с предсказаниями Стандартной модели. Отклонения указывали бы на новую физику за пределами Стандартной модели — и являются предметом активных исследований.
Является ли бозон Хиггса единственной частицей Хиггса? Многие расширения Стандартной модели — суперсимметрия, модели с двумя дублетами Хиггса — предсказывают несколько бозонов Хиггса. Современный БАК ведёт их поиск. Кроме того, остаётся открытым: что определяет форму потенциала Хиггса и почему масса бозона Хиггса равна именно 125 ГэВ?