Иллюстрация механизма приобретения квантами слабого взаимодействия массы

Приобретение массы часто иллюстрируется посредством следующего примера. Легкие пенопластовые шарики по-разному перемещаются, но поверхности жидкости различной вязкости. Чем больше вязкость, тем труднее им продвигаться. С ростом коэффициента вязкости они как бы приобретают дополнительную массу. Она тем больше, чем сильнее рябь на воде, ее выпуклости. Они являются аналогом бозонов Хиггса. Хиггсовское поле можно считать своеобразным вакуумным конденсатом.

Физическая теория не может быть полноценной без эксперимента. Предстояло обнаружить бозон Хиггса или же получить убедительные данные, противоречащие его реальности. Он был обнаружен в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК), расположенном вблизи Женевы.

Большой адронный коллайдер

БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. Он называется адронным, ибо в нем до высоких скоростей разгоняются тяжелые частицы, адроны. Пучки частиц взаимодействуют в специальных точках их встречи. Кинетическая энергия переходит во внутреннюю энергию вновь нарождающихся частиц. Параметры ВАКа таковы, что в нем могут рождаться частицы, обладающие большой массой.

14 марта 2013 г. было объявлено, что после многолетних поисков, на которые ушло почти иолвека, бозон Хиггса наконец-то обнаружен. Его параметры оказались следующими: масса равна примерно 125 ГэВ, время жизни — 1,5610 ²² с, зарядовая четность — +1, электрический и цветовой заряд, а также спин равны 0. Необычность открытия бозона Хиггса состоит в том, что впервые в природе обнаружена скалярная частица.

Итак, многие физики не без оснований полагают, что многолетняя эпопея, связанная с созданием образцовой электрослабой теории, начатая в 1934 г., почти через 80 лет завершена. Разумеется, она будет и дальше совершенствоваться, а возможно, даже заменена более эффективной теорией. Но ее известный промежуточный успех, надо полагать, должен быть признан. Многие ее создатели стали лауреатами Нобелевской премии по физике. В их числе С. Вейнберг, А. Садам и Ш. Глэшоу — премия за 1979 г. («за вклад в объединенную теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами, в том числе за предсказание слабых нейтральных токов»); Г. 'т Хоофт и М. Велтман — 1999 г. (за прояснение квантовой структуры электрослабых взаимодействий"; К. Руббиа и С. ван дер Меер — 1984 г. («за решающий вклад в большой проект, приведший к открытию W- и Z-бозонов, переносчиков слабого взаимодействия»); П. Хиггс и Ф. Энглер («за теоретическое обоснование существования бозона — частицы, благодаря которой остальные элементарные частицы обретают массу»).

Слабые взаимодействия привлекают пристальное внимание физиков также в силу нарушения в них С-, Ри даже СРи н в, а риант н ост и. Впервые нарушение СР-инвариантности было обнаружено в 1964 г. Дж. Крониным и В. Фитчем в распадах К-мезонов. Оно свидетельствует о существенном различии частиц и античастиц. Нарушение CP-инвариантности нуждалось в объяснении.

Обнаружение той или иной инвариантности всегда является триумфом физики. Если же затем выясняется, что она не имеет место, то, естественно, наступает период сомнений и поиска путей консолидации теории. Нарушение С-, Ри CP-инвариантности воспринималось с известным недоумением, ибо казалось, что рушатся основания физики элементарных частиц. Интересный выход из затруднительной ситуации нашли японские физики М. Кобаяси и Т. Маскава.

Они рассуждали следующим образом. Следует найти такой вариант перенормируемой электрослабой теории, который как раз и объясняет нарушение CP-инвариантности, а следовательно, также С- и Р-инвариантности по отдельности. Они рассматривали слабые взаимодействия между кварками. В рассматриваемый период их творчества были известны только три разновидности кварков. Но теория с тремя кварками имела существенные изъяны, ибо в ней не соблюдалось уловие калибровочной инвариантности. Значительно привлекательнее выглядела теория с четырьмя кварками, но в ней не было места нарушению CP-инвариантности. В этой связи физики предположили, что следует добавить к четырем кваркам еще два их сорта. Это была смелая гипотеза. Именно она привела к успеху. Оказалось, что теория шести кварков не только удовлетворяет требованию калибровочной инвариантности, но и позволяет объяснить нарушение CP-инвариантности, но крайней мере, его доминирующие факторы. Другие факторы, ответственные за нарушение CP-инвариантности, видимо, определяются слабыми взаимодействиями лептонов.

Основополагающая статья двух японских ученых была опубликована в 1973 г. По количеству цитирований она является второй за всю историю развития физики элементарных частиц. Кварки, существование которых предсказали японские физики, действительно были открыты: 6-кварк — в 1977 г. и Скварк в 1995 г. М. Кобаяси и Т. Маскава стали лауреатами Нобелевской премии, но физике за 2008 г. «за открытие источника нарушения симметрии, которое позволило предсказать существование в природе по меньшей мере трех семейств кварков».

Таким образом, нарушение СР-инвариантности не ослабило физику, а наоборот, укрепило ее основания. Физики надеются, что развитие представлений о хиггсовском механизме позволит уточнить природу нарушение СР-инвариантности.

Выводы

• • Сфера слабых взаимодействий ограничивается расстоянием в 10^-17 м.
• • Кванты слабого взаимодействия приобретают массу за счет спонтанного нарушения симметрии в результате их взаимодействия с бозонами Хиггса.
• • Механизм нарушения CP-инвариантности объясняется посредством учета кварковой структуры вещества.