Хиггсовский бозон. 
Квантовая хромодинамика. 
Стандартная модель. 
Великое объединение. 
Суперобъединение. 
Фундаментальная длина

В 1960;х гг. английский физик-теоретик Питер Хиггс (р. 1929) предложил механизм спонтанного нарушения электрослабой симметрии, объясняющий происхождение массы элементарных частиц, в частности масс векторных W и Z-бозонов.

Механизм, в настоящее время носящий его фамилию, предсказывает существование новой частицы, хиггсовского бозона — скалярного бозона со спином S = 0. Предполагается, что в природе существует особая форма поля — хиггсовское поле, носителем которого и является хиггсовский бозон. Оно поразительно похоже на отвергнутый учеными всепроникающий эфир и заполняет всю Вселенную. В хиггсовском поле, взаимодействуя с ним, движутся все частицы. Масса частицы определяется мерой ее взаимодействия с хиггсовским полем.

Интересно, что ответ на вопрос о происхождении массы пытались найти не только ученые, работающие в физике элементарных частиц, но и специалисты в области космологии. В 1961 г. американские физики-теоретики К. Бранс и Р. Дикке из Принстонского университета ввели поле, позволяющее гравитационной постоянной Ньютона меняться в пространстве и времени. Объект в точке пространства, где эта постоянная мала, будет менее массивным и искривление пространства — времени будет меньше, чем у такого же объекта в точке, где значение постоянной велико. Впоследствии оказалось, что скалярное поле Хиггса и скалярное поле Бранса — Дикке имеют одинаковый физический смысл! Так, на стыке микрои мегафизики зародилось новое научное направление — космология элементарных частиц.

После нескольких десятков лет поиска 4 июля 2012 г. представители ЦЕРН сообщили о наблюдении новой частицы с массой около 125—126 ГэВ. У специалистов есть веские основания считать, что именно эта частица является бозоном Хиггса. Сам Хиггс заявил по этому поводу, что не ожидал экспериментального подтверждения его теории при своей жизни. Уникален ли бозон Хиггса? Или он лишь один из представителей целого семейства новых частиц? Или, быть может, он сам состоит из более фундаментальных частиц? Вопросы, вопросы, вопросы…

Теория сильного взаимодействия именуется квантовой хромодинамикой (КХД). Она описывает взаимодействие кварков и глюонов, построена по образу квантовой электродинамики (КЭД), которая, в свою очередь, объясняет электромагнитные взаимодействия, обусловленные обменом фотонами. В отличие от электрически нейтральных фотонов, глюоны являются носителями «цветовых» зарядов. Это приводит к тому, что при попытке развести их в пространстве энергия взаимодействия возрастает. В результате глюоны и кварки не существуют в свободном состоянии: они «самозапираются» внутри адронов (возникает явление конфайнмента). В этом проявляется так называемая асимптотическая свобода, открытая американскими учеными Дэвидом Гроссом (р. 1941), Дэвидом Политцером (р. 1949) и Франком Вилчеком (р. 1951) — Нобелевскими лауреатами по физике 2004 г. Их теоретические расчеты показали, что чем ближе кварки друг к другу, тем взаимодействие между ними становится слабее, асимптотически уменьшаясь до нуля. Теория ассимптотической свободы легла в основу Стандартной модели, описывающей взаимодействие элементарных частиц. Она основана на теории квантовой хромодинамики (кваркглюонной гипотезе) и теории электрослабого взаимодействия (механизме спонтанного нарушения калибровочной симметрии или механизме Хиггса). Механизм Хиггса предполагает введение нового скалярного поля, которое, взаимодействуя с бозонами, придает им массу, зависящую от интенсивности взаимодействия.

В настоящее время Стандартная модель — единственная физическая теория, адекватно описывающая устройство нашего мира вплоть до расстояний ~ 10~¹⁸ м. Перед учеными, работающими в данной области физики, стоят две ключевые задачи.

• 1. Создание новых моделей для описания свойств микромира и их экспериментальная проверка.
• 2. Совершенствование феноменологии элементарных частиц.

Кроме того, изучение недавно открытого бозона Хиггса позволит доказать справедливость Стандартной модели, так как его существование следует из нее. Тем самым Стандартная модель из красивой гипотезы превращается в экспериментально проверенную теоретическую концепцию.

Великое объединение — так называют теоретические модели, исходящие из представлений о единой природе сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий. Оно призвано объединить все существующие частицы: фермионы, бозоны и скалярные частицы. В рамках теории Великого объединения хорошо объясняются многие очень важные явления, такие как наблюдаемая барионная асимметрия Вселенной, малая ненулевая масса покоя нейтрино, квантование электрического заряда и существование решений типа «магнитных монополей» Дирака. Торжеством этой теории было бы обнаружение распада протона. По последним данным, среднее время жизни этой частицы больше 1,6 • 10³³ лет. Однако пока этот распад не зафиксирован. Ученые надеются, что дальнейшее развитие моделей Великого объединения приведет к объединению всех фундаментальных взаимодействий, включая и гравитационное (суперобъединение). Но это — дело будущего.

В микрофизике известна и играет важную роль некая фундаментальная длина, называемая планковской или гравитационной длиной: I = 1,6 • 10~³³см. Считается, что длины, меньше планковской, в природе не существует. Совместно с планковским временем t_g ~ 10~⁴³с они составляют пространственновременные кванты, которые призваны лечь в основу будущей квантовой теории гравитации. По мнению В. Л. Гинзбурга, «физический смысл длины Z заключается в том, что при меньших масштабах уже нельзя пользоваться классической релятивистской теорией гравитации и, в частности, общей теорией относительности (ОТО), построение которой было завершено Эйнштейном в 1915 г.». В настоящее время наименьший «прицельный параметр», достигнутый на современных ускорителях, составляет l_f ~ 10~¹⁷ см. Таким образом, можно заключить, что вплоть до расстояний l_{~ 10^-17 см и времен l₍/c ~ 10^-27 с существующие пространственно-временные координаты справедливы. Значение 1_{ отличается от значения Z_g на целых 16 порядков. Поэтому вопрос о фундаментальной длине еще остается актуальным для науки.