Леонард Сасскинд — Что такое бозон Хиггса? [Стэнфорд]

Вот сайт с шаурмой.

[музыка]

Добро пожаловать в Стэнфорд на лекцию Леонардо. Со стенда я не стану рассказывать вам о том, почему бозон Хиггса — лучшее, что случалось с человечеством со времен изобретения смывного унитаза.

Вы все и так могли наблюдать бешеный ажиотаж и ознакомиться с безрассудной радостью популярных статей, которые наводнили газеты. Бозон Хиггса объяснит происхождение вселенной и всё в таком духе. Я здесь не для этого, хотя надо признать, это всеобщее ликование оправдано. Да-да, направлена в этом можно не сомневаться. Достижение значимое, но это невероятное, небывалое событие.

Но сегодня поговорим не об этом. У меня сегодня другая задача. Говорят, я очень хорошо даю суть. Моя цель сегодня объяснить вам, насколько это возможно в рамках одного часа. Сразу оговорюсь, это очень сложно, может вообще не получится, но я постараюсь объяснить вам самые основы того, что можно условно назвать физикой Хиггса.

У меня есть близкий друг Франсуа Англер, и он был бы недоволен, узнай, что я стою тут и рассказываю о бозоне Хиггса, так как открыл его именно Англер. Поэтому, если я вдруг скажу «механизм Бро», то Англер, а Хиггс, помните, что это то же самое, что механизм Хиггса, чтобы все понимали, о чем я.

Что же, перейдем к делу. Во-первых, так как вопрос очень комплексный и состоит из нескольких тем, мне придется сперва пройтись по ним, иначе есть риск запутаться. Поэтому я разделил лекцию на несколько модулей.

Механизм Хиггса — это чистая квантовая механика, и без неё нам с вами никак не обойтись. Так что, пожалуй, с неё я как раз и начну. Но боюсь, придётся ограничиться одним тезисом: мир состоит из квантов.

Это значит, что все существует в виде дискретных целых величин. Самый известный пример — момент импульса, иначе говоря, вращательные свойства или вращающий момент какой-либо частицы. Квант улица — это значит, его можно описать неким количеством каких-то единиц, в нашем случае постоянной Планка, точнее, редуцированных постоянных Планка. Предположим, это всё, что нам нужно знать о квантовой механике на данном этапе.

Ещё одно понятие — уже попроще, как мне кажется, многим уже знакомое понятие поля. Поле — это нечто в пространстве, электрическое, магнитное, гравитационное. Всё, что присутствует в пространстве и характеризует его свойства, поведение в данный момент в данном участке пространства-времени.

Вообще мы в пространстве бывает поле. Обычно, если мы представляем себе пустое пространство или, как мы его называем, вакуум, то с точки зрения квантовой механики это низшая и аргументированное состояние.

Пустота, никакой энергии, кроме минимума, который подразумевает квантовая механика. Можно предположить, что поля, которые только могут быть в пространстве в вакууме, равны нулю: электрическое, магнитное, ну и так далее. Но в физике нет закона, который обязательно приводил бы к такому выводу.

Представим себе мир, заполненный электрическим полем. Откуда она там взялась? Возможно, где-то бесконечно далеко друг от друга есть пластины конденсатора, так далеко, что мы их не видим. Но мир пронизан электричеством, она повсюду. Получится вакуум, в котором есть поле. Если рассуждать так, что начали раньше времени, хорошо, подождем.

Итак, я успел рассказать две вещи. Первая — квантовую механику. Мы сводим простому тезису о том, что всё в мире квант улица, то есть всё состоит из отдельных фрагментов. И важный пример момент импульса, то есть не самый важный в мире, но в рамках этой лекции сегодня нам важно помнить о моменте импульса. Момент импульса связан с вращательными движениями и так далее.

В квантовой механике, в отличие от классической, момент импульса существует в виде отдельных единиц редуцированной постоянной Планка. Не бывает 1, 10 единиц момента импульса, только 0, 1, 2, 3, -1, -2, -3. Есть ещё половинные моменты, но пока об этом забудем.

И не может быть пик момент импульса только целые единицы. Это первый факт, который нужно запомнить. Второй факт, который играет важную роль, — это принцип неопределенности. О нем позже. Мы также обсуждали поля. Они заполняют пространство: электрические, магнитные, гравитационные и другие, описываемые физикой. Все они — функции пространства, меняются от точки к точке и они, в том числе, влияют на движение объектов, как электрическое поле влияет на движение заряженных частиц.

Ещё я говорил о воображаемом мире, в котором неважно, почему весь вакуум заполнен полем. Мы скажем так, я слетал к Альфе Центавра. Извините, я не важно, что там. Извините, да. В общем, куда-то далеко и установил пластины конденсатора, одну здесь, одну там. Получилось электрическое поле, пластины так далеко, что мы их не видим. Для нас это поле было бы неотъемлемой частью мира. Странное движение заряженных частиц мы воспринимали бы просто как данность.

Как правило, поля требует энергии. В пространстве без электрического поля энергии нет. Раз появилась поле, должна быть и энергия. Теперь построим график энергии поля — обычного электрического, магнитного, ещё какого-то. Как правило, мы представляем энергию поля как функцию этого поля. По горизонтали откладываем величину поля, по вертикали — энергию.

Вот здесь поле равно нулю. Представим, что мы возбуждаем поле, заставляем его колебаться, толкаем его немного в какой-то точке пространства. В этой области она колеблется, эти колебания суть кванты. Поле — это частицы, кванты колебания поля — это частицы.

Может возникнуть ситуация, когда у вас есть два связанных поля, назовем их фильм efi с штрихами, то неважно. Тогда вместо одномерного графика мы рисуем двумерный. Это не пространство, а значения некоторых полей. Тогда энергия будет зависеть от обоих полей.

Пример: вот такая функция энергии говорит нам, что для любого изменения поля нужна энергия. Теперь представьте, что этот перевернутый параболоид, или что я за фигура ровный и симметричный, его можно вращать как угодно — график не изменится. Прямо как другие мои шляпы, она, конечно, идеально симметрична.

И поле так, а где мой шарик? Поле, если отмечать его на графике при условиях минимальной энергии, будет находиться на дне нашей шляпы в точке минимума. Это если мы максимально уменьшим энергию поля.

Вообще представьте, что состояние поля в точке пространства — это такой шарик, который может колыхаться туда-сюда. Это отражает изменения физических свойств в некой области пространства. Как я уже говорил, подобные колебания по сути и есть частицы, но для нас сейчас это просто как они.

Итак, что можно сделать с полем, величину которого мы представляем точками внутри нашей шляпы? Можно начать с нулевого положения, скажем, отсюда и побежать по кругу. Точно также мы могли выпустить шарик, и под шляпой, правда симметричной и ровный, он катался бы в ней по кругу.

Круговое движение поля в каком-то смысле похоже на момент импульса. Это нереально и вращение в пространстве, но, как бы, вращение в рамках нашего графика такой момент импульса, как и любой другой, тоже квант улица, описывается целым количеством постоянных Планка.

Что они показывают? Они показывают значения другого командующегося показателя, значения, например, электрического заряда. В современной физике электрический заряд находящийся в некой области — это как раз и есть заряженная частица.

Так вот, частицу рассматривают как такое возбуждение поля, которое заставляет его, так сказать, бегать по кругу, собственным, так сказать, пространстве. Не в реальном пространстве, но вот на этом графике. Вот как-то так нам и стоит воспринимать заряд: своеобразная беготня поля по кругу.

А теперь представьте, что мы берем шляпу и переворачиваем. И вот так. И что, потенциальная энергия стала нет? Мы переворачиваем на борт, ведь в таком положении потенциальная энергия минимально. Там, где у шляпы вверх.

А теперь представим, что всё наоборот. Наверху у нас максимум. Тогда верхушку нельзя назвать точкой равновесия, это будет неустойчивое равновесие, и график примерно такой. Мы, вроде как, перевернули шляпу и теперь вот, видите, форма шляпы, им нет плохо получилось, поправлю как-то так.

Теперь похожа на, теперь шляпа, какая именно? Кто скажет? На сомбреро похоже? Ведь что-то мексиканское. Верите или нет, физики называют функцию потенциальной энергии мексиканской шляпой.

Итак, мексиканская шляпа. Края загнуты, верхушка неустойчивая, и если положить шарик наверх, он скатится.

А куда? На поля шляпы. Если по какой-то причине потенциальная энергия поля примет эту форму, то низшая энергетическая точка будет не там, где поле равно нулю, а вот здесь.

Любопытно, у нас получился бы вакуум, или мир, в котором есть поле, как электрическое, только не электрическое, которое в каждой точке не равно нулю, и его можно обнаружить.

Но как именно? Если оно влияет на какие-либо объекты, а именно так и происходит, и мы это увидим. Но тут появляются новые возможности, которых не было здесь. Здесь, чтобы запустить шарик по кругу, нам надо сначала вывести его из состояния равновесия, иначе он будет вращаться на нуле.

В чем смысл? Чтобы процесс пошел, сначала надо систему сдвинуть, а потом подтолкнуть. Чтобы появилась заряженная частица, нужна энергия. Здесь же мы вполне можем запустить шарик легким толчком, который ничего не стоит, потому что нам уже не придется подниматься по склону шляпы.

Другими словами, такое движение — нет, новое. Понимаете о чем я? Наш шарик на графике будет кататься по кругу вокруг максимума потенциальной энергии. Он будет делать так сразу повсюду.

Я не про реальное пространство, я про график. Шляпа, напоминаю, что движение шарика по кругу — это заряд. Мы и говорили, что такие колебания поля — это и есть заряд.

Так как у нас поля пронизывает весь мир, выходит, что небольшой заряд есть повсюду. Плотность заряда. Иными словами, при этом без каких-либо энергозатрат. Этот феномен называется конденсатом или спонтанным нарушением симметрии.

Но если кратко, то конденсат — это конденсат заряда в пространстве. Вы скажете, хорошо, я хочу найти низшую точку энергии вакуума, то есть пустого пространства. Логично, что для этого нужно, чтобы поля вообще не менялись. По аналогии с нашим шариком на шляпе, где движение требует кинетической энергии, для фигурального движения поля по кругу также нужна энергия.

Поэтому, если мы хотим получить наименьшую энергию, поле должно быть или тут, или тут, или здесь, где-нибудь по краю шляпы. Но поле должно находиться в покое, чтобы не было никакого момента импульса, то есть заряда. Пространство пустое, заряда нет.

Но вот проблема: есть принцип неопределенности. Напомню, в чем его суть. Из него следует, что если у вас есть объект, и вы хотите узнать его координаты в обычном пространстве, его импульс и можно сказать скорость.

Принцип неопределенности гласит: неопределенность координат на неопределенность импульса больше или равно чему? Постоянной Планка. Ничто не может стоять на месте и иметь 0 импульс.

Нечто, извините, ничто не может стоять на месте, то есть иметь 0 импульса и в то же время быть в конкретной точке. d этапе на дельта x больше или равно h с чертой.

То же самое и здесь. Если вы точно знаете, где находится шарик на этой мексиканской шляпе, чем точнее вы это знаете, из принципа неопределенности следует, что тем меньше вы знаете о том, как быстро он движется.

Уже интереснее получается, что не может быть вакуума без заряда. Не может быть, потому что если шарик привязан к точке, если мы точно знаем его положение на полях шляпы, то обязательным условием становится неопределенность заряда. Заряд — наш фигуральный момент импульса.

Что же дальше? Представим, что речь идет про самый обычный электрический заряд. Тогда мы можем сказать, что вакуум или пустое пространство не просто содержит какой-то заряд, а содержит неопределенное количество заряда. Неопределенное — принципиально. Это квантовый эффект — неопределенная величина заряда.

А значит, если мы решим измерить заряд в каком-то небольшом объеме пространства, с равной вероятностью он окажется равным нулю или единице, или минус единице, 2 или -2, трем или -3.

Это очень странно. Не пытайтесь это представить, нельзя вообразить неопределенную величину заряда. Но тем не менее так выглядела бы эта область пространства: заряд может быть любым, от минус бесконечности до плюс бесконечности.

А теперь представьте, что у вас есть еще одна заряженная частица помимо этого поля, и вы её туда закидываете. Какой там был заряд изначально? Мы не знаем, но знаем, что он изменился на единицу. Предположим, что частицы была положительного заряда.

Поле увеличилось на 1. Если было ноль, то станет один. Был один, станет два. Если два, станет три. Если минус 1, станет минус 2 и так далее. Получается, что ничего не изменится. Мы начали с неопределённой величины заряда, вероятность каждого значения одинаково, а после того, как мы сбросили новый заряд, получилось ровно то же самое.

А если выдернуть заряд, то то же самое. Конденсат — это странная конфигурация пространства, и какой бы тип заряда мы не взяли, его неопределенность столь велика, что хоть добавь один, хоть забери, ничего не изменится.

В реальном мире электрический заряд ведёт себя не так. Если его куда-то добавить, это сразу видно. Так что к электрическому заряду это не применимо.

Однако есть материалы, которые так себя ведут — сверхпроводники. В этом как раз и их прелесть. То есть не то чтобы это было что-то неслыханное или абсолютно новое. Зарядный конденсат, когда в некой области заряд совершенно не определен.

Это был, так сказать, первый модуль — конденсат и, или так назы поэма «Спонтанное нарушение симметрии».

Модуль номер два – стандартная модель. Переходим к физике частиц. Введение в физику частиц. 1. Частицы обладают массой, и масса может быть любой: от 0 до. Мы говорим о малых частицах, а не тяжелых локомотивах или звездах. Только о мелких частицах, они же элементарные частицы.

И у них есть максимальная масса. Будь они крупнее, возникло бы черная дыра. Не крупнее, массивней, больше некого предела. Черная дыра — это уже другой разговор. До некого предела, который зовется планковской массой.

Это не слишком большая масса, не слишком большая и не слишком маленькая. Примерно 1/100 тысячная грамма в былинках. Но это предельно допустимая масса, которую может иметь элементарная частица. Всё, что больше — черная дыра.

Вы спросите, где на этой шкале от нуля, напишем m планка, до максимума, где на этой шкале обычные частицы — электроны, фотоны, кварки? О ней в самом начале. Самая тяжелая из известных элементарных частиц имеет массу 10 в минус 17 массы планка. Почему они такие легкие?

Ну, во-первых, чтобы обнаружить тяжелые частицы, нужны большие энергии. Для этого нужен огромный ускоритель, а у нас таких пока что нет. Мы особо не знаем, труд вполне могут быть другие частицы, возможно, это так, вполне может быть.

Но что особенного в этих частицах? Сначала я их назову, а потом расскажу, что и объединяет в такую около нулевую группу. Итак, названием частицы стандартной модели. Их две разновидности. Вам разницу знать не обязательно, но я вкратце объясню. Два вида: фермионы и бозоны.

Фермионы — это все частицы, которые образуют материю в привычном смысле слова. Электрон обозначим e. Нейтрино, они обычно вместе обозначим как не ум кварки. Они бывают разные. Кстати, как и электроны, есть электроны милон и тау лептоны.

И все они похожи на электроны. Дней 3, ну тоже бывают разные. У электрона есть заряд, у него три, но нет. Так вот, кварки тоже бывают разные: верхние и нижние такие сети.

У всех этих кварков, вы знаете, какая у них роль? Из них состоит протон. На этом фермионы, пожалуй, да закончились. Переходим к бозонам. Это прежде всего фотон, буква гамма, как гамма-лучи. Фотон.

Дальше — глюон, пишется же очень похож на фотоны, очень похож, но не имеет отношения к атомам. Он связан с ядрами, протонами и нейтронами. Он не даёт развалится протоном и нейтронам, тогда как фотон поддерживает электрическое поле в атоме. Глюон.

Следующие две частицы — W-бозоны и Z-бозон. Почти все эти частицы нам не интересны, кроме периодически фотона и, самое главное, Z-бозона. Вот и вся стандартная модель, кроме одной детали, которую я не упомянул и ради которой вы сюда пришли. Мы до неё дойдем.

Небо бозона Хиггса. Картина была бы неполной. Так в чем же особенность этой группы частиц? А вот в чем. По причинам, которые я объясню немного позже, все эти частицы стандартные модели в том виде, в котором они записаны на доске, должны иметь массу равную нулю.

У них не должно быть массы. Почему? Я объясню чуть позже. Мы часто слышим, что роль бозона Хиггса в том, чтобы создавать массу частиц. Вернее, давать им массу. Именно эту фразу я постоянно слышу — бозон Хиггса даёт частица массу.

Почему им вообще нужно её давать? Почему у них нет собственной массы? Зачем им её давать? Оказывается, и я подробно объясню, почему эта группа частиц имела бы нулевую массу, если бы это были все частицы.

В какой-то степени это объясняет, почему эти частицы находятся тут, почему они такие легкие, потому что у них нет массы. Но это не так. Мы-то знаем, что у них есть масса.

Следующий вопрос. Сейчас немного порисуем. В чем функции этих частиц? В каких процессах они участвуют? Основной процесс стандартной модели, я сильно упрощаю, но для наших целей сойдет, состоит в том, что фермионы... Вот летит фермион. Я буду рисовать его сплошной чертой, потому что материя — она сплошная. Сплошная черта.

Он летит из одной точки пространства-времени в другую. Согласно стандартной модели, фермионы могут испускать бозоны. Например, электрон может выпускать фотон. Движущийся электрон может выпускать фотон. Это связано с его электрическим зарядом. Любая заряженная частица может выпускать фотоны.

Вот фотон — это первый постулат стандартной модели. Всё это — квантовая электродинамика. Тут необязательно. Электрон, любая частица с электрическим зарядом.

Дальше кварк. Хватит места, думаю? Да, кварк. Кварк обозначим, кию, выпускает глюон. И принцип тот же. Кварк, давай, пускай, от глюона. Он также может испускать фотоны, если несет электрический заряд, а кварки несут заряд.

А вот электроны, глюон не выпускают. Это частица, которая связывает кварки внутри протонов и нейтронов. И есть ещё один важный процесс. Точнее, их два. Но я пока расскажу про один.

У нас либо электрон. Да, кстати, нейтрино не может испускать фотоны, так как у него нет заряда. И глюоны не могут, ведь он не кварк. А вот электроны и нейтрино и кварки тоже выпускают Z-бозон. Где он у нас тут? А вот он.

И когда это происходит, Z-бозоны не имеют электрического заряда и заряд частицы не меняется. Это ещё один процесс, описываемый стандартной моделью. Теперь почему бозоны не имеют массы?

Но у фотонов массы нет, мы это знаем, ведь они летают со скоростью света. Возможно ли создать теорию, в которой у фотона есть масса? Да, возможно. Но что важнее, возможно создать теорию, где у него нет массы.

Почему? Потому что у фотона нет массы, продолжает ту же самую логику. Z-бозон не будет иметь массы, как и глюоны, и ни у чего не будет массы. Вот такие процессы бы происходили, а масса частиц была бы равна нулю.

Хорошо, но как полем — как поле даёт частицам массу? Ну или нет. Возьмем пример попроще. Я задам вам более простой вопрос.

Вопрос звучит так: как поле может влиять на массу частицы? Мы поговорим о том, как поле даёт массу безмассовым частицам. Но сперва рассмотрим более скромный вопрос: как поле влияет на массу?

Точнее, как оно по-разному влияет на массы разных частиц. Я покажу вам пример. Он слегка надуманный, но ничего страшного. Молекула воды.

Молекула воды напоминает своего рода гантельку. На одном конце у неё плюс, на другом минус электрические заряды. Хотя скорее они похожи на букву А или Y с тремя концами. Но представим её в виде гантельки с плюсом и минусом.

Так, масса молекулы воды у неё есть масса, и эта масса не зависит от положения молекулы. Если её повернуть, его так: минусом вверх, а плюсом вниз, масса останется прежней. Почему? Пространственная симметрия.

Пространство одинаково во всех направлениях. И благодаря симметрии мы можем утверждать, что молекулы воды в исходном состоянии имеют ту же массу, что и перевернутым. Про случай, когда она лежит на боку, говорить не будем.

Квантовая механика позволяет нам не беспокоиться ни о чем кроме этих двух состояний. Итак, для молекул воды справедливо, что масса одинакова в обоих положениях.

А теперь заменим молекулы воды частицами. Пусть это будут какие-то элементарные частицы. Не важно какие. Два вида частиц: одни плюсом вверх, другие вниз с одинаковой массой.

А сейчас, где мой маркер? Фиолетового нет? Никто не видел фиолетовый? Придется рисовать оранжевым. Где вот здесь под доской? Здесь. Отлично!

Так, у меня в заметках все по цветам. Если собьюсь, будет плохо. Ладно, значит, больше похож на коричневый. Коричневый, да. Ладно, возьмем область с электрическим полем. В ней будет более, скажем, между пластинами конденсатора.

Они могут быть далеко, не важно. Мы разместили пластины, и теперь между ними есть электрическое поле. В данном случае она направлена вверх, то есть она толкает положительные заряды вверх, а отрицательные — вниз.

Если я ничего не путаю, на теперь возьмем молекулы воды и поместим в поле. В момент, когда они попадают в лев, энергия обычной молекулы и перевернутой окажется разной. У какой энергия меньше? У той, что плюсом вверх энергия меньше, а у той, что плюсом вниз — энергия больше.

Сама молекула воды нейтральна, у неё заряда нет. Это диполь с плюсом и минусом на концах. Поэтому у какой из них больше энергии, зависит от направления поля.

Что же? Две молекулы воды, точнее молекулы двух типов — это как будто две частицы. Мы можем их по-разному называть, скажем, мы — вода и виски. У молекулы воды одна энергия, у виски другая энергия.

Ну вот, и по формуле E=mc² получается, что у них разная масса. На практике эта разница будет крошечной, но всё же будет. Тот же эффект.

Поля, действующего на заряженные частицы, влияет и на нейтральные молекулы воды. И заметьте, тут нет результирующей силы. Молекула спокойно проходит через поле, и в нём нет результирующих сил. Но от положения молекул при этом что-то зависит.

И это всё равно что две частицы с разной массой. Это пример того, как поле влияет на массу. В данном случае она увеличивает одну и уменьшает другую массу. Да, кстати. Если вы что-то читаете на тему того, как поле Хиггса создаёт массу, вам может встретиться сравнение, что мол пространство как будто заполнено чем-то.

Но поле Хиггса не похоже на патоку. Пространство не липкое, и вообще, свойство поля — таковые. Суть в том, что массивные частицы движутся медленнее, чем безмассовые. То есть патока как бы их замедляет, но более не замедляет.

Частицы, если толкнуть частицу в эту сторону, она полетит. Так как на неё нет воздействия сил, она полетит без проблем, без препятствий, без трения, без сопротивления. И никакой патоки.

Мне попадалось и другое сравнение — аналогия с санями, которые едут по глубокому снегу. Вообще не то. Это объяснение для ленивых, и она неверная.

Так, хорошо, взглянем на это чуть иначе. Электрическое поле можно изобразить с помощью фотонов. Поле — это ещё один способ описать совокупность, то есть конденсат фотонов. Электрическое поле можно заменить на конденсат.

Тот же конденсат, о котором речь шла до этого — конденсат фотонов. А эти волнистые линии — фотоны. Заполним поле фотонами. Как они поймут, куда направлена электрическое поле? Фотоны поляризованы, они смотрят либо вверх, либо вниз.

Итак, пространство заполнено фотонами, но они в обычном смысле, в смысле конденсата. Что это значит? Это значит, что если я вытащу один фотон, ничего не изменится. И если добавлю один, тоже ничего не изменится. Это и есть конденсат — неопределённое число фотонов. Это и есть поле.

Неопределенное количество вытащишь, а никто не заметит. А теперь давайте сюда добавим молекулу воды. Допустим, молекулу воды летит в потоке фотонов. Возьму красный, всё равно цвета перепутались.

Молекула воды движется вот так. И что же будет? Она состоит из заряженных частиц, и они могут выпускать и поглощать фотоны. Выпускают и поглощают. Сделаем фотоны зелеными. Выпускает фотон.

Но, как мы помним, новый фотон ничего не меняет. Мы рисуем крестик на конце — это значит, что этот фотон не на что. В итоге не влияет. Фотон возник и сейчас затерялся в конденсате. Пока наша гантелька движется в электрическом поле, она постоянно поглощает и выпускает фотоны, которые пропадают в конденсате.

И это ещё один взгляд на то, как поле влияет на частицу. В зависимости от ориентации фотонов это постоянное испускание и поглощение приводит к постоянному изменению энергии наших гантелей в зависимости от положения.

Это был простой пример того, как поле может влиять на массу частицы, и как это можно показать на примере частиц и конденсата. Попрошу вас запомнить, как это работает.

А сейчас мы перейдем от гантели к молекулам к элементарным частицам. Первый вопрос: почему частица или объект вдруг может оказаться без массы? Нужно ли весомая причина, чтобы иметь массу? Нужен ли им механизм Хигса?

В природе есть много вещей, имеющих массу и не имеющих отношения к хиггсовому полю. Приведу пример. Допустим, есть коробка из очень легкого материала, самого легкого в мире. Изнутри у неё зеркальные стенки, и она заполнена высокоэнергетическими частицами.

На ней там носятся наружу, не вылетают элементы, не имеют массы. Фотоны безмассовые. И коробка, сделанная из невесомого материала, не имеет массы. Но внутри много энергии, очень много энергии E=mc², и коробка будет вести себя, словно у неё есть масса.

Всё, что нам было нужно — эта энергия. Ты ничего больше. А есть ли какие-то частицы, у которых есть масса, не связанная с полем Хигса? Да, протоны. Протон — это частица, состоящая из кварков, трёх кварков и кучей глюонов, буквы.

Вот они, их очень много. Кварки и глюоны, грубо говоря, не имеют массы. Значит ли это, что у протона нет массы? Если её нет у кварков, и глюонов, вовсе нет. Даже будь у глюонов и кварков масса, её бы хватило как максимум на один процент от всей массы протона. Это очень мало.

Откуда же у него такая масса? И с кинетической энергией безмассовых частиц, снующих туда-сюда внутри коробки, то есть внутри протона. Масса не всегда связана с бозоном Хиггса, он не имеет к этому отношения.

Так почему же эти частицы стандартной модели требуют введения дополнительного элемента? Я остановлюсь на электроне. Давайте поговорим об электроне. Всё это нам не нужно.

Я хочу рассказать вам о теории электрона Дирака. На самом деле, целиком она нам не нужна, только то, что про электрона. Есть спин.

А если электрон очень быстро двигается вдоль оси, почти со скоростью света, очень быстро, тогда у нас два варианта: спин идёт по правилу правой руки, вот так, большой палец в направлении движения, складываем пальцы. Правило правой руки или по правилу левой. Ух ты, не узнал, что так умею.

Два вида электронов: спин вправо и спин влево. Вопрос: правые электроны всегда остаются правыми, или они могут стать левыми? Может правый стать левым? И наоборот — может?

Об этом говорит теория Дирака. Но только не на скорости света. Почему? Потому что на скорости света время бесконечно замедляется, и объект остаётся неизменным. Он продолжает двигаться, но с ним самим ничего произойдет не может.

При нулевой массе спин не меняется, но в теории Дирака перемена спина... Я как-то неправильно показываю. Вот так. Кто влево — то вправо. Перемена спина тесно связана с массой.

Кроме того, поди Раку масса частиц и пропорциональна частоте, с которой меняет спин, скачет туда-сюда, и чем выше скорость, тем реже он скачет. Но это учтено. Масса — эта перемена спина туда-сюда. Мы можем нарисовать движения электрона следующим образом.

Вот электрон движется вдоль оси. Сначала спин вправо, сюда, потом влево, сюда, потом снова. Вам видно разницу, наверное, нет, но не страшно. А в промежутках момент перескок. А вероятность или частота скачков и есть мера массы электрона.

И вот он скачет туда-сюда. А сейчас я попрошу просто мне поверить. Помните Z-бозоны? Где он у нас? Z-бозон связан. Его может испускать электрон и нейтрино тоже может. Но сейчас нам важен электрон.

Z-бозон отличается от фотонов. Для него не нужен электрический заряд, нужен совершенно иной вид заряда. Он чем-то похож на электрический, но для Z-бозонов хорошо бы его как-то назвать.

Но название у нас нет. Точнее, оно есть, но мне не нравится. Слабый гиперзаряд. Некрасиво. Поскольку он выпускает Z-бозон, я зову его зелч.

Где он похож и не похож на обычный заряд? Когда частица сил, чем ускоряется, она выпускает Z-базон. Она может испускать и фотон, если у неё есть обычный заряд.

Итак, электроны со спином вправо и со спином влево имеют одинаковый электрический заряд. Но электроны с разным спинами имеют разный зелч. Тут начинается математика стандартной модели.

Электроны с правым и левым спинами имеют разный зелч. И вот тут небольшая загвоздка: электрон движется и периодически меняет спин. Значит, зелч меняется с единицы на 0. Но зелч, он как и заряд, сохраняется.

Как же зелч может с нуля стать единицей? Он не может. Не может. И как раз поэтому у электрона в стандартной модели нет массы, так как нельзя просто поменять заряд, который должен сохраняться. Левый спин не может стать правым, а значит, никакой массы.

Что же нам с этим делать? Нужен ещё один структурный элемент, и называется он W-бозон. А это не бозон Хиггса. Мы еще до него не добрались. Пока только бозончик. С W-бозончиком связана новая составляющая. Она тесно связана с конфигурацией мексиканской шляпы.

Это вроде как частица, но она образует конденсат. Мы не знаем, сколько её там. Можно добавлять или извлекать частицы, и вакуум от этого не изменится.

Итак, ещё одна составляющая — это конденсат заполняющий пространство, и его природа не электрическая. У него нет заряда, но есть зелч. Напомню: если добавить в конденсат зелч, ничего не будет. И если достать, тоже.

О чём это нам говорит? Летящий электрон со спином влево имеет зелч, равный 1. Запишем: Z равно 1. С правым спином Z равно 0. И снова с левым Z равно 1.

Такое возможно только если в этот момент электрон выпускают нечто, чем равным 1. W-бозон вылетает. Он несёт Z равно 1. Но что с ним будет? Куда он денется?

В конденсат он исчезнет. В конденсате появился и тут же затерялся. А электрон летит себе дальше. Конденсат поглотил зелч, и значение зелч изменилось на 0. Но электрон может попросить частицу обратно, и это не уменьшит их число в конденсате, это никак не повлияет на поле.

Электрон летит дальше, меняет спин справа налево, слева направо. И при каждом скачке выпускает частицу, несущую зелч, которую тут же поглощает конденсат. С помощью этого механизма поля в этом случае поле не требует пластин конденсаторов и сама создает конденсат.

Нам нужно лишь, чтобы минимальная энергия, как на этом графике. И вот этот механизм позволяет электронам, кваркам и прочим частицам, партнёрам, нейтрино и всем обычным, и необычным частицам, фермионам получить массу. Вот таким образом.

У этого феномена даже нет названия, его называют спонтанным нарушением хиральной симметрии. Не совсем название, скорее описание процесса. А что там насчет Z-бозона? Я вам сказал, что он похож на фотон, а у фотонов нет массы.

Так откуда она у Z-бозона? Сейчас вы увидите. Что Z-бозон? Он может взять любую частицу, зелч. В частности, вот эту зеленую частицу, Z-бозон. Он выпускает Z-бозон.

У частицы есть заряд, не электрический, а зелч. Порождает Z-бозоны. Что ж это всё значит? Это значит, что движущийся Z-бозон может вести себя примерно так же, то есть поглощать некоторые зелч из конденсата и приобретать зелч.

Сначала у Z-бозона нет зелч, а он поглощает зелч и становится диксоном. Z-бозон становится диксоном, и потом выпускает диксон, который вновь исчезает в конденсате. Азот-бозон продолжает свой путь, периодически превращаясь из Z-бозона в эту воображаемую, хотя вполне реальную частицу — W-бозон.

А именно таким образом больше придаются частицам их масса. Этот феномен, когда Z-бозон приобретает массу, носит название механизма Бро.

Так, англер или механизм Хиггса? Когда Z-бозон приобретает массу, это могло бы относиться к фотону, будь у обычных частиц свой конденсат. Фотон тоже обрел бы массу. Правда, тогда никого не осталось бы в живых.

Массивные фотоны вредны для здоровья. Нам повезло, что этот эффект не работает с электрическими зарядами. Найдём ли мы частицу Z-ды? А вообще-то мы уже давно её нашли. Это просто часть Z-бозона.

Z-бозон открыли. Предсказали его в шестьдесят седьмом или даже раньше. Мы разными людьми, но точно не помню. Открыли, кажется, в восьмидесятом. Кстати, здесь, в Стэнфорде, нас Лаки его существования подтвердили экспериментально. Когда открыли Z-бозон и поняли, что у него есть масса, стали изучать свойства.

И они не только укладывались в теорию, но и подразумевали, что то, что должно было прыгать туда-сюда между чистым Z-бозоном и частицей Дикса. Так что мы не сомневаемся в существовании этих частиц уже приличное количество лет.

До сих пор я не упоминал бозона Хиггса. Что же он такое? Бозон Хиггса связан с конденсатом, вот с этим конденсатом. Но в отличие, только при возбуждении, более не будет кружить по мексиканской шляпе. В случае Хиггса, это другие поля движутся вот так по кругу.

Я приведу две аналогии. У вас есть конденсат, и в нём установилась некая плотность, плотность несчётных частиц в конденсате. И представьте нечто, что меняет эту плотность, что-то вроде звуковой волны. Некая волна сжатия, из-за чего конденсатор сжимается, тоже сжимается, следовательно, меняется и плотность.

Такое колебание и есть бозон Хиггса. Вторая аналогия состоит в том, что вместо того, чтобы кататься вдоль края шляпы, из-за этого в некой точке начинается вот такое колебание поля. Туда-сюда. Вот так. Чем дальше эта волна, тем сильнее конденсат, чем ближе к центру — тем слабее.

Частицы как бы плещутся вроде волны сжатия в конденсате. И этот мод колебаний, такой тип колебаний, и называется бозоном Хиггса. Он похож на звуковую волну, идущую через конденсат.

Почему это так важно? Потому что физикам как раз недоставало одного элемента частиц, суффикса, как я сказал. Давно открыли, как Z и W-бозоны, электроны и все остальное.

Следующий вопрос, на который я постараюсь ответить за несколько минут. Почему бозон Хиггса было так сложно открыть? Что мы о нём узнали?

И очень-очень быстро, что нас ждёт дальше? Попробую уложиться. Итак, каковы собственно свойства бозона Хиггса? Бозон Хиггса, как я и основная часть, и Z-бозон.

Сам Хиггс, ускользавший от нас все эти годы, обозначается H. Его роль в том, чтобы с некой вероятностью создавать частицы. Вот бозон Хиггса летит вправо во времени слева направо.

Он создает электрон и позитрон. Ещё он может создать пару кварков и другие частицы. Ну например, истины и кварки или прелестные разные кварки, электроны или нейтрино, самые разные пары фермионов возникают, когда распадается бозон Хиггса.

Вы спросите, но разве звуковые волны распадаются? Поверьте, распадаются. Иначе бы мой голос до бесконечности звенел у вас в ушах. Они распадаются, и аналогия со звуковой волной здесь вполне уместна.

Итак, бозоны Хиггса распадаются, довольно быстро, когда он всё-таки появляется. То это всегда ненадолго, либо на пару электрон-позитрон, либо на кварки, либо на какие-то другие фермионы, которые бывают. Эту диаграмму можно читать в обе стороны.

Да, кстати, вероятность распада Хиггса пропорциональна массе получившихся частиц. То есть чем больше масса, тем скорее они связаны с бозоном Хиггса. На тяжёлые частицы они распадаются охотничьим, на легкие.

Диаграмму можно читать в двух направлениях. Можно сказать, бозон Хиггса распался. Но также можно сказать, электрон и позитрон столкнулись и получили Хиггса. Так что если мы хотим получить бозон Хиггса в лабораторных условиях, нужно читать справа налево.

Получается процесс, при котором пара электронов соединяется и даёт Хиггса. Мы очень много и уже давно сталкиваем электроны с позитронами, почти столько же, сколько я физикой занимаюсь. Мы сталкивали позитроны и электроны, но бозона Хиггса было не видать.

Одной из причин заключалась в том, что Хиггс довольно тяжелый. Сейчас дойдем до его массы. Это довольно тяжёлая частица, и если вам не хватает энергии, бозон Хиггса вам не получить.

Но есть более важный фактор. Спустя время у нас появились достаточные мощности. Трудность была ещё и в слабой силе сцепления из-за очень маленькой массы электрона. Сложно сделать так, чтобы они зацепились и всё-таки образовали бозон.

Очень мало массы, очень вряд ли получится соединиться. Поэтому даже при столкновении на высоких энергиях электроны не лучший вариант. Они слишком легкие, и вероятность появления бозона Хиггса крайне мала.

Но кварки можно сталкивать. Их обычные кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, тоже слишком легкие. И по этой причине они вряд ли породят бозон Хиггса. То есть, нас, Лаки, конечно, их получали, но в столь малых количествах, что засечь было просто невозможно.

В этом была главная загвоздка — лёгкость этих частиц не позволяла нам получить достаточно бозонов Хиггса. Нас, Лаки, или в других лабораториях, где разгоняли частицы. А какая частица была предпочтительнее? Какая чистится подошла бы? Самая тяжелая и самая тяжелая из фермионов — это T-кварк.

Он же истинный, в сотни и сотни тысяч раз тяжелее электрона. Во много-много раз тяжелее электрона. Хиггс вероятнее распадется на T-кварки. Я буду называть их просто кварки, они очень тяжелые.

Сто семьдесят раз тяжелее протона. Словом, тяжелое. Топ и анти-топ T-кварк и анти-кварк. Казалось бы, теперь мы легко получим бозон Хиггса.

Просто... Ой, вообще-то, бозон не может распасться на 2 T-кварка, а они слишком тяжелые. Но если читать наоборот и столкнуть два T-кварка, и мы получим частицу Хиггса. Всё просто. Идем в лабораторию, сталкиваем 2 T-кварка, получаем бозон Хиггса.

Проблема в том, что в природе не так легко найти T-кварки. Почему? Потому что они очень быстро распадаются на другие кварки, и у нас не выйдет просто засунуть их в ускоритель и столкнуть.

Они исчезают за доли секунды, долго не задерживаются. И в протонах их тоже не сыщешь, и внутри других частиц, и их тоже нет. Значит, мы должны сами получить T-кварки в ускорителе.

Как это сделать? Давайте создадим T-кварк. Возьмем глюон. Вот он. Чем заняты глюоны? Они связывают кварки. Гипотетически возможно, что глюон создаст T-кварк и или анти-T-кварк.

Так получилось, что вокруг нас очень много глюонов. Так почему бы не использовать глюон, чтобы создать T-кварк или анти-T-кварк? А потому, что он слишком легкий, почти безмассовый.

Очень мало весит от и кварки. Очень тяжёлый глюон просто не хватает энергии, чтобы родить стабильную пару T-кварков. Поэтому нам и нужно два глюона.

Представьте такой эксперимент: мы берём пару миллионов с большой энергией и разгоняем на встречу. Главное — побольше энергии. Один из глюонов на краткий момент порождает пару кварков, и тут подлетает 2, и их поглощают. Один из T-кварков, но вот пара T-кварков рождается парой высокоэнергетических глюонов.

Глюоны столкнулись, T-кварки родились. Теперь, когда у нас есть пара T-кварков, они могут сойтись вместе и создать бозон Хиггса. Обычно мы рисуем так: глюон-глюон.

И треугольник Хиггса. Это так кварки появляются, сливаются. Это самый эффективный способ получить бозоны Хиггса. Но откуда брать глюоны? Их ведь поди найди?

А вот и нет. В протоне полно глюонов, массу протона процентов на 50 составляет энергия глюонов. Около того. Внутреннего много миллионов кварков.

Так что, если столкнуть два протона, и глюоны также могут при этом столкнуться и запустить процесс... Это и обнаружили на БАКе. Там специализируются на протонах. Там их сталкивают и, в результате, таким косвенным способом глюоны, внутренних разлетаются, сталкиваются, рождаются T-кварки, которые, в свою очередь, вместе создают бозон Хиггса.

Данный процесс был обнаружен на БАКе, и понадобилось много времени, чтобы дойти до этого. Было очень-очень непросто. Невероятно сложно, но у нас получилось. Мы знаем массу бозона Хиггса — 125 гигаэлектрон-вольт.

127 раз больше массы протона. И это я считаю установленный факт. Напоследок скажу пару слов о ближайшем будущем. Нам удалось подтвердить основные положения стандартной модели. Она в порядке. Пока что всё сходится.

Бозоны Хиггса вписываются в общую картину. Вообще массу частицам даёт не бозоны Хиггса, а бозон секс. Бозон Хиггса — это то, что возникает из-за колебаний плотности. Недостающий кусочек пазла найден. Это так, но мы не знаем, сходятся ли все в точности, как должно сходиться.

Не знаем. Есть одна мелочь, одна нестыковка. Сейчас я скажу, о чем речь. Я уже рисовал, сейчас ещё раз нарисую. Вон там процесс получения Хиггса из двух глюонов. Глюон-глюон.

В петля T-кварков. И Хиггс. И тот же самый процесс позволяет родившемуся Хиггсу уйти обратно и совершить распад. Но глюоны трудно разглядеть даже со всем оборудованием.

Поэтому искать бозон, пытаясь зафиксировать глюоны, неудобно. Лучше всего заменить глюоны фотонами. Мне даже не надо рисунок менять.

Вот фотоны. Тот же процесс, только с фотонами. Родившийся Хиггс неважно, таких частиц Хиггса может распасться на два фотона.

Процесс не банальный. Тут много теории, много расчетов. Диаграмма Фейнмана считать сложно, но можно. И процесс зависит от того, что именно происходит с T-кварками.

На данный момент, сейчас я не эксперт, я только повторяю, что слышал. Сейчас бозон Хиггса, полученный в лаборатории, похоже, распадается на фотоны черезчур быстро, примерно в полтора раза быстрее.

Все сходятся в том, что пока ещё это не статистически значимые различия. Но что, если она подтвердится? Ну подумаешь, полтора раза. Ну и что?

Дело в том, что теоретики могут очень точно подсчитать скорость этого распада, так что в полтора раза это серьёзно. Значит, что-то тут не то. Вероятнее всего, что есть ещё какая-то частица, помимо T-кварка, которую мы ещё не открыли и которая также участвует.

Вот в этом процессе, какая-то частица. Это была бы сенсация, если там есть что-то ещё, чего не предсказывает стандартная модель. Может, это суперсимметричная частица. Это может быть всё что угодно. Нам есть что искать.

Так что сейчас все обсуждают распад Хиггса на пару фотонов, которые идут в полтора раза быстрее. Статистике говорят стандартное отклонение 2 сигма. Точно не знаю.

Грубо говоря, они не уверены, но есть повод задуматься. Если окажется, что это отклонение действительно есть, значит, мы что-то пропустили. Не то что совсем неожиданность, но что-то новое в нестандартной модели.

Не забывайте, ей уже больше полувека. Даже больше я прав, 67, 70, 80, 90, 2007. Нет, ещё нет. В общем, почти полвека. И открытие бозона Хиггса было не столько открытием, сколько подтверждением.

Если процесс распада в полтора раза быстрее, чем мы рассчитывали, значит, это что-то новенькое. Так что если вам интересно, и вы хотите следить за новостями, обратите своё внимание на этот процесс. Будет ли распад Хиггса укладываться в стандартную модель? Ладно, на этом всё.

Большое спасибо. Надеюсь, вы что-то извлекли для себя. Отвечу на пару вопросов. Да, почему двух разных фермионов отличается частота хиральных колебаний? Отлично, но ответ вас вряд ли впечатлит.

Всё дело в том, что у фермионов, ведь мы называем разными фермионами разные массы. Каверна, по сути, да. Разные частоты колебания — это тоже разные массы. Ответ — из-за силы взаимодействия, из-за константы взаимодействия, которая определяет силу взаимодействия частиц с полем Хиггса.

Как это происходит? Частица летит, наверное, у каждой своя константа. Она выпускает, как я его назвал, диксон, который растворяется в поле. И есть коэффициент. Это, по сути, это вероятность. У каждой из частиц, будь это электрон или мю, или ещё что-то, есть своя константа, которая определяет чистоту и массу.

Это та же константа, которая показывает, как быстро распадается на частицы Хиггса. А значит, чем тяжелее частица, тем сильнее распад. Хороший вопрос. Хотел об этом сказать, но забыл.

Хорошо, мы знаем массу Хиггса, а мы знаем вакуумное ожидаемое значение для поля Хиггса. Да, не знаем. Уже давно 240 дегаэлектрон-вольт.

Вакуумное ожидаемое значение можно определить его просто как смещение поля. Можно иначе, как плотность конденсата. Можно смотреть на это как на плотность конденсата, а можно как на значение смещения поля. Поэтому колебания величины поля — это то же самое, что и флуктуация плотности.

С тех пор и берётся энергия вакуума. Похоже, что нет. То есть я думаю, что да, но есть и множество других потенциальных причин. Но почему-то они почти все друг друга отменяют. Это одна из величайших загадок.

Да, да. Что же? Хороший вопрос, на который у нас нет ответа. Ладно. Надеюсь, вы что-то для себя извлекли. Мне было интересно готовить коллекцию. Хотя было и не просто. Кто-то для себя что-то уяснил, кто-то, возможно, ещё сильнее запутался. Но на этом всё.

[аплодисменты]