Играют ли коты в кости? Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания

Калибровочную симметрию можно проиллюстрировать следующим образом: представьте себе множество вращающихся вентиляторов, находящихся в каждой точке пространства и выдувающих воздух во всех возможных направлениях. По мере остывания Вселенной условия стали такими, что первоначальная симметрия поля Хиггса оказалась спонтанно нарушена. Каждый вентилятор как бы застыл на месте, а все они оказались направлены в одном том же направлении. До того как они застыли, воздействия вентиляторов уравновешивали друг друга, позволяя частицам свободно двигаться так, как им заблагорассудится. Однако после того как вентиляторы застыли на месте и начали дуть в одну сторону, они стали препятствовать движению большинства частиц, уменьшая радиус и силу их взаимодействия. Иными словами, частицы приобрели массу. Только фотоны, на которые не действует ветер от вентиляторов, остаются безмассовыми, а электромагнетизм — дальнодействующим взаимодействием.

В конце 1960-х годов американский физик Стивен Вайнберг и пакистанский физик Абдус Салам независимо друг от друга предложили лагранжианы (по аналогии с калибровочной теорией Янга — Миллса, упоминавшейся ранее), которые включали компоненты хиггсовского поля вместе с бозонными полями (частицами — переносчиками взаимодействий) и фермионными полями (частицами материи). Их лагранжианы были составлены таким образом, чтобы спонтанное нарушение симметрии происходило ниже определенной температуры, при которой три бозона, W⁺, W^- и Z⁰, приобретали массу посредством хиггсовского механизма, оставляя при этом фотоны безмассовыми. Так же приобретали свои массы и фермионы. Квант исходного поля Хиггса может наблюдаться как массивная частица, которая называется бозоном Хиггса.

К тому времени было открыто так много новых элементарных частиц, что оказалось критически важно понять, какие из известных фермионов являются действительно элементарными. Большинство физиков уже подозревали, что протоны и нейтроны не являются элементарными, а состоят из более мелких частей. Эти части поначалу называли по-разному, но в конце концов физическое сообщество остановилось на термине кварк, который предложил Мюррей Гелл-Манн. Он заимствовал это слово из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза: «Три кварка для мистера Марка!» Поскольку и протоны, и нейтроны состоят ровно из трех кварков (так же, как и все частицы в данной категории, называемые барионами), такое название показалось вполне подходящим.

После того как кварки были математически описаны, оказалось, что они группируются по нескольким различным семействам, называемым поколениями. Первое поколение состоит из верхнего и нижнего кварков, из которых построены протоны и нейтроны. Второе поколение включает странный и очарованный кварки, образующие более массивные экзотические частицы. Наконец, третье, еще более тяжелое поколение состоит из прелестного и истинного кварков, которые не были обнаружены вплоть до 1980-х (прелестный) и 1990-х (истинный) годов. Каждое поколение кварков также содержит античастицы той же массы, но противоположного заряда, называемые антикварками. Конкретные сорта кварков, такие как очарование или странность, называются ароматами[18].

Лептоны (частицы, которые не участвуют в сильном взаимодействии) точно так же делятся на три поколения. Первое состоит из электронов и нейтрино — очень легких и быстро движущихся частиц. Второе включает мюоны и мюонные нейтрино. Массивные таоны и may-нейтрино составляют третье поколение.

В отличие от попыток объединения известных взаимодействий, которые предпринимали Эйнштейн и Шрёдингер, теория электрослабого объединения предлагает большое количество конкретных и проверяемых предсказаний. Среди них: существование слабого нейтрального тока (обмена виртуальными Z-бозонами наподобие передачи заряда), существование W⁺, W^- и Z⁰-бозонов определенной массы, а также бозона Хиггса. В 1970-е и 1980-е годы эксперименты на ускорителе частиц в ЦЕРНе (Европейской организации по ядерным исследованиям) близ Женевы в Швейцарии подтвердили каждое из этих предсказаний, за исключением последнего. И наконец, существование бозона Хиггса было доказано благодаря изучению данных о столкновениях частиц, полученных на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.