Частица, которую мы сейчас называем бозоном Хиггса, впервые появилась в статье Питера Хиггса в 1964 году. В то время физики работали над описанием слабого взаимодействия — одной из четырех фундаментальных сил природы — с использованием квантовой теорией поля.

Частица, волна или и то, и другое?

Квантовая теория поля описывает микроскопический мир частиц совершенно иначе, чем повседневную жизнь. Фундаментальные «квантовые поля» заполняют Вселенную и диктуют, что природа может и чего не может делать. В этом описании каждая частица может быть представлена ​​волной в «поле», похожей на рябь на поверхности огромного океана. Одним из примеров является фотон, частица света, представляющая собой волну в электромагнитном поле.

Когда частицы взаимодействуют друг с другом, они обмениваются «носителями силы». Эти носители силы являются частицами, и их также можно описать как волны в соответствующих полях. Например, когда два электрона взаимодействуют, они обмениваются фотонами — фотоны являются переносчиками силы электромагнитного взаимодействия.

Другой важной составляющей этой картины является симметрия. Подобно тому, как фигуру можно назвать симметричной, если она не меняется при вращении или переворачивании, аналогичные требования предъявляются и к законам Природы. Например, электрическая сила между частицами с электрическим зарядом, равным единице, всегда будет одинаковой, независимо от того, является ли частица электроном, мюоном или протоном. Такие симметрии составляют основу и определяют структуру теории.

Квантовая теория поля уже легла в основу квантового электромагнетизма, очень удачного описания электромагнитного взаимодействия. Однако применить аналогичный подход к слабому взаимодействию было невозможно из-за фундаментальной проблемы: теория не допускала, чтобы частицы имели массу.

В частности, носители слабого взаимодействия, известные как бозоны W и Z, должны были быть безмассовыми, иначе фундаментальная симметрия теории была бы нарушена, и теория не работала бы. Это создавало серьезную проблему, поскольку носители слабого взаимодействия должны были быть массивными, чтобы соответствовать очень короткому диапазону слабого взаимодействия.

Решение этой проблемы было найдено с помощью механизма Браута-Энглерта-Хиггса. Этот механизм состоит из двух основных компонентов: совершенно нового квантового поля и особого трюка. Новое поле — это то, что мы теперь называем полем Хиггса, а хитрость заключается в спонтанном нарушении симметрии.

Спонтанно нарушенная симметрия — это симметрия, которая присутствует в уравнениях теории, но нарушена в физической системе. Представьте себе карандаш, стоящий на кончике в центре стола. Совершенно симметричная ситуация, но только на мгновение: карандаш немедленно упадет, нарушив вращательную симметрию, выбрав единственное направление, в котором будет указывать карандаш. Однако законы Природы останутся неизменными, без предопределенного направления, записанного в них. Таким образом, отсутствие симметрии было по существу «обмануто» в картину, не нарушая симметрии физики.

Для масс частиц это работает следующим образом: когда Вселенная родилась, она была заполнена полем Хиггса в нестабильном, но симметричном состоянии. Через долю секунды после Большого взрыва поле обрело стабильную конфигурацию, но нарушающую исходную симметрию. В этой конфигурации уравнения остаются симметричными, но нарушенная симметрия поля Хиггса приводит к массам бозонов W и Z.

Как позже выяснилось, другие элементарные частицы также приобретают массы, взаимодействуя с полем Хиггса, что приводит к свойствам частиц, которые мы наблюдаем сегодня.

Окончание следует…