Очень мало популярных статей, которые описывают, что происходит выше энергии 159Gev, уровень «электрослабого» взаимодействия. Читатель может слышать что «Хиггс дает массу», и что «слабое взаимодействие становится с ростом энергии сильнее, а электромагнитное — слабее, и потом они объединяются в единое, электрослабое». Второе, надо сказать, полная чушь — все происходит ровно наоборот.

Статья ламповая и виниловая, все буквы напечатаны на клавиатуре автором пальчиками тук тук тук. А картинки ИИ — уже извините, рисовать не умею.

Все наоборот

Это график интенсивности (g) трех фундаментальных взаимодействий: g1 — гиперэлектрического (пока вы можете о нем думать как об электромагнетизме), g2 — слабого, и g3 — сильного, оно же цветное, оно же кварк‑глюонное (QCD).

Ось энергии X логарифмическая. На ней показаны две важные «зарубки» — энергия QCD (155Мэв) и собственно энергия Хиггса, которая делит стандартную модель на «до» и «после». Энергия QCD — это энергия, которая разрывает не только ядра, но и нуклоны в них, освобождая кварки и превращая материю в кварк‑глюонную плазму. Это десятки миллиардов градусов, и даже взрывы сверхновых не дотягивают почти на два порядка до таких температур. Только столкновения нейтронных звезд на секунды подходят к этой границе, хотя температура по расчетам остается ниже (но температура Ферми оказывается выше и кварки освобождает, причем возможно это происходит в центре нейтронных звезд и без столкновений). Энергия Хиггса еще в тысячу раз больше, но вполне достижима для коллайдеров.

Вначале посмотрим на график g3, сильного взаимодействия. При приближении к QCD он улетает ввысь — в «холодной» материи (такая материя считается по меркам физики высоких энергий холодной) с сильным взаимодействием начинают твориться нехорошие штуки — ряды, с помощью которых производят расчеты, перестают сходиться (и надо считать по другому, очень неточно и с кучей проблем). И это не баг, это фича: природа говорит — а дальше свободные кварки не существуют. Именно в этих режимах «включается» конфайнмент, невылетание кварков, а при попытке кварка вырваться на свободу поле сворачивается в струну натяжением 14 тонн, что для крошечного кварка очень много.

Теперь слабое и гиперэлектрическое взаимодействие. Мы видим что слабое (синяя линия) сильнее гиперэлектрического, и при увеличении энергии оно слабеет, а гиперэлектрическое становится сильнее, и где то на уровне очень очень очень высоких энергий (GUT) мы ожидаем глобальное объединение. Было бы хорошо, если бы эти кривые пересеклись в одной точке, но увы, такого не происходит, а значит, нам еще многое предстоит узнать.

Вы спросите — секунду, как это слабое взаимодействие сильнее? А так, его слабость следствие массивности носителей W,Z которые не могут преодолеть большие расстояния без нарушения энергии, поэтому оно работает только на очень коротких расстояниях, и вероятность того, что частицы пройдут так близко, очень мала. Но если проигнорировать этот фактор, то оно вполне себе сильное.

Наконец, «ниже» Хиггса мы видим на уровне 0.3 силу нашего знакомого электромагнитного взаимодействия. Это 0.3 после некоторых преобразований дает «магическую» «константу» 1/137. Как оно возникает и при чем здесь Хиггс?

Мексиканская шляпа, или фотон то ненастоящий!

Поле Хиггса уникально тем, что при понижении температуры состояние с его плотностью 0 оказывается энергетически невыгодным. Причем не просто немного невыгодным, а чудовищно невыгодным, а выгодным оказывается состояние где его величина равна 246Gev. Если эта плотность (как бы сказали в 19 веке, эфир Хиггса) производила бы гравитацию, то вселенная сразу бы сколлапсировала, потому что в нескольких кубических метрах была бы масса многих звезд. Но по непонятной причине этот эфир не производит притяжения и проявляет себя только в квантовой механике, а не в Общей Теории Относительности.

Состояние с плотностью 0 на картинке там, где верх шляпы. Шарик сваливается в ложбинку, где энергия минимальная. Но вот незадача — он должен выбрать направление. Вершина одна, а мест где остаться в ложбинке бесконечно много. Так происходит нарушение симметрии. Детали довольно сложны, мы ограничимся следующим:

У слабого взаимодействия есть три переносчика (бозона) — W1, W2, W3 (их заряды называют изоспинами). У гиперэлектрического взаимодействия — один, бозон B. Нарушение симметрии нарушает симметрию между W1, W2, W3 — одна из них получается особой и смешивается с бозоном B:

Так получается известный нам очень массивный и очень короткоживущий бозон Z, и наш фотон (A), и мы видим что фотон это смесь. Фотон безмассовый. Он в каком то смысле ненастоящий а смесь. Впрочем, смешанные состояния это обычная вещь для квантовой механики. W1 и W2 же смешиваются по другому и дают на обычный W, у которого может быть заряд +1 или -1

Почему электричество всегда «пахнет» слабым взаимодействием

Разумно спросить — а почему, собственно, Хиггс проделывает эту штуку со слабым и гиперэлектрическим взаимодействием, а не, например, со слабым и сильным? Правильный вопрос. Дело в том, что поле Хиггса несет в себе одновременно слабую и гиперэлетрическую составляющую и как обмен валюты все время меняет одно на другое при встрече.

Представьте что у вас есть яблоки и апельсины, и вы их носите в карманах. Но появляется фокусник, который у всех людей начинает произвольным образом менять некоторое количество яблок на апельсины и наоборот. Но он это делает всегда честно, один фрукт на другой. Вскоре люди понимают, что считать яблоки и апельсины раздельно бессмысленно — это число все время меняется. Зато можно считать число фруктов — оно сохраняется!

Фруктом в нашем мире оказывается сумма третьего изоспина (от W3) и Y (гиперэлектрического заряда). Он сохраняется. Отдельно Y и изоспин — нет.

Но теперь мы должны помнить, мы говорим партия — подразумеваем... что наш электрический заряд «пахнет» слабым взаимодействием, потому что вольно или невольно несет в себе тонкую приятную ноту третьего изоспина. А среди фермионов у нас... Кварки — заряжены. Лептоны (электрон, мюон, тау) — заряжены. Только нейтрино без заряда. Но... оказывается, нейтрино имеет и изоспин, и гиперзаряд, но они имеют разный знак и их сумма равна нулю! Нейтрино — это в тайне заряженная частица. Поэтому слабое взаимодействие всесильно потому что оно верно и взаимодействует со ВСЕМИ фермионами.

Как Хиггс создает видимость массы

Итак, «выше» Хиггcа массы у фермионов нет. Что это значит? О, это дивный мир. Все фермионы вынуждены двигаться со скоростью света, ведь массы у них нет! Они скользят по null поверхности световых конусов пространства времени Минковского... и в чем то этот мир проще нашего. Удивительно, но двигаться со скоростью света для фермиона является более естественным, чем стоять на месте... Кстати, а как стоять на месте? Как стоять на месте, если вынужден все время двигаться? Балансировать. Вот так:

Это называется «зигзаги Фейнмана». Для 3D все немного сложнее. Кроме того, такие картинки надо воспринимать серьезно, но не воспринимать буквально. Реальность складывается из суммы историй (с комплексными значениями) из всех возможных процессов. Элементарные виртуальные события это топливо для расчетов, но буквально представлять что электрон мотает туда сюда тоже не стоит. Но его реально мотает туда сюда, просто всем возможными способами одновременно и смесь всех этих возможностей и есть электрон.

То есть под лупой поле Хиггса все время взаимодействует с частицей, тем сильнее, чем большее ее масса... Точнее, масса тем больше, чем сильнее поле Хиггса взаимодействует с частицей. Тем чаще право переключается на лево и тем легче оставаться на месте...

А вы не забыли, что поле Хиггса при смене направления меняет яблоки на апельсины и наоборот?

Отличие правого и левого

Тут нас ждет шок. Правый и левый электрон — совершенно разные частицы!

Дело в том, что у слабого взаимодействия есть один сюрприз — оно взаимодействует только с 'левыми" частицами! (математически это просто, нолик в одном месте, но интуитивно выносит мозг). Поэтому левый электрон обязан иметь изоспин, а правый — его иметь не может! Поэтому заряд -1 левого электрона состоит из (отрицательной) половины изоспина и половины гиперзаряда, а правый электрон — имеет просто гиперзаряд -1, он же обычный заряд -1. То есть у левого электрона зарядов два, а у правого — один.

Они даже не родственники, просто совпали суммы некоторых характеристик так, что Хиггс смог их замишкировать.

Эта картинка показывает связь правого и левого для кварков (лептоны оставим на сладкое). Как выяснилось, правые и левые частицы это не родственники. Это примерно как ранние ботаники классифицировали растения по внешним признакам (дерево, цветок) итд. Самым близким родственником верхнего левого кварка является нижний левый кварк (это практически та же частица, получаемая вращением изоспинов, не меняя ничего другого). А вот правые верхние и нижний кварк... между ними вообще ничего общего, даже отдаленно.

А что это за тени за нижним левым кварком?

Все пошло наперекосяк

Мы привыкли к красивым картинкам стандартной модели, где нарисован ряд верхних кварков (u‑up, c‑charm, t‑top или true) и под ними d‑down, s‑strange, b‑bottom. Это модель справа. А слева реальность.

Мы можете надеть трафарет на верхний ряд, но тогда не совпадет с дырками ряд нижних кварков. А можно надеть на ряд нижних, тогда в дырки не попадут верхние. Обычно выравнивают по верхним кваркам, поэтому нижние не совсем им соответствуют. Поэтому нижний кварк, соответствующий u — это d, но немножко s, и совсем немножко b.

Впрочем, с кварками угол перекоса весьма мал, а вот с лептонами просто жесть:

Здесь также принято выравнивание по верхнему ряду (лептоны). Поэтому нейтрино идут совсем наперекосяк. Грубо говоря, есть три типа нейтрино — электронное, мюонное и тау. И три массы нейтрино. Пока нейтрино осцилирует. Поэтому если вы знаете массу нейтрино (mass eigenstate) то вы не знаете его тип, а если знаете его тип — то не знаете массу.

И кто в этом виноват?

А Хиггс то ненастоящий

Во всем виноват Хиггс. Сила его взаимодействия (как бы сказали в 19 веке, степень сродства эфира Хиггса частицам) задается матрицами Yukawa. Там слишком много чисел которые можно упростить, но в итоге возникает этот перекос, от которого невозможно избавиться. Почему? Никто не знает. Это числа, которые определяются экспериментально.

Интересно, что выше энергии Хиггса трех поколений материи практически не существует. Все частицы, даже самый толстый t кварк, безмассовые, но Yukawa матрицы уже есть и они влияют на степень взаимодействия, правда это при таких энергиях почти не важно.

Еще интересно что Хиггс — это единственное поле, которое различает поколения. Всем 3 взаимодействиям (да и гравитации) совершенно все равно, какого поколения частица.

Теперь о том самом бозоне Хиггса, h, который поймали в Большом Адронном Коллайдере LHC. Это ненастоящий Хиггс. Нет, в чем то настоящий, это настоящий квант возмущения поля Хиггса, нечто вроде фонона в среде. Он не несет зарядов, не создает массу. Это все делает конденсат Хиггса, ему соответствуют другие бозоны Хиггса, которые существуют до конденсации.

Пока у нас нет возможности их получить — LHC дает энергии единичного столкновения до нескольких Tev, что кажется больше, чем требуется, но, чтобы «раскачать» вакуум нужно не одно соударение а термализация, грубо говоря облако плазмы, где энергия делится на много много частиц, и тут ее не хватает.

И о правых нейтрино

Все наши нейтрино — левые. Вы помните, что нейтрино — это тайно заряженная частица? Что будет, если мы по обычной процедуре заменим ей яблоки на апельсины и получим правое нейтрино — как вы помните, правые частицы это совсем другие частицы? Получится интересная вещь: у правого нейтрино заряды (0,0), то есть оно полностью стерильно.

Пока мы не знаем, сколько их типов (3? 1?) и есть ли они вообще.