В этом довольно специальном приложении мы поговорим о диаграммах Фейнмана. Если читать трудно, не бойтесь пропустить его, или же просто посмотрите на рисунки. Сам Ричард Фейнман, изобретя эти диаграммы, думал, что было бы забавно, если бы когда-нибудь эти маленькие закорючки появились в солидных физических журналах. И это действительно произошло, и это было забавно.
Диаграммы Фейнмана – это простой способ выяснить, что может произойти, когда элементарные частицы соберутся провзаимодействовать. Допустим, вы хотите спросить, способен ли бозон Хиггса распасться на два фотона. Вы знаете, что фотоны не имеют массы и что бозон Хиггса взаимодействует только с частицами, имеющими массу, так что в первый момент вы, вероятнее всего, скажете, что такой распад невозможен. Но, объединяя разные диаграммы Фейнмана, мы найдем процессы, в которых виртуальные частицы свяжут бозон Хиггса с фотонам. Профессиональный физик с помощью этих диаграмм рассчитает вероятность, с которой будет происходить такое событие: каждая диаграмма ассоциируется с конкретным числом, и мы должны сложить все различные диаграммы, чтобы получить окончательный ответ. Мы не выступаем в роли профессиональных физиков, однако все же попытаемся найти различные разрешенные взаимодействия, изображаемые на языке диаграмм Фейнмана. Есть куча правил, которым надо следовать при их построении, и мы попытаемся понять только самые важные. Если же вы захотите копнуть глубже, вам придется проштудировать учебники по физике элементарных частиц или квантовой теории поля.
Вот некоторые базовые принципы: каждая диаграмма является графическим изображением того, как частицы взаимодействуют друг с другом и превращаются друг в друга, причем время на рисунках течет слева направо. Входящие частицы, изображенные в левой части диаграммы, и исходящие частицы, изображенные в правой части – «реальные», у них те самые массы, которые мы привели в таблицах зоопарка частиц Приложения 2. Те частицы, которые изображены в центре диаграммы, – «виртуальные», их массы могут быть какими угодно, они просто демонстрируют, как в ходе взаимодействия частиц колеблются квантовые поля. Это стоит подчеркнуть: виртуальные частицы – не реальные частицы, они просто элементы внутренней кухни.
Условимся изображать фермионы сплошными линиями, калибровочные бозоны – волнистыми, а скалярные бозоны (такие как бозон Хиггса) – пунктирными. Фермионные линии никогда не заканчиваются – они либо образуют замкнутые петли, либо тянутся в начало и/или в конец диаграммы. Линии бозонов, наоборот, могут легко оборваться – либо на фермионных линиях, либо на линиях других бозонов. Место, где линии сходятся, называется «вершинами». В каждой вершине электрический заряд сохраняется, так что если электрон излучает какой-то W-бозон и превращается в нейтрино, мы знаем, это был W--бозон. Общее число кварков и общее число лептонов (где античастице соответствует число −1) тоже в каждой вершине сохраняется. Если мы заменим частицы на античастицы, мы можем любую линию перенаправить в обратном направлении. Так что если верхний кварк преобразуется в нижний кварк, излучив W+-бозон, то нижний антикварк преобразуется в верхний антикварк тем же способом.
Начнем с того, что нарисуем основные диаграммы Стандартной модели. Более сложные диаграммы можно построить, объединяя эти фундаментальные диаграммы самыми разными способами. Мы не собираемся объять необъятное, но, надеюсь, сможем достаточно ясно продемонстрировать основные принципы.
Во-первых, давайте посмотрим, что может произойти с отдельным фермионом, входящим в диаграмму слева. Фермионные линии не могут оборваться, поэтому какой-то фермион должен выйти из диаграммы с другой стороны. Но из него может «выплюнуться» и бозон. Существенно, что если фермион чувствует определенное взаимодействие, он может излучить бозон, который является переносчиком этого взаимодействия. Вот несколько примеров.
Каждая частица чувствует гравитацию, поэтому каждая частица может испустить гравитон. (Или поглотить гравитон, если мы пойдем по диаграмме в обратную сторону. Как и фотон и бозон Хиггс, гравитон сам себе античастица.) Даже если мы рисуем прямую линию, как будто частица – фермион, подобные диаграммы можно нарисовать и для всех бозонов.
Обратите внимание, что эта диаграмма, и несколько следующих, описывают частицу, которая излучает другую частицу, а сама при этом остается неизмененной. Такое никогда не может произойти само по себе, потому что при этом не сохранялась бы энергия. Все диаграммы такого рода должны быть встроены в качестве промежуточных в какие-то более сложные диаграммы.
Электромагнитное взаимодействие, в отличие от гравитации, непосредственно ощущается только заряженными частицами. Электрон может испустить фотон, но не нейтрино или бозон Хиггса; с помощью простой вершины сделать такой трюк не получится. Однако, это можно сделать опосредованно, через более сложные диаграммы.
Аналогично, любые сильно взаимодействующие частицы (кварки и глюоны) могут испускать глюоны. Обратите внимание, что глюоны – сильно взаимодействующие частицы, а фотоны электрически нейтральны, поэтому трехглюонная вершина существует, а трехфотонная – нет.
Теперь мы подошли к слабым взаимодействиям, где все немного сложнее. Z-бозон в действительности довольно прост: любая частица, которая чувствует слабые взаимодействия может излучать его и продолжить жить своей жизнью. (Опять же, в составе большей диаграммы).
Как только мы переходим к W-бозонам, все слегка усложняется. В отличие от других бозонов, которые мы только что рассмотрели, W-бозоны электрически заряжены. Это означает, что они не могут быть испущены без изменения типа частицы, которая их излучила; если бы это произошло, заряд бы не сохранился. Поэтому W-бозоны служат для преобразования кварков верхнего типа (верхний, очарованный, истинный) в кварки нижнего типа (нижний, странный, прелестный), а также заряженных лептонов (электрон, мюон, тау) в соответствующие им нейтрино.
Бозон Хиггса очень похож на Z-бозон: любая частица, которая чувствует слабое взаимодействие, может его излучить.
Теперь займемся бозонами, входящими в диаграмму. Они могут излучить другой бозон или расщепиться на два фермиона. Однако, так как фермионная линия никогда не заканчивается, бозон должен распадаться на один фермион и один антифермион, и общее число фермионов в конце должно равняться нулю, так же, как это было в начале. Здесь у нас есть множество примеров. Обратите внимание, что это те же диаграммы, которые мы уже рисовали, просто они поворачиваются, и частицы там, где надо, заменяются на античастицы. Если входящий бозон не имеет массы, мы в очередной раз убеждаемся, что данную диаграмму можно использовать только как часть большей диаграммы, так как безмассовые частицы никогда не превратятся в массивные – по закону сохранения энергии. (Это следует еще и из того, что система двух массивных частиц должна иметь «покоящуюся систему отсчета», в которой суммарный импульс равен нулю, в то время как одна безмассовая частица не имеет состояния покоя.)
Единственная оставшаяся фундаментальная диаграмма – это взаимодействие бозона Хиггса с самим собой. Он может расщепиться на две или три копии. Очевидно, что невключение данной диаграммы в большую диаграмму нарушило бы закон сохранения энергии.
Самое интересное происходит, когда мы начинаем комбинировать эти фундаментальные диаграммы и составлять более сложные. Все, что нам нужно сделать, это соединить линии, описывающие одинаковые частицы, например электрон с электроном, и так далее. Мы стартуем с описанных выше диаграмм, но чтобы заработала полная диаграмма, нам, возможно, придется повернуть несколько линий справа налево и превратить некоторые частицы в античастицы.
Предположим, что мы захотели узнать, как может распасться мюон. Мы видим, что существует диаграмма, где мюон испускает W−-бозон и превращается в мюонное нейтрино, но это не может произойти само по себе, так как W−-бозон тяжелее мюона. Не бойтесь, все в порядке, пока W−-бозон остается виртуальным и распадается на что-то более легкое, чем мюон, например, электрон и его нейтрино. Все, что нам нужно сделать, это склеить линии, соответствующие W−-бозонам, из двух предыдущих диаграмм правильным способом.
А еще мы можем замыкать линии – образовывать петли. Вот диаграмма, которая участвовала в настоящих поисках бозонов Хиггса на БАКе: бозон Хиггса, распадающийся на два фотона. Петля виртуальных частиц в середине может содержать любую частицу, которая взаимодействует и с бозоном Хиггса (так, чтобы существовала вершина слева) и с фотонами (так, чтобы существовали вершины справа). Частицы, которые взаимодействуют сильнее, будут сильнее влиять на конечный результат. В данном случае это будет истинный кварк, он является наиболее массивной частицей Стандартной модели, и, следовательно, сильнее всех взаимодействует с бозоном Хиггса.
Наконец, вот некоторые из важнейших процессов, в которых бозоны Хиггса в реальности создавались на БАКе (а затем сразу распадались). Существует канал, называемый «слиянием глюонов», когда два глюона сливаются, чтобы образовать бозон Хиггса. Из-за того что глюоны безмассовые, в процессе должна участвовать виртуальная массивная частица, которая чувствует сильное взаимодействие, а именно кварк.
Существует также процесс, который называется «слияние векторных бозонов», при этом имеется в виду, что W– и Z-бозоны иногда называют «векторными бозонами». Так как они массивны, они могут непосредственно объединяться и превращаться в бозон Хиггса.
Наконец есть два различных вида «ассоциированного рождения», когда бозон Хиггса появляется вместе с чем-либо еще: либо вместе с W– или Z-бозоном, либо с парой кварк-антикварк.
Главный урок из того, что мы рассказали здесь, состоит не в определении входящих и выходящих частиц во всех различных процессах, участвующих в появлении бозона Хиггса и его распаде. Главное, что мы поняли: оба процесса сложные и могут осуществляться самыми разными способами, но у нас есть четкие правила, позволяющие нам разобраться в том, что происходит. Трудно было даже себе вообразить, что эти маленькие комиксы позволяют уловить самую глубокую сущность поведения нашего микромира.