Важнейшая загадка бозона Хиггса остаётся нерешённой

Кварки, антикварки и глюоны Стандартной модели обладают цветовым зарядом, в дополнение ко всем прочим свойствам, таким как масса и электрический заряд. Все эти частицы, кроме глюонов и фотонов, испытывают слабое взаимодействие. Только глюоны и фотоны безмассовы; все остальные, даже нейтрино, обладают ненулевой массой покоя. Источник: E. Siegel/Beyond the Galaxy

Предсказанный ещё в 1960-х годах, обнаруженный в 2012 году бозон Хиггса завершил Стандартную модель. Но главная загадка Хиггса по-прежнему не решена.

Итан Сигел, 23 сентября 2026 г.

Когда в 2008 году в ЦЕРНе заработал Большой адронный коллайдер, вся физика элементарных частиц гадала, что именно он обнаружит и сколько времени потребуется, чтобы найти новые явления. В 2012 году коллаборации CMS и ATLAS совместно объявили об открытии бозона Хиггса — последней неоткрытой фундаментальной частицы Стандартной модели, с массой ~125 ГэВ.

Но обнаружение бозона Хиггса и измерение его свойств не завершили историю о том, как в нашей Вселенной возникли частицы. Загадка бариогенезиса остаётся, и бозон Хиггса может быть ключом к её разгадке.

В некотором смысле самый глубокий вопрос, который можно задать о нашей физической реальности, — это просто спросить: «Из чего состоит Вселенная?» В начале XIX века мы думали, что знаем ответ: из атомов. К началу XX века ответ стал гораздо богаче: сами атомы состоят из атомных ядер и электронов, способных как испускать, так и поглощать фотоны, частицы света. Однако именно открытие нейтрона в 1932 году, вместе с загадкой радиоактивного бета-распада, положило начало цепочке событий, приведших к нашей современной теоретической картине частиц во Вселенной: Стандартной модели элементарных частиц, включающей кварки, лептоны и все бозоны — переносчики взаимодействий.

Хотя последняя из неоткрытых частиц Стандартной модели была наконец обнаружена в 2012 году, с объявлением о бозоне Хиггса, наше понимание того, из чего состоит Вселенная, всё ещё неполно. С холистической точки зрения, многое нам ещё неизвестно, в том числе:

• из чего состоят тёмная материя и тёмная энергия (они не являются частицами Стандартной модели),

• как события в конце космологической инфляции привели к горячему Большому взрыву, положившему начало Вселенной в том виде, в каком мы её знаем,

• почему частицы Стандартной модели обладают именно такими массами и другими свойствами, которые они имеют,

• и почему частицы, существующие в нашей Вселенной, в подавляющем большинстве состоят из материи, а не из антиматерии.

Хотя связь может показаться неочевидной, но именно последний вопрос, по мнению учёных, изучающих бозон Хиггса, возможно, находятся на пороге разгадки — если только им удастся получить необходимые данные. Вот почему загадка бариогенезиса столь захватывает и почему неоткрытые свойства поля Хиггса могут содержать ключ к её решению.

Исходя из масс топ-кварка и бозона Хиггса, мы могли бы жить в области, где квантовый вакуум стабилен (истинный вакуум), метастабилен (ложный вакуум) или нестабилен (где он не может стабильно существовать). Свидетельства указывают, но не доказывают, что мы находимся в области ложного вакуума, что может быть намёком на то, что Стандартная модель, возможно, не охватывает всё, что есть во Вселенной доступных частиц. Источник: T. Markkanen, A. Rajantie and S. Stopyra, Front. Astron. Space. Sci, 2018

Проблема бета-распада

Внутри каждого атомного ядра можно найти только два вида составных частиц: протон и нейтрон. Протоны могут легко и стабильно существовать сами по себе, с массой 938,272 МэВ. Они состоят из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, связанных вместе глюонами. Нейтроны, однако, не могут стабильно существовать сами по себе, они могут существовать только в трёх состояниях:

• как свободный нейтрон, который распадается на протон, электрон и (хотя это оставалось неизвестным на протяжении десятилетий после 1930-х годов) антинейтрино,

• как часть связанного ядра, которое фактически стабильно, где протоны и нейтроны связаны вместе с достаточной энергией, чтобы нейтроны внутри ядра не распадались,

• или как часть нестабильного связанного ядра, где связанные протоны и нейтроны могут распадаться в более стабильное состояние или комбинации состояний, включая распады, которые также происходят путём распада одного нейтрона внутри ядра так же, как распадается одиночный свободный нейтрон.

Причина этого в том, что нейтрон не только немного массивнее протона, с массой покоя 939,565 МэВ, но и немного массивнее, чем протон, электрон и антинейтрино вместе взятые.

Так почему нейтроны не только распадаются, и почему их распады занимают так много времени: 15 минут для свободного нейтрона и от доли секунды до более чем миллиардов лет для нейтронно-избыточного ядра?

Эта диаграмма показывает, как свободный нейтрон (или антинейтрон) распадается на субатомном уровне. Нижний кварк (или антикварк) внутри нейтрона (или антинейтрона), показанный слева красным, испускает виртуальный W⁻ (или W⁺) бозон, превращаясь в верхний кварк (или антикварк). W⁻ (или W⁺) бозон образует пару электрон/электронное антинейтрино (или позитрон/электронное нейтрино), в то время как верхний кварк (или антикварк) рекомбинирует с исходными остаточными верхним и нижним кварками (или антикварками), образуя протон (или антипротон). Этот процесс теперь известен как механизм, лежащий в основе всех бета-распадов во Вселенной. Источник: Evan Berkowitz/Julich Research Center, Lawrence Livermore National Laboratory

Чтобы объяснить существование этого распада, нам нужно было бы постулировать как новую силу (слабое ядерное взаимодействие), так и новую частицу: W-бозон, который должен быть во много раз тяжелее как протона, так и нейтрона, чтобы числа сходились. Это было довольно странно с теоретической точки зрения, потому что, насколько мы понимали физику элементарных частиц, частицы-переносчики взаимодействий (то есть бозоны) должны были быть безмассовыми. Фактически, существовала знаменитая теорема, известная как теорема Голдстоуна, которая утверждала следующее:

если у вас есть непрерывная симметрия, и эта симметрия спонтанно нарушена, то при нарушении этой симметрии возникают частицы с целым спином (бозоны), и эти бозоны будут безмассовыми и будут возникать в количествах, соответствующих числу источников (или степеней нарушения симметрии) этой симметрии.

В электрослабой теории, где слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие объединены под группой симметрии SU(2)⊗U(1), следовало бы ожидать появления трёх безмассовых (голдстоуновских) бозонов, но это наивное предсказание резко противоречит тому, что мы знаем сегодня. Существует всего три бозона, связанных со слабыми взаимодействиями: W⁺, W⁻ и Z-бозоны, но они являются противоположностью безмассовых частиц (они являются двумя из четырёх сверхтяжёлых частиц, входящих в Стандартную модель, наряду с бозоном Хиггса и топ-кварками).

Массы покоя фундаментальных частиц во Вселенной определяют, когда и при каких условиях они могут быть созданы, а также связаны с тем, как долго они могут существовать после своего создания во время горячего Большого взрыва. Чем массивнее частица, тем меньше времени она может спонтанно создаваться в ранней Вселенной и тем короче будет её время жизни. Хотя мы можем объяснить массы частиц через связь с полем Хиггса, у нас нет способа успешно предсказать их значения: чтобы стать определёнными, они должны быть измерены экспериментально. Источник: Universe-review

Мощь механизма Хиггса

Как можно перейти от предсказания трёх безмассовых бозонов в теории к физической реальности трёх не просто массивных, а сверхтяжёлых бозонов, возникающих при нарушении электрослабой симметрии? Хотя сегодня мы называем это «механизмом Хиггса», на самом деле было три отдельные группы, которые все пришли к одной и той же базовой идее ещё в 1964 году: Роберт Браут и Франсуа Энглер, Питер Хиггс самостоятельно, а также Джеральд Гуральник, Карл Ричард Хаген и Том Киббл. (Филипу Андерсону также иногда приписывают его статью 1962 года об очень похожем механизме с приложениями, переходящими из сверхпроводимости в физику элементарных частиц, но его результаты зависели от среды и не могли объяснить фундаментальную версию механизма, действующую только в вакууме.)

В Стандартной модели поле Хиггса является SU(2)-дублетом, что означает наличие в общей сложности четырёх степеней свободы. Когда Вселенная охлаждается через электрослабый фазовый переход, три из этих четырёх генераторов (или «направлений» группы поля) спонтанно нарушаются, что обычно приводило бы к возникновению голдстоуновских бозонов. Однако, поскольку эти голдстоуновские бозоны имеют те же квантовые числа, что и три из четырёх электрослабых калибровочных бозонов — те, которые станут W⁺, W⁻ и Z⁰ бозонами — они смешиваются вместе, придавая им огромную массу. Компоненты электрослабого поля, которые не смешиваются с голдстоуновскими бозонами, образуют безмассовый фотон, в то время как оставшаяся степень свободы от нарушения симметрии Хиггса становится новой скалярной частицей: массивным бозоном Хиггса, впервые предсказанным самим Хиггсом в 1966 году.

Когда электрослабая симметрия нарушается, W⁺ получает свою массу за счёт одной комбинации W₁ и W₂, поглощающей положительно заряженный хиггс, W⁻ — за счёт другой комбинации W₁–W₂, поглощающей отрицательно заряженный хиггс, а Z⁰ — за счёт комбинации B и W₃, поглощающей нейтральный хиггс. Другой нейтральный хиггс становится бозоном Хиггса, обнаруженным и открытым ранее в этом десятилетии на БАК. Фотон, другая комбинация W₃ и B-бозона, остаётся безмассовым. Источник: Flip Tanedo/Quantum Diaries

Объединение механизма Хиггса и электрослабой теории в 1967 году привело к формулировке современной Стандартной модели, а затем понимание квантовой хромодинамики как теории сильных взаимодействий (в начале 1970-х годов) завершило нашу современную картину, представляющую наши знания о частицах и взаимодействиях, существующих во Вселенной сегодня. Было много скептиков (как изначально, так и на протяжении длительных периодов времени) в отношении нового механизма, предложенного Хиггсом и его современниками, и только открытие бозона Хиггса в ЦЕРНе в начале 2010-х годов положило конец этим сомнениям.

Как выразился Джеральд Гуральник:

«Мы знали, что действительно сделали нечто очень необычное и очень захватывающее, но мы всё ещё не ожидали, что это будет иметь отношение к физической реальности».

Но действительно, это не только имеет большое отношение к физической реальности, но и учит нас тому, что у нас есть поле, пронизывающее всё пространство, поле Хиггса, и что это поле ответственно за ненулевые массы покоя известных частиц, таких как все виды кварков, а также электрон и его более тяжёлые родственники. Большой вопрос, который теперь остаётся, таков: является ли бозон Хиггса, который мы видим, действительно бозоном Хиггса Стандартной модели и только им, или существуют другие частицы (возможно, другие бозоны Хиггса, возможно, более экзотические частицы), которые имеют те же квантовые числа, что и бозон Хиггса, и которые смешиваются с ним?

Когда симметрия восстановлена (жёлтый шар наверху), всё симметрично, и нет предпочтительного состояния. Когда симметрия нарушается при более низких энергиях (синий шар, внизу), та же свобода, при которой все направления одинаковы, больше не присутствует. В случае электрослабой (или хиггсовской) симметрии, когда она нарушается, происходит спонтанный процесс, придающий массу частицам во Вселенной. Источник: J. Lykken & M. Spiropulu, Physics Today, 2013

Нарушение симметрии поля Хиггса

Всякий раз, когда у нас есть симметрия, которая нарушается, мы можем представить это так же, как представляем шар, скатывающийся с вершины холма, из точки нестабильности, к минимуму долины внизу холма. Хотя это и не кажется очевидным, но, в общем случае, существуют два возможных способа для протекания этого процесса нарушения симметрии.

• Холм или плато может быть гладким и непрерывным, без каких-либо ложных минимумов (или мест, где шар может «застрять»), пока шар катится вниз.

• Или холм может иметь по крайней мере одно дополнительное место на своём пути, где катящийся шар может «застрять», помимо долины в самом низу холма: то есть иметь по крайней мере один «ложный минимум» на пути, а не только «истинный минимум» внизу.

В обоих случаях симметрия может спонтанно нарушиться. В обоих случаях рождаются голдстоуновские бозоны; в обоих случаях, в применении к механизму Хиггса и электрослабой симметрии, мы получим большие массы для W- и Z-бозонов, а также бозона Хиггса, наряду с безмассовым фотоном.

В первом случае, где холм гладкий на всём пути вниз, без ложных минимумов, нарушение симметрии должно также протекать гладко: сразу, везде, по мере охлаждения Вселенной после горячего Большого взрыва. Нет возможностей застрять в состоянии «ложного минимума»; вместо этого мы плавно переходим в истинное вакуумное (или основное) состояние: пример фазового перехода второго рода.

Физически во многих случаях мы можем оказаться в ловушке локального, ложного минимума, не имея возможности достичь состояния с наименьшей энергией, известного как истинный минимум. Получим ли мы толчок, чтобы преодолеть этот барьер, что может произойти классически, или мы выберем чисто квантовомеханический путь квантового туннелирования, переход из одного состояния в другое всегда возможен, пока не нарушаются фундаментальные законы сохранения. Это пример фазового перехода первого рода, а не плавного (второго рода) перехода без каких-либо ложных минимумов. Источник: Cranberry/Wikimedia Commons

Но если существует другая частица, набор частиц или новый сектор физики, взаимодействующий и/или смешивающийся с бозоном Хиггса или полем Хиггса, рассматриваемый во многих расширениях Стандартной модели, то нарушенная симметрия поля Хиггса может не быть плавным переходом без ложных минимумов, а может оказаться таким вариантом, где форма потенциала меняется, становясь переходом первого рода: с ложным минимумом, где единственный способ достичь истинного вакуумного состояния — это квантовое туннелирование из этого ложного минимума в истинный минимум.

Теперь мы можем подумать и спросить, почему форма потенциала, реализующаяся во время этой фазы нарушения симметрии, так важна для Вселенной, и ответ уходит корнями к одному из самых больших экзистенциальных вопросов о нашей Вселенной: почему она состоит в подавляющем большинстве из материи, а не из соответствующего равного и противоположного количества антиматерии?

Потому что существуют три условия, необходимые для создания материально-антиматериальной асимметрии из ничего, известные как условия Сахарова. Они таковы:

1. набор условий, выведенных из равновесия,

2. достаточное количество C-нарушающих (нарушающих симметрию зарядового сопряжения) и CP-нарушающих (нарушающих комбинированную симметрию зарядового сопряжения и чётности) взаимодействий,

3. и взаимодействия, нарушающие барионное число,

   все действующие одновременно. Везде, где эти три условия совпадают, возможно, а иногда и обязательно, что материально-антиматериальная асимметрия может быть создана даже из идеально симметричных начальных условий.

Когда электрослабая симметрия (симметрия, соответствующая полю Хиггса) нарушается, комбинация CP-нарушения и нарушения барионного числа может создать материально-антиматериальную асимметрию там, где её раньше не было, благодаря эффекту сфалеронных взаимодействий, действующих, например, на избыток нейтрино. Это может произойти, однако, только если электрослабый фазовый переход является переходом первого рода, а не переходом второго рода, предсказываемым одной лишь Стандартной моделью. Источник: University of Heidelberg

Электрослабый бариогенезис

На сегодняшний день существуют только четыре реалистичных сценария, существующих в нашей Вселенной, которые не противоречат установленной физике и могут создать ситуацию материя-антиматерия из изначально симметричного состояния. Один из них, бариогенезис в рамках теорий Великого объединения (GUT-бариогенезис), должен происходить только при энергиях, в миллиарды раз превышающих те, которые могут достичь современные коллайдерные эксперименты (такие как БАК), и является неоднозначным из-за отсутствия наблюдаемого распада протона, а также современных теорий инфляции. Другой, лептогенезис, происходит при аналогично высоких, недоступных энергиях. Третий, через механизм Аффлека-Дайна, полностью зависит от существования суперсимметрии и её существования на масштабах, доступных коллайдерам: что противоречит эксперименту.

Но четвёртый сценарий, известный как электрослабый бариогенезис, вот его мы можем искать с помощью современных коллайдерных технологий. Если всё, что у нас есть, — это базовая Стандартная модель, которая даёт нам C-нарушение и CP-нарушение, наблюдаемые в слабых распадах, и фазовый переход второго рода (плавно катящийся к минимуму) для механизма Хиггса, мы получаем лишь незначительное материально-антиматериальное несоответствие на выходе: слишком малое, примерно в 10 миллиардов раз, чтобы быть согласованным с наблюдениями. Единственный способ получить какой-либо бариогенезис в этом сценарии — через процесс, известный как сфалеронный процесс: где барионное число (B) и лептонное число (L) нарушаются по отдельности, но комбинация B − L (барионное число минус лептонное число) сохраняется.

В исследовании 2024 года коллаборация CMS проводит поиск экзотических частиц — векторноподобных кварков нижнего типа. Эти частицы, как ожидается, существуют во многих сценариях, включающих дополнительные частицы, подобные бозону Хиггса, которые смешивались бы с известным бозоном Хиггса. Свидетельств существования этих частиц не обнаружено, что ограничивает возможное существование этих сценариев и электрослабого фазового перехода первого рода. Источник: CMS collaboration, arXiv:2402.13808, 2024

Однако мы знаем, что Стандартная модель — это не всё, что есть в реальности. Она не даёт физического объяснения для:

• тёмной материи,

• тёмной энергии,

• космической инфляции или

• материально-антиматериальной асимметрии,

и у нас есть множество различных линий доказательств, указывающих на реальность существования всех этих четырёх явлений. Если существует, например, электрослабо-масштабное синглетное скалярное поле, такое как возникающее из композитной модели Хиггса или модели с несколькими хиггсовскими дублетами, то механизм, приводящий к нарушению симметрии Хиггса, может быть переходом первого рода (включающим квантовое туннелирование и ложный минимум), а не второго рода (и плавно катящимся, без ложного минимума).

В этом сценарии поле Хиггса может принимать различные значения в разных областях пространства по мере нарушения симметрии, создавая серьёзные неравновесные условия. В зависимости от того, какие типы C-нарушения и CP-нарушения существуют, может быть достаточно взаимодействий, нарушающих барионное число, чтобы объяснить всю материально-антиматериальную асимметрию, и могут даже существовать сигнатуры, к которым чувствительны современные коллайдеры, такие как БАК, хотя, вероятно, потребуется коллайдер более высоких энергий, возможно, в пределах досягаемости будущих энергий FCC.

Следует отметить, что частицы более высоких энергетических масштабов, смешивающиеся с полем Хиггса, включая теоретические сценарии, такие как дилатон или даже инфляционные, включающие скалярную инфляцию, также могут смешиваться с полем Хиггса, приводя к фазовому переходу первого рода для механизма Хиггса, наряду с другими сигналами, потенциально наблюдаемыми в других местах, например, на коллайдерах частиц или даже в детекторах гравитационных волн.

Если существует сильно выраженный электрослабый фазовый переход первого рода, то в дополнение к фону гравитационных волн, созданному инфляцией (чёрная линия), должен возникнуть новый спектр гравитационных волн (красный пик), к которому будут чувствительны будущие обсерватории гравитационных волн, такие как предстоящая LISA. Источник: P. Simakachorn, CERN, 2022

Как мы это выясним?

Новая физика может быть раскрыта не только через прямые доказательства, такие как создание принципиально новых частиц. Мы можем искать типы сигнатур частиц, которые должны существовать, если есть дополнительные частицы, связанные с полем Хиггса и смешивающиеся с ним. Мы можем искать связанные сигналы, возникающие в детекторах гравитационных волн. Мы можем создавать огромные количества бозонов Хиггса и искать любые признаки отклонения (на уровне 0,1%, 0,01%, 0,001% и т.д.) от чистых предсказаний одной лишь Стандартной модели. И мы можем даже создать релятивистскую кварк-глюонную плазму при достаточно высоких энергиях, чтобы попытаться напрямую создать реакции, которые в конечном итоге приведут к прямому нарушению барионного числа.

Когда большинство из нас думает об экспериментальной физике элементарных частиц, эти соображения обычно не находятся на первом плане. Мы думаем о возможности прямого обнаружения новых частиц и о нарушении Стандартной модели путём открытия явлений, которые она не может объяснить. Но среди того, что одна лишь Стандартная модель не может объяснить, включая

• тёмную материю,

• тёмную энергию,

• космическую инфляцию и

• материально-антиматериальную асимметрию,

мы должны рассмотреть возможность исследования потенциальных связей между явлениями, доступными на коллайдерах, и этими грандиозными экзистенциальными вопросами. Несмотря на всё, что мы знаем о бозоне Хиггса и физике на электрослабой шкале, мы ещё не знаем, является ли электрослабый фазовый переход переходом первого или второго рода. Поскольку один из величайших открытых вопросов физики, возможно, находится в пределах досягаемости, если природа будет благосклонна, мы обязаны перед человечеством и нашим собственным духом любознательности исследовать этот доступный путь как можно более тщательно.

Эта статья была опубликована в мае 2024 года. Обновлена в сентябре 2026 года.