Джим Бэгготт

Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Посвящается Эндж

Jim Baggott

Higgs

The Invention and Discoveryof the «God Particle»

«HIGGS: THE INVENTATION AND DISCOVERY OF THE ‘GOD PARTICLE’, FIRST EDITION»

Was originally published in English in 2012.

This translation is published by arrangement with Oxford University Press.

Copyright © Jim Baggott 2012

От автора

4 июля 2012 года мгновенно, словно чрезвычайно заразный электронный вирус, по всему миру распространилось известие о том, что в женевском ЦЕРНе открыли нечто весьма напоминающее бозон Хиггса. Все заголовки кричали о новом триумфе физики высоких энергий. Открытие попало в газетные передовицы и вечерние выпуски новостей, о нем услышали миллиарды. Наконец-то, спустя 48 лет после того, как частица была впервые предположена или предсказана в 1964 году, ценой миллиардов долларов найдены признаки ее существования.

Из-за чего же поднялся такой шум? Что это за такая важная птица – бозон Хиггса? Если новая частица действительно тот самый бозон Хиггса, то что ее открытие говорит нам о материальном мире и ранней эволюции Вселенной? Стоила ли находка всех затраченных усилий?

Ответы на эти вопросы дает история так называемой Стандартной модели физики элементарных частиц. Как следует из ее названия, это теоретическая конструкция, при помощи которой физики описывают составные элементы материи и силы, которые удерживают ее или заставляют распадаться. Эта теория создавалась долгими десятилетиями тяжелейшего труда и представляет собой итог попыток интерпретировать окружающий нас физический мир.

Однако Стандартная модель – это еще не «теория всего». Она не учитывает гравитацию. В последние годы в физике появились новые экзотические теории, стремящиеся объединить в себе все фундаментальные взаимодействия, в том числе и гравитационное. Это, например, теории суперсимметрии и суперструн. Несмотря на усилия сотен занимающихся ими ученых-теоретиков, эти новые теории остаются чисто умозрительными и мало подтверждены, если подтверждены вообще, экспериментальными данными. Даже при своих недостатках, выявившихся с момента рождения Стандартной модели в конце 1970-х годов, она до сих пор находится на переднем крае научных исследований.

Бозон Хиггса играет важную роль в Стандартной модели, так как он свидетельствует о существовании поля Хиггса, невидимого энергетического поля, которое пронизывает всю Вселенную. Без поля Хиггса элементарные частицы, из которых состоите вы, я, вся видимая Вселенная, не имели бы массы. Без поля Хиггса масса не могла бы возникнуть и не было бы ничего.

Выходит, мы довольно многим обязаны существованию этого поля. Именно поэтому, среди других причин, бозон Хиггса, то есть частицу хиггсовского поля, в массовой прессе называют «частицей Бога». Ученые просто не выносят этого прозвища, поскольку оно слишком преувеличивает важность частицы и неприятно намекает на связь между физикой и теологией. Однако оно стало очень популярным среди пишущих о науке журналистов и писателей.

Многие предсказанные следствия существования поля Хиггса были подтверждены в экспериментах на коллайдерах еще в начале 1980-х. Но вывести логическое заключение о поле – не то же самое, что обнаружить свидетельствующую о нем частицу. Поэтому так отрадно знать, что поле весьма вероятно существует и здесь, и там, и повсюду. Бозон Хиггса вполне мог быть не обнаружен, и это имело бы катастрофические последствия для Стандартной модели.

Я взялся за эту книгу в июне 2010 года, за два года до открытия бозона. Незадолго до того я закончил рукопись другой книги, называвшейся «Квантовая история: рассказ в 40 мгновениях», где, как следует из названия, изложил историю квантовой физики с начала ХХ века до наших дней. Книга охватывала развитие Стандартной модели и предсказание поля и частицы Хиггса. За несколько месяцев до того Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе вышел на рекордные показатели энергии протон-протонных столкновений в 7 триллионов электронвольт, и я решил, что открытие может быть сделано в ближайшие годы. И, к счастью, оказался прав.

«Квантовая история» вышла в феврале 2011 года. Книга, которую вы держите в руках, отчасти основана на ней.

Я хотел бы поблагодарить Латху Менон и представителей издательства Oxford University Press, которые не побоялись рискнуть и заказать книгу о еще неоткрытой частице. Я следил за событиями в ЦЕРНе по официальным каналам, но также обязан многим блогерам, пишущим о физике высоких энергий – это Филип Гиббс, Томмазо Дориго, Питер Войт, Адам Фалковски, Мэтт Стрэсслер и Джон Баттерворт. Также весьма признателен Джону Баттерворту, Софи Тесори, Джеймсу Гиллису, Лоретт Понс и Линдону Эвансу за их потраченное время и разделенное волнующее ожидание. Еще мне хотелось бы выразить благодарность профессорам Дэвиду Миллеру и Питеру Войту, которые прочли и прокомментировали черновую рукопись, и профессору Стивену Вайнбергу, который внимательно прочел предварительный вариант и любезно поделился своими взглядами во вступительном слове. Уверяю читателя, что все оставшиеся в тексте ошибки полностью лежат на моей совести.

Джим Бэгготт

Рединг,

6 июля 2012 г.

Предисловие

После многих важных открытий в науке выходили научно-популярные книги, которые объясняли обычным читателям, что это за открытия. Но я впервые вижу книгу, которая в основном написана в предвосхищении открытия. То, что эта книга была готова к публикации сразу же после объявления в июле 2012 года об открытии ЦЕРНом (при участии Фермилаба[1] новой частицы, по всей видимости частицы Хиггса, свидетельствует об удивительной находчивости и предприимчивости Джима Бэгготта и Ox ford Universiry Press.

Скорая публикация книги также говорит об интересе к этому открытию широкой публики. Поэтому, может быть, во вступительном слове мне следует прибавить несколько собственных замечаний о том, что же произошло. Часто приходится слышать, что в поисках частицы Хиггса речь идет о том, откуда взялась масса. Такое объяснение достаточно верно, но его требуется уточнить.

К 1980-м годам у нас сложилась хорошая всесторонняя теория, охватывающая все наблюдаемые элементарные частицы и их взаимодействия друг с другом (кроме гравитационного). Одним из основных элементов теории является симметрия, похожая на семейные отношения между двумя из этих взаимодействий: электромагнитным и слабым ядерным. Электромагнетизму мы обязаны светом; благодаря слабому ядерному взаимодействию частицы внутри ядер атомов меняют заряд в процессе радиоактивного распада. Симметрия объединяет оба взаимодействия в единой электрослабой структуре. Главные положения электрослабой теории прошли тщательную проверку; их истинность не стояла на кону в последних экспериментах ЦЕРНа и Фермилаба и не подверглась бы серьезным сомнениям, даже если бы частица Хиггса не была открыта.

Однако одно из следствий электрослабой симметрии заключается в том, что, если теорию ничем не дополнять, все элементарные частицы, включая электроны и кварки, должны не иметь массы, что, разумеется, не так. Значит, в теорию электрослабого взаимодействия нужно что-то добавить, какой-то новый вид материи или поля, еще не наблюдавшийся ни в природе, ни в лаборатории. Поиск частицы Хиггса – поиск ответа на вопрос: что же это за новая штука, которую нужно туда добавить?

Чтобы ее найти, требовалось не просто топтаться вокруг ускорителя высокой энергии, дожидаясь, не объявится ли что-нибудь. Электрослабая симметрия, точное свойство, лежащее в основе уравнений физики элементарных частиц, каким-то образом должна быть нарушена; она не должна применяться непосредственно к частицам и взаимодействиям, которые мы наблюдаем фактически. Еще с работы Ёитиро Намбу и Джеффри Голдстоуна в 1960–1961 годах известно, что подобное нарушение симметрии возможно в различных теориях, но считалось, что оно обязательно подразумевает существование новых безмассовых частиц, о которых тогда не было известно.

И только исследования, проделанные независимо Робертом Браутом и Франсуа Энглером; Питером Хиггсом; Джеральдом Гуральником, Карлом Хейгеном и Томом Кибблом в 1964 году[2], показали, что в некоторых теориях эти безмассовые частицы Намбу – Голдстоуна исчезают и служат только для того, чтобы придать массу частицам – переносчикам взаимодействия. Именно это происходит в теории слабого и электромагнитного взаимодействий, которую в 1967–1968 годах предложили Абдус Салам и я. Однако вопрос, какой же новый вид материи или поле в действительности нарушает электрослабую симметрию, все так же оставался без ответа.

Можно предположить две возможности. Одна возможность заключалась в том, что существуют не наблюдавшиеся до сих пор поля, которые пронизывают вакуум, и что, как у магнитного поля Земли север отличается от остальных направлений, у этих неизвестных полей слабое взаимодействие отличается от электромагнитного и частицы – переносчики слабого взаимодействия и другие – приобретают массу, но при этом фотоны (переносящие электромагнитное взаимодействие) остаются с нулевой массой. Такие поля называются скалярными, это значит, что, в отличие от магнитных полей, у них не различаются обычные направления в пространстве. Скалярные поля такого общего вида использованы в наглядных примерах нарушения симметрии у Голдстоуна и позднее в работах 1964 года.

Когда совместно с Саламом использовали нарушение симметрии, разрабатывая современную электрослабую теорию слабого и электромагнитного взаимодействий, мы предположили, что нарушение симметрии происходит благодаря полям такого скалярного типа, пронизывающим все пространство. (Подобную симметрию уже гипотетически предложили Шелдон Глэшоу, а также Салам и Джон Уорд, но не в качестве точного свойства уравнений теории, поэтому они не пошли дальше и не ввели скалярные поля.)

Одно из следствий теорий, в которых симметрию нарушают скалярные поля, в том числе моделей, рассмотренных Голдстоуном и в работах 1964 года, и нашей с Саламом теории электрослабого взаимодействия, состоит в том, что, хотя некоторые из этих полей служат только для придания массы частицам – переносчикам взаимодействий, другие скалярные поля будут проявляться в природе в виде новых физических частиц, которые можно будет получать и наблюдать в ускорителях и коллайдерах. Оказалось, что нам с Саламом нужно ввести в теорию электрослабого взаимодействия четыре скалярных поля. Три скалярных поля использованы для сообщения массы W+-, W—-и Z^0-частицам – «тяжелым фотонам», – которые в нашей теории переносят слабое взаимодействие (эти частицы были открыты в ЦЕРНе в 1983–1984 годах и, как оказалось, имеют массы, предсказанные теорией электрослабого взаимодействия). Оставшееся скалярное поле должно проявляться в качестве физической частицы, сгустка энергии и импульса этого поля. Это и есть частица Хиггса, которую физики искали почти 30 лет.

Но была и вторая возможность. Быть может, напротив, нет никаких пронизывающих пространство скалярных полей, нет никакой частицы Хиггса. Наоборот, электрослабую симметрию могут нарушать сильные взаимодействия, которые называются техницветовыми и действуют на новый класс частиц, слишком тяжелых и потому до сих пор не наблюдавшихся. Нечто подобное имеет место в явлении сверхпроводимости. Подобную теорию элементарных частиц в конце 1970-х предложили независимо Леонард Сасскинд и я сам. Она повлекла бы за собой целую чащу новых частиц, связанных техницветовым взаимодействием. Таким образом, перед нами встала альтернатива: скалярные поля или техницвет?

Открытие новой частицы очень сильно склонило бы весы в пользу того, что электрослабую симметрию нарушают скалярные поля, а не техницветовое взаимодействие. Вот почему оно настолько важно.

Однако нужно ответить еще на множество вопросов, прежде чем все станет ясно. Теория электрослабого взаимодействия 1967–1968 годов предсказала все свойства частицы Хиггса, кроме ее массы. Сейчас, когда масса получена экспериментально, мы можем посчитать вероятность всех разных форм распада частиц Хиггса и провести дальнейшие эксперименты, которые подтвердят или опровергнут эти предсказания. На это потребуется некоторое время.

Открытие новой частицы, которая, по-видимому, является частицей Хиггса, ставит перед теоретиками еще одну сложную задачу – понять ее массу. Частица Хиггса – та самая элементарная частица, чья масса возникает не из-за нарушения электрослабой симметрии. С точки зрения фундаментальных принципов теории электрослабого взаимодействия масса частицы Хиггса может иметь какое угодно значение. Вот почему ни Салам, ни я не смогли ее предсказать.

На самом деле в массе частицы Хиггса, которую теперь мы таки наблюдаем, есть нечто непонятное. Чаще всего это называют проблемой иерархии. Поскольку именно масса частицы Хиггса задает величину масс всех остальных известных элементарных частиц, можно предположить, что она должна быть аналогична другой массе, играющей фундаментальную роль в физике: так называемой планковской массе, которая представляет собой фундаментальную единицу массы в теории гравитации (это масса гипотетических частиц, у которых сила гравитационного притяжения друг к другу равна силе электрического взаимодействия между двумя электронами, находящимися на таком же расстоянии друг от друга). Но планковская масса примерно в 100 тысяч триллионов раз больше массы частицы Хиггса. Следовательно, перед нами опять встает вопрос: хотя частица Хиггса так массивна, что для ее обнаружения потребовался гигантский коллайдер, почему же ее масса настолько мала?

Джим Бэгготт предложил мне добавить что-нибудь об эволюции идей в этой области физики, исходя из моего личного опыта. Я расскажу только о двух моментах.

Как рассказывает Бэгготт в главе 4, Филип Андерсон еще до 1964 года утверждал, что безмассовые частицы Намбу – Голдстоуна не были обязательным следствием нарушения симметрии. Почему же доводы Андерсона не убедили ни меня, ни других теоретиков? Это ни в коей мере не значит, что Андерсона не следовало принимать всерьез. Среди всех теоретиков, занимавшихся физикой конденсированного состояния, Андерсон яснее всех понимал, насколько важны принципы симметрии, принципы, играющие важнейшую роль в физике элементарных частиц.

Думаю, доводы Андерсона были отвергнуты главным образом потому, что они основывались на аналогии с такими феноменами, как сверхпроводимость, которые являются нерелятивистскими (то есть это феномены, происходящие в областях, где можно безопасно пренебречь принципом относительности Эйнштейна). Однако Голдстоун, Салам и я строго научно показали неизбежность безмассовых частиц Намбу – Голдстоуна в доказательстве 1962 года, которое основывалось на бесспорной истинности теории относительности. Теоретики физики частиц были готовы согласиться, что Андерсон прав в нерелятивистском контексте сверхпроводимости, но только не в теории элементарных частиц, которая по необходимости включает в себя принцип относительности. Работы 1964 года ясно показали, что наше с Голдстоуном и Саламом доказательство неприменимо к квантовым теориям с частицами – переносчиками взаимодействий, поскольку, в отличие от физических явлений, которые удовлетворяют принципу относительности, математическая формулировка этих теорий в контексте квантовой механики ему не удовлетворяет.

Из-за этой же проблемы с принципом относительности я, как ни старался, не смог после 1967 года доказать, как придумали мы с Саламом, что бессмысленные бесконечности, возникавшие в теории электрослабого взаимодействия, сокращаются, как сокращаются аналогичные бесконечности в квантовой теории электромагнетизма, что уже было показано. Принцип относительности был важен для демонстрации того, как сокращаются бесконечности в теории электромагнетизма. В доказательстве Герарда ’т Хоофта 1971 года, о котором Бэгготт рассказывает в главе 5, использован метод, разработанный ’т Хоофтом совместно с Мартинусом Велтманом, в котором принципы квантовой механики расширяются, позволяя сформулировать теорию так, чтобы она согласовалась с принципом относительности.

Второй момент: в главе 4 Бэгготт предполагает, что я не включил кварки в свою статью 1967 года, излагавшую теорию электрослабого взаимодействия, поскольку меня заботил тот вопрос, что теория, возможно, предсказывает процессы с участием так называемых странных частиц, которые фактически не наблюдались. Если бы только мои рассуждения были настолько конкретными. Скорее я не включил кварки в теорию только потому, что в 1967 году попросту в них не верил. Никто никогда не наблюдал кварков, и трудно было поверить, будто дело в том, что кварки гораздо тяжелее наблюдаемых частиц, например протонов и нейтронов, ведь эти наблюдаемые частицы, как предполагалось, состоят из кварков.

Как и многие другие теоретики, я не вполне принимал существование кварков до 1973 года, до работы Дэвида Гросса, Фрэнка Вильчека и Дэвида Политцера. Они показали, что в теории кварков и сильных ядерных взаимодействий, называемой квантовой хромодинамикой, сильное взаимодействие становится слабее с уменьшением расстояния. Потом кому-то из нас пришло в голову, что в таком случае сильное взаимодействие между кварками должно, вопреки очевидному, усиливаться по мере удаления кварков друг от друга и, может быть, настолько, что кварки не способны разделиться. До сих пор это не доказано, но таково общепринятое мнение. Квантовая хромодинамика к настоящему времени была досконально проверена, и однако никто никогда не видел изолированного кварка.

Я был очень рад тому, что эта книга начинается с первых лет ХХ века и математика Эмми Нетер, которая раньше всех осознала важность принципов симметрии в природе. Это напоминает нам, что труд современных ученых – всего лишь новый шаг на великом извечном пути к пониманию того, как устроена природа, на котором каждая наша догадка подвергается проверке экспериментом. Книга Джима Бэгготта даст читателю возможность ощутить вкус этого исторического процесса.

Стивен Вайнберг

6 июля 2012 г.

Пролог

Форма и субстанция

Из чего сделан мир?

Подобные простые вопросы терзали человеческий разум с тех самых пор, как человек стал способен рационально мыслить. Конечно, сегодня этот вопрос стал гораздо сложнее и подробнее, а ответы на него – гораздо запутаннее и обходятся чрезвычайно дорого. Но уверяю вас, в самой своей основе вопрос остается очень простым.

Две с половиной тысячи лет назад древнегреческие философы могли опираться исключительно на свое понимание красоты и гармонии в природе и силу логического мышления и воображения применительно к вещам, которые они наблюдали невооруженным взглядом. Думая об этом сейчас, нельзя не поражаться тому, как много им удалось понять.

Греки тщательнейшим образом различали форму и субстанцию. По их понятиям, мир состоял из материальной субстанции, которая могла принимать самые разнообразные формы. Сицилийский философ V века до н. э. Эмпедокл предположил, что это разнообразие можно свести к четырем основным формам, которые сейчас мы называем элементами. Это были земля, воздух, огонь и вода. Элементы считались вечными и неуничтожимыми, соединенные в довольно романтических сочетаниях благодаря притягивающей силе Любви и разделенные отталкивающими силами Вражды, и все в мире состоит из них.

Другая школа, начало которой положил философ Левкипп также V века до н. э. (и которая теснее всего связана с его учеником Демокритом), утверждала, что мир состоит из крошечных неделимых и неуничтожимых частиц материи (атомов) и пустого пространства (пустоты). Атомы – элементы, составляющие всю физическую субстанцию, которая определяет всю материю. Как утверждал Левкипп, атомы необходимы принципиально, потому что субстанция, безусловно, не может делиться бесконечно. Если она могла делиться бесконечно, в итоге деления мы могли бы получить ничто, а это, очевидно, противоречит непоколебимому, как казалось, закону сохранения материи.

Примерно веком позже Платон развил теорию, описывавшую, как организованы атомы (субстанция), составляющие четыре элемента (формы). Он представил четыре элемента в виде геометрических (или платонических) тел и в трактате «Тимей» утверждал, что грани всех тел можно дальше разложить на системы треугольников, которые представляют собой атомы, составляющие элементы. Переставив треугольники – то есть переставив атомы, – можно превратить один элемент в другой и разными сочетаниями элементов получать новые формы[3].

Мысль, что должны существовать какие-то конечные компоненты, какая-то бесспорная реальность, которая поддерживает окружающий мир и придает ему форму, кажется логичной. Если материя может делиться бесконечно, тогда мы достигнем точки, где сами компоненты становятся чем-то эфемерным – до такой степени, что перестают существовать. Тогда исчезнут составные части, и у нас останутся одни взаимодействия между неопределимыми, невещественными фантомами, которые лишь производят впечатление субстанции.

Может быть, это не слишком приятно, но в большой степени это именно то, что и доказала современная физика. Масса, по современным представлениям, не является неотъемлемым или «первосущим» свойством фундаментальных составных частей природы. На самом деле массы не существует. Масса полностью слагается из энергии взаимодействий между безмассовых от природы элементарных частиц.

Физики делили и делили и в итоге нашли ничто.

Только с развитием формальной экспериментальной философии в начале XVII века у человека появилась возможность выйти за рамки того рода умозрительных размышлений, которые были характерны для теорий древних греков. Древняя философия интуитивно пыталась понять природу материальной субстанции из наблюдений, искаженных предвзятыми представлениями о том, каким должен быть мир. Новые ученые взялись за саму природу, чтобы добыть у нее данные о том, каков мир на самом деле.

Форма и субстанция по-прежнему вызывали вопросы. Концепция массы – количество вещества, проявляющееся в динамических движениях физических объектов, – прибрела ключевую роль в нашем понимании субстанции. Сопротивление объекта ускорению стало пониматься как инертная масса. При ударе с одинаковой силой небольшой объект ускоряется гораздо быстрее, чем крупный.

Способность объекта генерировать гравитационное поле понимается как гравитационная масса. Сила притяжения у Луны слабее, чем у Земли, потому что Луна меньше и, следовательно, обладает меньшей гравитационной массой. Инертная и гравитационная массы эмпирически тождественны, хотя убедительных теоретических причин, почему это должно быть именно так, не найдено.

Также ученые раскрыли тайну огромного разнообразия природных форм. Вода, фундаментальный элемент у греков, как оказалось, состоит не из геометрических тел и треугольников, как полагал Платон, а из молекул, которые складываются из атомов химических элементов водорода и кислорода, сочетание которых мы записываем в виде H2O.

Современное применение слова «атом» сначала имело отношение к тому смыслу, который вкладывали в него греки, то есть неделимой частицы материи. Но еще в то время, когда существование атомов вызывало горячие споры, в 1897 году, английский физик Джозеф Джон Томсон открыл отрицательно заряженный электрон. Оказалось, что атомы, в свою очередь, состоят из субатомных частиц.

За открытием Томсона в 1909–1911 годах последовали эксперименты новозеландца Эрнеста Резерфорда в его манчестерской лаборатории. Его эксперименты показали, что атомы в основном состоят из пустого пространства. В центре атома находится крошечное положительно заряженное ядро, вокруг которого обращаются отрицательно заряженные электроны, почти как планеты вокруг Солнца. Большая часть массы атомов, составляющих элементы материальной субстанции, сконцентрирована в ядре. Поэтому именно в ядре соединяются форма и субстанция.

Эта «планетарная» модель атома и по сей день остается наглядной визуальной метафорой. Но физикам уже в то время сразу же стало очевидно, что такая модель фактически не имеет смысла. Они считали, что планетарные атомы должны быть по сути нестабильны. В отличие от движущихся вокруг Солнца планет электрически заряженные частицы, движущиеся в электрическом поле, испускают энергию в виде электромагнитных волн. Такие планетарные электроны истощили бы свою энергию за долю секунды, и тогда внутренняя структура атома просто рухнула бы.

Рис. 1

(a) В предложенной Резерфордом «планетарной» модели атома водорода единственный отрицательно заряженный электрон движется по фиксированной орбите вокруг ядра, состоящего из единственного положительно заряженного протона. (b) Квантовая механика заменила орбиту электрона волновой функцией, которая в конфигурации с самой низкой энергией (1s) имеет симметричную сферическую форму. (c) Таким образом, электрон может «находиться» везде в пределах волновой функции, однако наиболее вероятно его нахождение на расстоянии, которое предсказывает старая планетарная модель

Решение этой загадки появилось в виде квантовой механики в начале 1920-х годов. Электрон – не просто частица, которую можно представить себе в виде крошечного шарика отрицательно заряженного вещества, он одновременно и волна, и частица. Он не «здесь» или «там», как можно сказать о локализованном фрагменте вещества, но буквально «везде» в пределах его призрачной, нелокализованной волновой функции. По существу, электроны не обращаются вокруг ядра. Напротив, их волновые функции создают в пространстве вокруг ядра характерные трехмерные формы, которые мы называем орбиталями. Математическая форма каждой орбитали описывает вероятность нахождения теперь уже совершенно загадочного электрона в конкретном месте – «здесь» или «там» – внутри атома (см. рис. 1).

Период квантовой революции оказался беспрецедентно плодотворным как для теоретической, так и для экспериментальной физики. Когда в 1927 году английский физик Поль Дирак объединил квантовую механику со специальной теорией относительности Эйнштейна, вдруг появилось совершенно новое свойство, названное электронным спином. Оно уже было известно экспериментаторам и приблизительно толковалось в смысле вращения электрона вокруг своей оси, подобно волчку, примерно так же, как Земля вращается вокруг своей оси, двигаясь вокруг Солнца (см. рис. 2).

Но это была очередная визуальная метафора, не имевшая, как быстро выяснилось, никаких оснований в действительности. Сегодня мы понимаем спин как чисто релятивистский квантовый эффект, в котором электроны могут принимать одну из двух возможных ориентаций, которые мы называем «спин вверх» и «спин вниз». Это не ориентация по известным направлениям в обычном трехмерном пространстве, но ориентация в так называемом спиновом пространстве, которое имеет только два измерения – вверх и вниз.

Рис. 2

В 1927 г. Дирак соединил квантовую механику и эйнштейновскую специальную теорию относительности, чтобы создать полностью релятивистскую квантовую теорию. При этом проявилось такое свойство, как спин электрона, представлявшееся в виде вращения отрицательного заряженного электрона вокруг своей оси, который тем самым генерирует небольшое локальное магнитное поле. Сегодня мы представляем спин электрона с точки зрения его возможной ориентации – вверх или вниз

Как оказалось, каждая атомная орбиталь содержит два – и только два – электрона. Это знаменитый принцип запрета, или принцип Паули, сформулированный австрийским физиком Вольфгангом Паули в 1925 году, который утверждает, что электроны не могут находиться одновременно в одном и том же квантовом состоянии. Принцип выводится из математического выражения волновой функции для любого сложного состояния, включающего два электрона или более. Если сложное состояние включает два электрона с совершенно одинаковыми физическими свойствами, то у волновой функции нулевая амплитуда – такое состояние не может существовать. Чтобы волновая функция имела ненулевую амплитуду, два электрона должны так или иначе отличаться. Это значит, что на атомной орбитали один электрон должен иметь ориентацию спин вверх, а другой – спин вниз. Иными словами, электроны должны быть спаренными.

Есть искушение попытаться представить себе, как выглядят эти ориентации на самом деле, однако не стоит ему поддаваться. При этом их эффекты вполне реальны. Спин определяет величину момента импульса у электрона – момента, связанного с «вращательным» движением спина. Спин также управляет взаимодействием электрона с магнитным полем. Эти эффекты можно досконально исследовать в лаборатории. Но, говоря о квантовой механике, такое впечатление, что мы перешагнули грань между тем, что можно узнать о происхождении этих эффектов, и тем, чего нельзя.

Релятивистская квантовая теория электрона Дирака также дала вдвое больше решений, чем, по его мнению, было нужно. Два решения соответствуют двум ориентациям электронных спинов. Чему же соответствуют два «лишних» решения? У Дирака были кое-какие свои идеи, но в конце концов в 1931 году он был вынужден признать, что они представляют ориентации спина вверх и вниз неизвестного до тех пор положительно заряженного электрона. Дирак открыл антивещество. Античастица электрона, названная позитроном, впоследствии была обнаружена в экспериментах с космическими лучами, так как она образуется в околоземном пространстве при столкновениях высокоэнергетических частиц.

В 1932 году нашелся, как казалось, последний кусочек головоломки. Английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон, электрически нейтральную частицу, которая уютно расположилась рядом с положительно заряженным протоном внутри атомного ядра. Физики как будто получили все нужные ингредиенты, чтобы сформулировать четкий ответ на вопрос, поставленный в начале главы.

Ответ вышел примерно таким. Все вещество в мире состоит из химических элементов. Химические элементы встречаются в природе в самых разнообразных видах и составляют периодическую таблицу от самого легкого – водорода – до самого тяжелого из известных природных элементов – урана[4].

Все элементы состоят из атомов. Все атомы имеют ядра, состоящие из разного количества положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Свойства каждого элемента определяются количеством протонов в ядре его атома. У водорода один протон, у гелия два, у лития три, и так далее вплоть до урана, у которого их девяносто два.

Ядро окружают отрицательно заряженные электроны в количестве соответствующем числу протонов, таким образом, что в итоге атом остается электрически нейтрален. Каждый электрон может иметь ориентацию либо вверх, либо вниз, и каждую орбиталь могут занимать два электрона при условии, что они спаренные.

Ответ очень обстоятельный. Имея элементарные составные части в виде протонов, нейтронов и электронов и принцип Паули, можно объяснить, почему периодическая таблица имеет такую структуру, а не другую. Можно объяснить, почему материя имеет форму и плотность. Можно объяснить существование изотопов – атомов с таким же количеством протонов, но другим количеством нейтронов в ядре. При некотором старании можно объяснить всю химию, биохимию и материаловедение.

В таком объяснении масса не представляет никакой загадки. Массу всего материального вещества можно проследить до составляющих ее протонов и нейтронов, на долю которых приходится около 99 процентов массы любого атома.

Представьте себе кубик льда, замороженной воды тройной дистилляции. Кубик с ребрами длиной 2,7 сантиметра, чуть больше дюйма. Возьмите его в руку. Он холодный и скользкий. Он не тяжелый, но ладонь ощущает его вес. Итак, из чего складывается масса кубика?

Молекулярная масса воды считается по суммарному количеству протонов и нейтронов в ядрах двух атомов водорода и одного атома кислорода, которые составляют молекулу H2O. Ядро каждого атома водорода состоит всего из одного протона, а ядро атома кислорода содержит 8 протонов и 8 нейтронов, что дает в сумме 18 нуклонов. Кубик чистого льда, который вы держите в руке, весит около 18 граммов[5], это масса его молекул в граммах. Таким образом, кубик представляет собой стандартную единицу измерения воды в твердом состоянии, которая называется молем.

Нам известно, что моль вещества содержит установленное количество атомов или молекул, из которых состоит это вещество. Оно называется числом Авогадро, оно чуть больше 600 миллиардов триллионов (6 × 10^23). Здесь и содержится ответ. Вес ледяного кубика у вас в ладони – это сумма масс 600 миллиардов триллионов молекул H2O, или примерно 10 800 миллиардов триллионов протонов и нейтронов (см. рис. 3)[6].

Пришлось признать, что атомы не являются неделимыми, как когда-то считали греки. Атомы можно преобразовывать, превращать из одной формы в другую. В 1905 году Эйнштейн использовал специальную теорию относительности, чтобы показать эквивалентность массы и энергии в том, что впоследствии стало самой знаменитой научной формулой Е = mc^2: энергия равна произведению массы на квадрат скорости света. При этом мысль, что масса представляет собой хранилище энергии, отнюдь не подорвала ее концепцию, а каким-то образом сделала ее еще более значительной.

Рис. 3

Кубик льда с длиной ребра 2,7 см весит около 18 г (а). Он представляет собой кристаллическую решетку, содержащую чуть больше 600 миллиардов триллионов молекул воды H2O (b). Каждый атом кислорода содержит 8 протонов и 8 нейтронов, а каждый атом водорода содержит 1 протон (c). Кубик льда, таким образом, содержит около 10 800 миллиардов триллионов протонов и нейтронов

Значительной, но не неизменной. Эйнштейн показал, что материя (масса) не сохраняется – она может превращаться в энергию. Когда атом урана-235 расщепляют бомбардировкой нейтронами, около пятой части массы одного протона превращается в энергию в результате ядерной реакции. Если взять 56-килограммовое ядро бомбы из урана-235 90-процентной чистоты, то высвобожденного количества энергии оказалось достаточно, чтобы стереть с лица земли японский город Хиросиму в августе 1945 года.

Но на самом деле Эйнштейна интересовал ответ на более глубокий вопрос. В его статье 1905 года есть намек: «Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?» Эйнштейн понимал, что формула Е = mc^2 фактически означает, что m = Е/с^2: вся инертная масса – это всего лишь иная форма энергии[7]. Далекие следствия этого наблюдения станут очевидны только через 60 лет.

В середине 1930-х годов казалось, что строительные кирпичики материи – протоны, нейтроны и электроны – дают исчерпывающий ответ на вопрос, поставленный в начале главы. Но оставалась одна проблема. Еще с конца XIX века было известно, что изотопы некоторых элементов нестабильны. Они радиоактивны: их ядра спонтанно распадаются, запуская цепную ядерную реакцию.

Есть разные виды радиоактивности. Один из них, который Резерфорд назвал бета-радиоактивностью в 1899 году, представляет собой преобразование нейтрона в ядре в протон, что сопровождается излучением высокоскоростного электрона (бета-частицы). Это естественная алхимия: изменение количества протонов в ядре неизбежно меняет его химические свойства[8].

Бета-радиоактивность подразумевает, что нейтрон – нестабильная составная частица и потому совсем не является «фундаментальной». Кроме того, возник вопрос и относительно баланса энергии в этом процессе. Энергией излучаемого электрона нельзя было объяснить всю теоретическую энергию, высвобождаемую превращением протона внутри ядра. В 1930 году Паули решил, что у него нет иного выбора, кроме как предположить, что энергия, которой «не хватает» в реакции, уходит с еще ненаблюдавшейся электрически нейтральной частицей с небольшой массой, которую в конечном итоге назвали нейтрино («нейтрончик»). В то время считалось, что обнаружить такую частицу невозможно, однако впервые она была открыта в 1956 году.

Пора было подвести итог. Одно было ясно. Материя удерживается воедино благодаря силе. Помимо силы притяжения, действующей универсально на все материальные тела, наука пришла к выводу, что есть еще три рода сил, называемых взаимодействиями, которые действуют непосредственно внутри атома.

Рис. 4

Схема взаимодействия двух электронов, как его описывает квантовая электродинамика. Электромагнитная сила отталкивания между двумя отрицательно заряженными электронами подразумевает обмен виртуальным фотоном в точке наибольшего приближения. Фотон назван виртуальным, так как его нельзя наблюдать во время взаимодействия

Взаимодействия между электрически заряженными частицами происходят благодаря электромагнетизму, хорошо известному из трудов физиков-первооткрывателей XIX века, которые, помимо многих других выдающихся достижений, заложили основы электроэнергетики. Полностью релятивистская квантовая теория электромагнитного поля, которая называется квантовой электродинамикой (КЭД), была разработана в 1948 году американскими физиками Ричардом Фейнманом и Джулианом Швингером и японским физиком Синъитиро Томонагой. В КЭД силы притяжения и отталкивания между электрически заряженными частицами переносят так называемые частицы – переносчики взаимодействий.

Например, когда два электрона сближаются друг с другом, они обмениваются частицей, которая заставляет их отталкиваться (см. рис. 4). Переносчики взаимодействия электромагнитного поля – это фотоны, квантовые частицы, из которых состоит всем известный свет. КЭД быстро добилась признания как теория, позволяющая делать беспрецедентно точные предсказания.

Осталось разобраться еще с двумя взаимодействиями. Электромагнетизм не мог объяснить, каким образом протоны и нейтроны связаны внутри атомного ядра, а также как происходит бета-распад. Эти процессы происходят в настолько разных энергетических масштабах, что никакое взаимодействие не способно учесть сразу оба. Ученые признали, что для этого требуются два разных взаимодействия – сильное ядерное, отвечающее за связь между составными частями атомного ядра, и слабое ядерное, управляющее некоторыми ядерными превращениями.

Так мы подходим к периоду в истории физики, о котором и пойдет речь в этой книге. Последующие 60 лет теоретической и экспериментальной физики элементарных частиц привели нас к созданию Стандартной модели – собранию фундаментальных квантовых теорий поля, которые описывают всю материю и все взаимодействия между материальными частицами, за исключением гравитации. Проще всего понять, что такое Стандартная модель и что она значит для понимания материального мира, можно, совершив краткий экскурс в ее историю.

Наше путешествие начинается в 1915 году в Геттингене, тихом университетском городке в Германии.

Часть первая

Изобретение

1

Поэзия логических идей

Глава, в которой немецкий математик Эмми Нетер открывает связи между законами сохранения и глубинной симметрией природы

Пожалуй, мы можем согласиться, что одна из целей науки состоит в том, чтобы объяснить, из чего состоит мир и почему он таков, каков есть. Для этого она стремится пролить свет на базовые элементы материи и управляющие ею законы природы.

Если мы согласимся с этим, тогда придется признать, что не все «законы» одинаковы. В XVII веке Иоганн Кеплер долго корпел над астрономическими данными, которые добросовестно собрал Тихо Браге, и в конце концов вывел три закона, управляющие движением планет вокруг Солнца. Эти законы очень убедительны, но они не дают более глубокого объяснения, не сообщают причины, почему планеты обращаются вокруг Солнца именно таким образом. Это объяснил закон всемирного тяготения Исаака Ньютона. Закон всемирного тяготения простоял непоколебимо еще 200 лет, прежде чем в конечном итоге его не сменило взаимодействие материи и искривленного пространства-времени в общей теории относительности Эйнштейна.

Итак, что же это за фундаментальные законы? Пожалуй, на этот вопрос ответить не так уж трудно. Большая часть наших знаний о природе окружающего мира основана на нескольких обманчиво простых законах сохранения. Древние греки считали, что вещество не уничтожается. Они были почти правы. Позднее Эйнштейн показал, что вещество можно преобразовать в энергию, а из энергии может родиться вещество.

Вещество (в форме материальной субстанции) не сохраняется, зато сохраняется энергия массы. Как бы мы ни старались, мы не можем ни создать, ни уничтожить энергию. Мы можем только превратить ее из одного вида в другой. Во всех физических взаимодействиях всех мыслимых форм энергия сохраняется.

Также сохраняется и импульс, то есть масса объекта, умноженная на его скорость движения по прямой. На первый взгляд кажется, что это противоречит опыту. На популярном аттракционе тележка с любителями острых ощущений мчится горизонтально по рельсам на высокой скорости[9]. Рельсы закручиваются в мертвую петлю. Тележка с пассажирами взбирается по крутому склону, теряя скорость, прежде чем замедлиться и остановиться. Гравитация тянет ее назад и вниз по рельсам. Тележка набирает скорость и делает мертвую петлю задом наперед, после чего окончательно останавливается. То есть кажется довольно очевидным, что импульс не сохраняется в процессе того, как тележка поднимается по рельсам и останавливается.

Однако не все так очевидно. Когда тележка теряет скорость, остальной мир под ней, с которым она невидимо связана, набирает скорость, таким образом импульс сохраняется.

Также сохраняется и момент импульса, момент вращения тел, который рассчитывается как импульс, умноженный на расстояние до центра вращения. Фигуристка входит во вращение, вытянув в стороны руки и одну ногу.

Когда она прижимает руки и ноги к центру массы, она уменьшает расстояние до центра вращения и вращается быстрее. Это сохранение момента импульса в действии.

Как показывает пример с импульсом, законы сохранения не самоочевидны. Их пытались сформулировать в течение многих веков, но для этого нужно сначала четко представлять себе, о сохранении какой именно величины идет речь. А концепция энергии была как следует сформулирована и понята лишь в XIX веке.

Законы сохранения в их современном виде представляют собой итог многолетних проб и ошибок, экспериментов и теоретических построений. Это фундаментальные законы, но в каком-то смысле и эмпирические – они выводятся из наблюдений и экспериментов, а не из некой глубокой, основополагающей теоретической модели мира. А может быть, есть какой-то более фундаментальный принцип, из которого могло бы автоматически следовать сохранение энергии и импульса?

В 1915 году немецкий математик Амалия Эмми Нетер именно так и подумала.

Нетер родилась в баварском городе Эрлангене в марте 1882 года. Ее отец Макс Нетер преподавал математику в Эрлангенском университете, и в 1900 году Эмми поступила в университет, став одной из двух его студенток женского пола. Как во всех тогдашних учебных заведениях Германии, в университете не поощрялось обучение женщин, и Эмми перед началом занятий приходилось получать разрешение на допуск у преподавателей.

Окончив университет в Эрлангене летом 1903 года, она провела зиму в Геттингенском университете. Там она посещала лекции ведущих математиков Германии, в том числе Давида Гильберта и Феликса Клейна. Потом она вернулась в Эрланген, чтобы работать над диссертацией, и в 1908 году стала бесплатным лектором в университете.

Нетер заинтересовала работа Гильберта, и она опубликовала несколько статей, расширив некоторые его методы абстрактной алгебры. Статьи произвели впечатление на Гильберта и Клейна, и в начале 1915 года ученые предложили принять ее на работу на кафедру в Геттингенском университете.

Однако они встретили упорное сопротивление.

«Что будут думать наши солдаты, когда вернутся в университет и увидят, что им придется слушать поучения женщины?» – спрашивали университетские консерваторы.

«Не понимаю, как пол кандидата может быть доводом против ее принятия в качестве приват-доцента[10], – возразил Гильберт. – В конце концов, мы в университете, а не в бане»[11].

Гильберт настоял на своем, и в апреле 1915 года Нетер переехала в Геттинген.

Вскоре после приезда Нетер сформулировала теорему, которая впоследствии стала одной из самых знаменитых в физике.

Нетер пришла к выводу, что принципы сохранения физических количеств, таких как энергия и импульс, можно проследить до законов, описывающих их в отношении к действию некоторых непрерывных преобразований симметрии. Законы сохранения – это проявления глубинной симметрии природы.

Обычно мы представляем себе симметрию как зеркальное отражение: схожесть между левой и правой стороной, верхней и нижней, передней и задней. Мы называем что-то симметричным, если оно выглядит точно так же по другую сторону от некоего центра, или оси симметрии. В данном случае преобразование симметрии – это акт отражения объекта как бы в зеркале. Если объект неизменен (инвариантен) после такого действия, мы говорим, что он симметричен.

Рис. 5

Обычно мы представляем себе симметрию как зеркальное отражение и называем что-то симметричным, если оно выглядит одинаковым по обе стороны от некоего центра, или оси симметрии. Элизабет Херли наглядно показывает связь между симметрией лица и классическим представлением о красоте. Источник: © Peter Steffen/dpa/Corbis

Например, симметрия лица, по-видимому, очень глубоко вплетена в наше восприятие красоты и привлекательности человека и на подсознательном уровне служит индикатором хорошей генетики. У тех, кто считается красивым, чаще бывает более симметричное лицо, а люди, вообще говоря, склонны спариваться с теми, кого считают красивыми (см. рис. 5)[12].

Такие примеры преобразования симметрии называются дискретными. Для них требуется мгновенно «переключиться» с одной стороны на другую, с левой на правую. В теореме Нетер рассмотрены самые разные виды преобразования симметрии. Они включают длительные, постепенные изменения, например непрерывное вращение по кругу. Совершенно очевидно, что, если повернуть круг на бесконечно малый угол, измеренный из центра, он будет выглядеть неизменившимся. Круг симметричен относительно непрерывного вращения. Квадрат в этом же смысле не симметричен. Однако он вполне симметричен относительно дискретного вращения на 90° (рис. 6).

Рис. 6

Непрерывное преобразование симметрии означает небольшое постепенное изменение непрерывной переменной, например расстояния или угла. (a) Когда мы поворачиваем круг на небольшой угол (δ), он представляется неизменным (инвариантным), и мы говорим, что он симметричен относительно подобных преобразований.

(b) Квадрат, напротив, несимметричен в этом смысле. Квадрат симметричен относительно дискретного вращения на 90°

Теорема Нетер соединяет каждый закон сохранения с непрерывным преобразованием симметрии. Она обнаружила, что управляющие энергией законы инвариантны относительно непрерывных изменений, или трансляций во времени. Иными словами, математические отношения, описывающие динамику энергии в физической системе в какой-то момент времени t, будут точно такими же и через бесконечно малый промежуток времени.

Значит, эти законы не меняются со временем, а это есть именно то, что требуется отношениям между физическими свойствами, которые мы хотим поднять на уровень фундаментальных законов. Эти законы одинаковы для вчерашнего, сегодняшнего и завтрашнего дня, что в высшей степени обнадеживает. Если описывающие энергию законы не меняются со временем, тогда энергия должна сохраняться.

Применительно к импульсу Нетер показала, что законы инвариантны к непрерывным трансляциям пространства. Законы, управляющие сохранением импульса, не зависят от положения в пространстве. Они одинаковы здесь, там и везде. Для момента импульса законы инвариантны относительно преобразований вращения, как в вышеописанном примере с кругом. Они одинаковы безотносительно угла направления, измеренного от центра вращения.

Работая над теоремой, Нетер рассуждала примерно так. В физике есть определенные количества, которые, как следует из внимательных наблюдений и экспериментов, сохраняются. Сильно постаравшись, физики вывели законы, управляющие этими количествами. Как оказалось, законы инвариантны определенным непрерывным преобразованиям симметрии. Такая инвариантность означает, что эти количества должны сохраняться.

Эти рассуждения можно перевернуть и наоборот. Предположим, есть физическое количество, которое, как нам кажется, сохраняется, но для которого еще не объяснены законы, управляющие его поведением. Если физическое количество действительно сохраняется, то законы – каковы бы они ни были – должны быть инвариантны некоему непрерывному преобразованию симметрии. Если получится открыть, что это за симметрия, мы уже будем на полпути к открытию законов.

Перевернув рассуждения Нетер, мы избавляемся от необходимости долго гадать и тыкать пальцем в небо. Физики получили подход к формулированию законов, который позволял исключить целые виды возможных математических структур. Тот, кто найдет симметрию, связанную с неким физическим количеством, найдет короткий путь к ответу.

Одно такое физическое количество, которое, казалось, строго сохранялось, но не описывалось еще соответствующим законом сохранения, действительно существовало. Это был электрический заряд.

О феномене статического электричества знали еще философы Древней Греции. Они обнаружили, что можно генерировать электрический заряд и даже искры, если потереть о мех некоторые вещества, например янтарь. У научного исследования электричества долгая и блестящая история, в которой участвовали многие герои. Но только английский физик Майкл Фарадей, работавший в лондонском Королевском институте, соединил множество наблюдений в одно ясное представление о природе электрического заряда. Результаты многочисленных экспериментов неизбежно приводили к выводу, что электрический заряд нельзя ни создать, ни уничтожить ни в одном физическом или химическом преобразовании. Заряд всегда сохраняется.

Уже было открыто множество законов и правил, управляющих электрическим зарядом и его еще непонятной связью с магнетизмом, – это законы Кулона, Гаусса, Ампера, Био – Савара – Лапласа, Фарадея и так далее. В начале 1860-х шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл сделал для теории электромагнетизма то, что Ньютон сделал для теории движения планет. Он осуществил смелый теоретический синтез, подобно тому как Фарадей синтезировал данные экспериментов. Красивые уравнения Максвелла в тесном объятии связали электрическое и магнитное поля, создаваемые движущимся электрическим зарядом[13].

Уравнения также продемонстрировали, что все электромагнитное излучение, включая свет, можно описать в виде движения волны со скоростью, которая рассчитывается из известных физических постоянных. Это электрическая постоянная, физическая величина, определяющая способность вакуума передавать или «разрешать» электрическое поле, генерируемое электрическим зарядом, и магнитная постоянная, определяющая проницаемость вакуума для магнитного поля, окружающего движущийся электрический заряд. Когда Максвелл соединил эти постоянные в соответствии со своей новой теорией электромагнитного поля, он получил, что скорость «электромагнитных волн» равна скорости света.

Однако уравнения Максвелла имеют дело с полями, которые генерирует электрический заряд, а не с самим зарядом. Они тесно связаны, но уравнения в принципе не позволяют понять причины сохранения заряда. В свете теоремы Нетер поиск законов, управляющих электрическим зарядом, стал поиском глубинного непрерывного преобразования симметрии, относительно которой законы инвариантны.

Поиск продолжил немецкий математик Герман Вейль.

Вейль родился в 1885 году в Эльмсхорне, городке недалеко от Гамбурга, и получил докторскую степень под руководством Гильберта в Геттингене в 1908 году. Затем он получил должность профессора в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, где познакомился с Альбертом Эйнштейном и где его увлекли вопросы математической физики.

Работая над общей теорией относительности в 1915 году, Эйнштейн отказался от всякого понятия абсолютного пространства и времени. Он утверждал, что физика, напротив, должна быть основана исключительно на расстояниях между точками и искривлении пространства-времени в каждой точке. Этот эйнштейновский принцип общей ковариантности и вытекающая из него теория гравитации инварианты произвольным изменениям системы координат. Иными словами, хотя существуют физические законы природы, во Вселенной не существует «природной» системы координат. Мы сами изобретаем системы координат, которые помогают описывать физические явления, но законы не должны зависеть (и не зависят) от этого произвольного выбора.

Есть два способа изменить систему координат. Можно сделать глобальное изменение, которое применяется одинаково ко всем точкам пространства и времени. Пример такого глобального преобразования симметрии – это равномерный сдвиг параллелей и меридианов, которые используют картографы для составления карт земной поверхности. Если изменение одинаково везде и применяется последовательно по всему земному шару, это никак не повлияет на нашу способность дойти из одной точки в другую.

Но изменения бывают и локальными, отличающимися для разных координат в разных точках пространства-времени. Например, в одной части пространства мы могли бы повернуть оси нашей системы координат под небольшим углом и в то же время изменить масштаб. При условии, что это изменение транслировано вплоть до меры различий в положении и времени, оно не влияет на предсказания общей теории относительности. Следовательно, общая ковариантность – это пример инвариантности локального преобразования симметрии.

Вейль долго и упорно размышлял над теоремой Нетер и работал над теорией групп непрерывного преобразования симметрии, называемых группами Ли в честь норвежского математика XIX века Софуса Ли. В 1918 году он пришел к выводу, что законы сохранения связаны с локальными преобразованиями симметрии, которые он назвал общим термином калибровочная симметрия – довольно непонятным, к сожалению. Руководствуясь трудами Эйнштейна, он рассматривал симметрию в отношении расстояния между точками в пространстве-времени, как в примере с поездом, движущимся по рельсам, и неподвижным измерительным прибором.

Вейль нашел, что, обобщив принцип общей ковариантности до калибровочной инвариантности, он мог использовать теорию Эйнштейна как основание для того, чтобы вывести уравнения Максвелла. Казалось, он открыл теорию, которая могла объединить два взаимодействия, известные в то время науке, – электромагнитное и гравитационное. Тогда инвариантность, тождественная законам сохранения, была бы связана с произвольными изменениями «калибровки» полей. Таким образом Вейль надеялся продемонстрировать сохранение энергии, импульса и момента импульса и электрического заряда.

Сначала Вейль относил калибровочную инвариантность за счет самого пространства. Но, как вскоре показал Эйнштейн, это значило, что измеренные длины стержней и показания часов будут зависеть от того, что недавно с ними происходило. Часы, передвинутые на другое место в комнате, уже не смогут верно показывать время. Эйнштейн написал Вейлю и посетовал: «Не считая расхождения с реальностью, [ваша теория] в любом случае есть грандиозное достижение ума»[14].

Вейля беспокоила эта критика, но он считал, что в таких делах можно положиться на интуицию Эйнштейна. Он отказался от своей теории.

Австрийский физик Эрвин Шредингер поступил на кафедру Цюрихского университета через три года, в 1921 году. Всего через несколько месяцев врачи заподозрили у него легочный туберкулез и прописали ему полный покой. Шредингер с женой Анни поселились на вилле на альпийском курорте Ароза, недалеко от модного лыжного курорта Давос, где пробыли девять месяцев.

Пока Анни выхаживала Шредингера, он размышлял о значении калибровочной симметрии Вейля и, в частности, о периодическом калибровочном множителе, который встречался в теории Вейля. В 1913 году датский физик Нильс Бор опубликовал свою модель строения атома, в которой электроны обращаются вокруг ядра без изменения энергии, которую характеризует их квантовое число. Это целое число определяет энергию орбиты, увеличиваясь в линейной последовательности (1, 2, 3, …) от внутренней к внешней орбите. В то время их происхождение полностью покрывала тайна.

Шредингера поразило то, что может существовать связь между периодичностью, которую подразумевал калибровочный множитель Вейля, и периодичностью, которую подразумевали квантованные атомные орбиты Бора. Он проверил несколько возможных форм для калибровочного множителя, в том числе ту, которая содержала комплексное число, полученное умножением обычного числа на мнимое число i – квадратный корень из –1[15]. В статье 1922 года он предположил, что эта связь имеет глубокое физическое значение. Но это были лишь смутные интуитивные догадки. Реальное значение связи будет ускользать от него до тех пор, пока он не изучит докторскую диссертацию французского физика Луи де Бройля 1924 года.

Де Бройль предположил, что, если электромагнитные волны с виду ведут себя, как частицы[16], может быть, частицы, например электроны, могут вести себя как волны. Что бы это ни было, эти «материальные волны» отнюдь нельзя считать похожими на знакомые нам явления, как, например, звуковые волны или волны на поверхности воды. Де Бройль пришел к выводу, что «материальная волна» «представляет собой распространение в пространстве фазы, то есть это «фазовая волна»[17], [18].

Шредингер задумался: как будет выглядеть электрон, если математически описать его как волну? На Рождество 1925 года он снова уехал в Арозу. Его отношения с женой совсем разладились, и потому он решил взять с собой старую подружку из Вены. Еще он взял с собой записи по поводу диссертации де Бройля. К возвращению 8 января 1926 года Шредингер уже открыл волновую механику, теорию, которая описывает электрон как волну и орбиты атомной модели Бора с точки зрения волновой функции электрона.

Теперь уже было можно провести связь. Возьмем пример группы Ли – группу симметрии U(1), называемую унитарной группой преобразований с единственной комплексной переменной. Она включает преобразования симметрии, которые в основном полностью аналогичны преобразованиям типа непрерывного вращения в круге. Но круг изображается на двухмерной плоскости, образованной «настоящими» измерениями, тогда как преобразования группы U(1) подразумевают вращение в двухмерной комплексной плоскости. Она образована двумя «настоящими» измерениями, одно из которых умножено на i.

Есть еще один способ представить эту группу симметрии – с точки зрения непрерывных преобразований фазового угла синусоидальной волны (см. рис. 7). Разные фазовые углы соответствуют разным амплитудам волны в цикле ее пиков и спадов. Калибровочная симметрия Вейля сохраняется, если фазовые изменения волновой функции электрона соответствуют изменениям сопутствующего электромагнитного поля. Сохранение электрического заряда можно проследить до локальной фазовой симметрии волновой функции электрона.

Связь между волновой механикой и калибровочной теорией Вейля стала явной в 1927 году благодаря немецкому теоретику Фрицу Лондону и советскому физику Владимиру Фоку. В 1929 году Вейль переформулировал и расширил свою теорию в контексте квантовой механики.

Рис. 7

Группа симметрии U(1) – это унитарная группа преобразований с единственной комплексной переменной. В комплексной плоскости, образованной одной настоящей и одной мнимой осью, можно указать любое комплексное число на окружности круга, образованного вращением линии, которая проведена из начала к точке под углом θ, который эта линия составляет с настоящей осью. Эта непрерывная симметрия тесно связана с простым волновым движением, в котором фазовый угол равен углу θ

Корпускулярно-волновой дуализм де Бройля подразумевал, что электрон следует рассматривать одновременно и как волну, и как частицу. Но как это может быть? Частицы – это локализованные фрагменты материи, а волны – нелокализованные возмущения среды (представьте себе рябь на пруду от брошенного камня). Частица находится «здесь», волна – «везде».

Одно из физических следствий корпускулярно-волнового дуализма состоит в том, что мы не можем одновременно с точностью установить местоположение и импульс (особенно скорость и направление) квантовой частицы. Подумайте об этом. Если можно с точностью измерить положение волны-частицы, это значит, что она локализована в пространстве и времени. Она «здесь». Для волны это возможно только в том случае, если ее образует сочетание множества волновых форм с разной частотой, так что они складываются и образуют волну, которая крупнее в одной точке пространства и меньше во всех остальных. В таком случае можно установить ее положение, но за счет полной неопределенности частоты волны, так как волна состоит из множества волн с самыми разными частотами.

Однако в гипотезе де Бройля обратная частота волны прямо связана с импульсом частицы[19]. Неопределенность частоты, таким образом, означает неопределенность импульса.

Обратное также верно. Если мы хотим точно знать частоту волны и, следовательно, импульс частицы, нам нужна единственная волна с единственной частотой. Но тогда мы не можем ее локализовать. Волна-частица остается распространенной в пространстве, и мы уже не можем измерить ее точное положение.

Эта неопределенность положения и импульса легла в основу знаменитого принципа неопределенности, открытого немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Это прямое следствие дуализма элементарных квантовых объектов, которые ведут себя одновременно и как волна, и как частица.

Вейль вернулся в Геттинген в 1930 году и занял профессорскую должность, освободившуюся после ушедшего на покой Гильберта. Там он работал вместе с Нетер, которая все это время оставалась в Геттингене, за исключением короткого академического отпуска зимой 1928/29 года, проведенного в Московском государственном университете.

В январе 1933 года канцлером Германии стал Адольф Гитлер. Через несколько месяцев национал-социалистское правительство приняло Закон о восстановлении профессионального чиновничества, первый из четырехсот подобных законов. Он давал нацистам юридические основания для того, чтобы запретить евреям занимать должности на государственной службе, в том числе научные в немецких университетах.

Вейль был женат на еврейке и уехал из Германии в США, чтобы вместе с Эйнштейном работать в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат НьюДжерси. Нетер была еврейкой и была уволена из Геттингенского университета. Она так и не стала полноправным профессором. Нетер уехала в Брин-Мор-колледж – гуманитарное учебное заведение в Пенсильвании. Два года спустя она умерла в возрасте 53 лет.

В некрологе, вышедшем в газете «Нью Йорк таймс» вскоре после ее смерти, Эйнштейн писал: «По мнению самых авторитетных математиков из еще живущих, фрейлейн Нетер обладала огромнейшим творческим и математическим гением, который мы видели с тех пор, как женщины стали получать высшее образование. В области алгебры, которой многие века занимались самые одаренные математики, она открыла методы, сыгравшие безмерно важную роль для развития молодого поколения математиков. Чистая математика является в своем роде поэзией логических идей. Человек стремится к самым общим идеям, которые объединяет в простой, логичной и унифицированной форме в самый большой круг формальных отношений. В этом стремлении к логической красоте открываются духовные формулы, необходимые для более глубокого проникновения в законы природы»[20].

2

Слабое оправдание

Глава, в которой Янг Чжэньнин и Роберт Миллс пытаются вывести теорию квантового поля для сильного ядерного взаимодействия и выводят из себя Вольфганга Паули

Когда Дирак успешно соединил квантовую теорию и специальную теорию относительности Эйнштейна в 1927 го ду, в результате были открыты спин электрона и антивещество. Уравнение Дирака по праву считалось достойным всяческого восхищения, но вскоре стало понятно, что на этом история закончиться не может.

Физики начали понимать, что им нужна полностью разработанная релятивистская теория квантовой электродинамики, КЭД. По сути дела, она стала бы квантовым вариантом максвелловских уравнений, удовлетворяющим эйнштейновской специальной теории относительности. Такая теория неизбежно должна была включить в себя квантовый вариант теории электромагнитного поля.

Некоторые физики считали, что поля имеют более фундаментальную природу, чем частицы. По их мнению, верное описание квантового поля должно содержать частицы в качестве «квантов» самого поля, переносящих взаимодействие от одной частицы к другой. Казалось очевидным, что фотон – это частица квантового электромагнитного поля, которая возникала и уничтожалась при взаимодействии заряженных частиц.

Немецкий и австрийский физики Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули разработали вариант именно квантовой теории поля в 1929 году. Но в нем оставалась одна большая проблема. Физики обнаружили, что не могут точно решить уравнения полей. Иными словами, они не могли записать решение уравнений полей в виде единственного самостоятельного математического выражения, применимого в любых обстоятельствах.

Гейзенбергу и Паули пришлось прибегнуть к альтернативному подходу к решению уравнений полей, основанному на так называемой теории возмущения. При этом подходе уравнение преобразуется в виде суммы потенциально бесконечного ряда членов x^0 + x^1 + x^2 + x^3 + … Ряд начинается с выражения нулевого порядка (или отсутствия взаимодействия), которое имеет точное решение. К нему прибавляются дополнительные члены (возмущающие), которые представляют собой поправки первого порядка (x^1), второго порядка (x^2), третьего порядка (x^3) и так далее. В принципе каждый член разложения является все меньшей и меньшей поправкой к решению нулевого порядка, и таким образом решение постепенно приближается к фактическому результату. Точность окончательного результата зависит от участвующих в расчете количества возмущающих членов.

Но вместо того чтобы находить все более мелкие поправки, Гейзенберг и Паули обнаружили, что иногда количество возмущающих членов разрастается до бесконечности. Применительно к квантовой теории электрона было установлено, что эти члены возникают из собственной энергии электрона вследствие того, что электрон взаимодействует со своим собственным электромагнитным полем.

Очевидного решения не было.

На этом дело застопорилось. В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон. В следующие после открытия годы итальянский физик Энрико Ферми использовал высокоэнергетические нейтроны для бомбардировки атомов разных химических элементов в поиске интересной новой физики. Озадаченные некоторыми результатами экспериментов Ферми, немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман исследовали продукт нейтронной бомбардировки атомов урана. В сочельник 1938 года они обсудили эти еще более озадачивающие результаты с давнишней коллегой Гана Лизой Мейтнер и ее племянником, физиком Отто Фришем, высланными из нацистской Германии. Итогом их оживленной дискуссии стало открытие реакции расщепления ядра.

Об этом зловещем открытии объявили в январе 1939 года, всего за девять месяцев до начала Второй мировой войны. Физики превратились из заумных чудиков в важнейший военный ресурс национальных государств и приступили к работе над тем, чтобы превратить ядерное расщепление в самое ужасное оружие в мире.

Когда в 1947 году наконец пришла пора снова обратить внимание на нерешенные вопросы квантовой электродинамики, теоретическая физика просуществовала в упадке и забвении почти два десятка лет.

Но тут опять случился грандиозный творческий взрыв. В июне 1947 года группа ведущих американских физиков собралась на небольшую конференцию «только для своих» в маленькой дощатой гостинице «Голова барана» в Шелтер-Айленде, на восточной стороне нью-йоркского ЛонгАйленда.

Это было блестящее собрание. На нем присутствовали Роберт Оппенгеймер, «отец» атомной бомбы, Ханс Бете, возглавлявший теоретический отдел в Лос-Аламосской лаборатории[21], Виктор Вайскопф, Исидор Раби, Эдвард Теллер, Джон ван Флек, Джон фон Нейман, Уиллис Лэмб и Хендрик Крамерс. Новое поколение физиков представляли Джон Уилер, Абрахам Пайс, Ричард Фейнман, Джулиан Швингер и бывшие ученики Оппенгеймера Роберт Сербер и Дэвид Бом. Эйнштейна приглашали, но он отказался из-за плохого самочувствия.

На конференции физики услышали о некоторых тревожных результатах новых экспериментов. Энергия одного из квантовых состояний атома водорода, как оказалось, слегка сдвигается относительно другого, и этот феномен назвали лэмбовским сдвигом по имени открывшего его Уиллиса Лэмба. Теория Дирака предсказывала, что оба состояния должны иметь абсолютно одинаковую энергию.

Но это еще не все. Раби объявил, что измеренный g-фактор электрона – физическая постоянная, характеризующая силу взаимодействия электрона с магнитным полем, – имеет значение порядка 2,00244, тогда как теория Дирака предсказывала, что g-фактор равен 2.

Такие результаты просто нельзя было предсказать без тщательно разработанной КЭД. Складывалось впечатление, что, несмотря на все проблемы теории, связанные с ее математической структурой, у самой природы нет проблем с бесконечностями. Физикам нужно было найти способ каким-то образом их обойти.

Дискуссия продолжалась за полночь. Ученые разбились на группы по двое-трое, по коридорам разносилось эхо споров, в которые вернулась научная страстность. Швингер позднее заметил: «В первый раз люди, которые пять лет держали всю эту физику в себе, смогли говорить друг с другом без того, чтобы кто-нибудь заглядывал им через плечо и говорил: «А с этого уже снят гриф се кретности?»[22]

Тогда затеплилась надежда. Голландский физик Крамерс коротко изложил новый подход к исследованию массы электрона в электромагнитном поле. Он предложил рассматривать собственную энергию электрона как дополнение к его массе.

После конференции Бете вернулся в Нью-Йорк и сел на поезд до Скенектеди, где был внештатным консультантом «Дженерал электрик». Сидя в поезде, он размышлял над уравнениями КЭД. Тогдашние теории КЭД предсказывали бесконечный лэмбовский сдвиг как следствие самодействия электрона. По предложению Крамерса Бете рассмотрел бесконечный член в разложении возмущения как эффект электромагнитной массы. Как же теперь от него избавиться?

Бете рассудил, что можно было бы его просто вычесть. Разложение возмущения для электрона, связанного в атоме водорода, включает в себя бесконечный член. Но разложение для свободного электрона также включает в себя такой же бесконечный член. Почему просто не вычесть один ряд возмущений из другого, таким образом избавившись от бесконечных членов? Кажется, что вычитание бесконечности из бесконечности должно дать в ответе бессмыслицу[23], но Бете обнаружил, что в простом, нерелятивистском варианте КЭД такое вычитание дает гораздо более упорядоченный результат, хотя и не свободный от проблем. Он пришел к выводу, что в КЭД, которая полностью удовлетворяет эйнштейновской специальной теории относительности, эта процедура перенормировки полностью устранит проблему и даст реалистический с точки зрения физики ответ.

Поскольку эта процедура отчасти привела уравнения в порядок, Бете смог приблизительно прикинуть ожидаемую величину лэмбовского сдвига. У него были сомнения насчет фактора 2, который он ввел в вычисление, и, добравшись до исследовательской лаборатории «Дженерал электрик», он ненадолго заглянул в библиотеку и убедился, что память его не подвела. Его предварительный результат расчета лэмбовского сдвига оказался всего на 4 процента больше, чем полученный экспериментально, о котором Лэмб сообщил на конференции в ШелтерАйленд.

Бете явно на что-то напал.

Разработка окончательной релятивистской теории КЭД, которую можно было перенормировать подобным образом, потребовала несколько больше времени. Когда состоялась следующая конференция в марте 1948 года в гостинице «Поконо-Мэнор-Инн» в Поконо недалеко Скрэнтона, штат Пенсильвания, Швингер описал свой вариант во время марафонского пятичасового заседания. Его математические выкладки были практически непостижимы. Кажется, только Ферми и Бете удалось проследить за его выводами до конца.

Фейнман, нью-йоркский соперник Швингера, тем временем разработал сильно отличающийся, гораздо более интуитивный подход к описанию и учету поправок (возмущений) в КЭД. Оба не понимали подходов друг друга, но, когда после выступления Швингера они сравнили свои записи, оказалось, что они пришли к одинаковым результатам. «Тогда я понял, что не сошел с ума», – сказал Фейнман[24].

Вопрос был как будто решен, но вскоре после возвращения с конференции в Поконо Оппенгеймер получил письмо от японского физика Синъитиро Томонаги, из которого узнал еще об одном успешном подходе к КЭД. Томонага использовал аналогичные швингеровским методы, но его математические выкладки казались гораздо более прямолинейными. Сложилась довольно запутанная ситуация. Все эти очень разные подходы к релятивистской теории КЭД дали одинаковые ответы, но никто до конца не понял почему.

Вызов принял молодой английский физик Фримен Дайсон. 2 сентября 1948 года он сел на автобус, едущий из Беркли, что неподалеку от Сан-Франциско в Калифорнии, на Восточное побережье США. «На третий день пути случилось нечто замечательное, – написал он родителям через несколько недель. – Я вошел в какой-то полутранс, как это бывает после двух суток в автобусе, и очень глубоко задумался о физике и, в частности, о соперничающих теориях Швингера и Фейнмана. Постепенно мысли стали проясняться, и не успел я понять, что случилось, как вдруг решил проблему, над которой ломал голову весь год, а именно доказал эквивалентность двух теорий»[25].

В результате появилась полностью релятивистская теория КЭД, которая с поразительной точностью предсказывает результаты экспериментов. По предсказанию КЭД, g-фактор электрона имеет значение 2,00231930476. Сравнимое значение, полученное экспериментально, равно 2,00231930482[26]. «Чтобы вы представили себе, насколько точны эти числа, – позднее писал Фейнман, – это равносильно тому, как если бы вы измерили расстояние от ЛосАнджелеса до Нью-Йорка с точностью толщины человеческого волоса»[27].

Успех КЭД создал несколько важных прецедентов. Казалось, что правильное описание фундаментальных частиц и их взаимодействий содержится в квантовой теории поля, в которой взаимодействие переносится частицами поля. Подобно максвелловской теории электромагнетизма, КЭД – это U(1) – калибровочная теория, в которой локальная U(1) фазовая симметрия волновой функции электрона связана с сохранением электрического заряда.

Теперь на первый план вышла квантовая теория поля для сильного взаимодействия между протонами и нейтронами внутри ядра. Но здесь таилась очередная загадка. Связь между сохранением электрического заряда и электромагнетизмом – классическим или квантовым – интуитивно казалась очевидной. Чтобы создать квантовую теорию поля для сильного взаимодействия, сначала нужно было выяснить, что именно сохраняется при сильных взаимодействиях и с каким непрерывным преобразованием симметрии это связано.

Китайский физик Янг Чжэньнин считал, что количество, которое сохраняется при сильных взаимодействиях в ядре, – это изоспин.

Янг родился в 1922 году в Хэфэе, административном центре восточнокитайской провинции Аньхой. Он учился в Куньмине в Национальном юго-западном объединенном университете, образованном из Университета Цинхуа, Пекинского и Нанькайского университетов после вторжения японских сил в Китай в 1937 году. Янг закончил университет в 1942 году и через два года получил степень магистра. Стипендия, так называемая «боксерская контрибуция»[28], позволила ему в 1946 году отправиться в Чикагский университет.

В Чикаго он изучал ядерную физику под руководством Эдварда Теллера. Вдохновленный автобиографией американского изобретателя и политика Бенджамина Франклина, он взял себе второе имя Франклин, или для краткости Фрэнк. В 1948 году Янг получил докторскую степень и следующий год проработал ассистентом у Ферми. В 1949 го ду он перебрался в Институт перспективных исследований в Принстоне.

Именно в Принстоне он задумался над тем, как применить теорему Нетер для разработки квантовой теории поля для сильного взаимодействия.

Концепция изоспина, или изотопического спина, выросла из того простого факта, что массы протона и нейтрона очень близки[29]. После открытия нейтрона в 1932 году возникло объяснимое предположение, что это составная частица из протона и электрона. Было хорошо известно, что при бета-распаде происходит выброс высокоскоростного электрона прямо из ядра, в процессе чего нейтрон превращается в протон. Казалось, это означает, что в бета-распаде один из составных нейтронов как бы сбрасывает «приклеенный» к нему электрон.

Вскоре после открытия нейтрона Гейзенберг использовал ту идею, что нейтрон состоит из протона с электроном, для разработки модели протон-нейтронных взаимодействий в ядре. Она основывалась главным образом на теориях химической связи.

Гейзенберг высказал гипотезу, что протон и нейтрон связываются в ядре за счет обмена электроном между ними, при этом протон превращается в нейтрон, а нейтрон в протон. В таком случае взаимодействие между двумя нейтронами включает обмен двумя электронами, по одному в каждом «направлении».

Этот обмен предполагает, что в ядре протоны и нейтроны перестают быть самими собой и постоянно «переключаются» из одной формы в другую. Это укладывалось в цели Гейзенберга, который хотел показать, что протон и нейтрон являются всего лишь разными состояниями одной и той же частицы, различающимися лишь свойствами, присущими каждому состоянию. Разные состояния, разумеется, обладают разными электрическими зарядами, одно заряжено положительно, а другое нейтрально. Но чтобы теория заработала, в нее нужно было ввести еще одно свойство, аналогичное электронному спину.

Поэтому Гейзенберг ввел идею изоспина, который не следует путать со спином электрона. Протону (произвольно) назначена ориентация вверх, а нейтрону – вниз. Это ориентации в так называемом изоспиновом пространстве, у которого только два измерения, вверх и вниз. Превращение нейтрона в протон, таким образом, эквивалентно «повороту» спина нейтрона в изоспиновом пространстве и изменению ориентации с нижней на верхнюю.

Все это звучит очень загадочно, но во многих отношениях изоспин похож на электрический заряд. Наше близкое знакомство с электричеством не должно скрывать тот факт, что это такое же свойство, которое принимает «значения» (а не «ориентацию») в абстрактном «заряженном пространстве» с двумя направлениями – положительным и отрицательным.

Даже в качестве простой аналогии теория Гейзенберга уже была большой натяжкой. Сила химических связей, образованных обменом электронами, гораздо слабее, чем сила, связывающая протоны и нейтроны внутри ядра. Но Гейзенберг смог использовать свою теорию, чтобы применить нерелятивистскую квантовую механику непосредственно к ядру. В ряде публикаций 1932 года он сообщил о многих наблюдениях физики ядра, например относительной стабильности изотопов.

Эксперименты, проведенные всего через несколько лет, показали слабость теории. Поскольку протоны не имеют «приклеенного» электрона, модель электронного обмена Гейзенберга не допускала никакого взаимодействия между протонами. Напротив, эксперименты показали, что сила взаимодействия между протонами сравнима с силой взаимодействия между протонами и нейтронами.

Несмотря на недостатки, модель электронного обмена Гейзенберга содержала по крайней мере долю истины. От обмена электронами пришлось отказаться, но концепция изоспина сохранилась. Что касается сильного взаимодействия, протон и нейтрон, по существу, являются двумя состояниями одной и той же частицы, так же как два электронных спина. Единственная разница между ними – это изоспин.

Отдельные изоспины протонов и нейтронов можно сложить и получить полный изоспин. Эту концепцию впервые ввел физик Юджин Вигнер в 1937 году. Опубликованные работы по ядерным реакциям поддерживали мысль, что полный изоспин сохраняется, так же как сохраняется электрический заряд при физических и химических превращениях. Янг определил изоспин как локальную калибровочную симметрию, фазовую симметрию волновой функции электрона в КЭД, и начал поиск такой квантовой теории поля, в которой бы он сохранялся.

Он быстро увяз в проблемах, но поиск захватил его полностью. «Иногда одержимость в итоге оказывается полезной», – позднее заметил он[30].

Летом 1953 года он взял в Институте перспективных исследований небольшой отпуск и посетил Брукхейвенскую национальную лабораторию в Лонг-Айленде, НьюЙорк. Там он делил кабинет с молодым американским физиком Робертом Миллсом.

Миллса увлекла одержимость Янга, и они вместе стали работать над квантовой теорией поля для сильного ядерного взаимодействия. «У нас не было других, каких-то более актуальных мотивов, – рассказывал несколько лет спустя Миллс. – Мы с ним просто спросили себя: «Вот вещь, которая происходит один раз. Почему не два?»[31]

В КЭД изменения фазы волновой функции электрона в пространстве и времени компенсируются соответствующими изменениями в электромагнитном поле. Поле «отталкивает» таким образом, что фазовая симметрия сохраняется. Но новая квантовая теория поля для сильного взаимодействия должна была учитывать то, что теперь в нем участвуют две частицы. Если изоспиновая симметрия сохраняется, это значит, что сильное взаимодействие не видит разницы между протоном и нейтроном. Следовательно, изменение изоспиновой симметрии за счет, например, «поворота» нейтрона и превращения его в протон требует поля, которое «отталкивает» и таким образом восстанавливает симметрию. Поэтому Янг и Миллс ввели новое поле, которое назвали полем B, предназначенное именно для этой цели.

Простая группа симметрии U(1) недостаточна для такого рода сложности, и Янг и Миллс обратились к группе симметрии SU(2), особой унитарной группе преобразований с двумя комплексными переменными. Более крупная группа потребовалась потому, что нужно учитывать два объекта, которые могут преобразовываться друг в друга.

Кроме того, теория нуждалась в трех новых частицах поля, отвечающих за перенос сильного взаимодействия между протонами и нейтронами внутри ядра, аналогичных фотону в КЭД. Две из трех были нужны, чтобы переносить электрический заряд и отвечать за изменение заряда, происходящее во время протон-нейтронных и нейтрон-протонных взаимодействий. Янг и Миллс назвали эти частицы B+ и B—. Третья частица была нейтральной, как протон, и должна была отвечать за протон-протонные и нейтрон-нейтронные взаимодействия, в которых заряд не изменялся. Ее назвали B^0. Они обнаружили, что эти частицы поля взаимодействуют не только с протонами и нейтронами, но также и друг с другом.

К концу лета они выработали решение. Но это было решение с целым набором новых задач.

Во-первых, методы перенормировки, столь успешно использованные в КЭД, были неприменимы к теории поля, которую изобрели Янг и Миллс. Хуже того, член нулевого порядка в разложении возмущения указывал, что частицы поля должны быть безмассовыми, как фотон. Но в этом содержалось внутреннее противоречие. Гейзенберг и японский физик Хидэки Юкава еще в 1935 году предположили, что частицы короткодействующих сил, таких как сильное взаимодействие, должны быть «тяжелыми», то есть это должны быть большие, массивные частицы. Безмассовые частицы поля для сильного взаимодействия не имели никакого смысла.

Янг вернулся в Принстон. 23 февраля 1954 года он провел семинар по проделанной вместе с Миллсом работе. Среди слушателей был Оппенгеймер, а также и Паули, которые перебрались в Принстонский университет в 1940 году.

Оказалось, что Паули раньше уже рассуждал подобным же образом и пришел к таким же противоречивым умозаключениям касательно массы частиц поля. Впоследствии он отказался от этого подхода. Когда Янг записывал на доске свои уравнения, Паули подал голос.

– Какова масса этого поля B? – громко спросил он, предвосхищая ответ.

– Я не знаю, – несколько неуверенно ответил Янг.

– Какова масса этого поля B? – настойчиво повторил Паули.

– Мы думали над этим вопросом, – сказал Янг. – Он очень сложный, и пока мы не можем на него ответить.

– Это слабое оправдание, – проворчал Паули[32].

Растерянный Янг сел, и все почувствовали себя очень неловко.

– По-моему, надо дать Фрэнку продолжить, – сказал Оппенгеймер.

Янг продолжил лекцию. Паули больше не задавал вопросов, но был раздражен. На следующий день он оставил Янгу записку: «Сожалею, что вы почти исключили для меня возможность разговаривать с вами после семинара»[33].

Эта проблема просто никак не решалась. Без массы частица янг-миллсовской теории поля не укладывалась в физические предсказания. Если частицы безмассовые, как предсказывала теория, они должны быть такими же вездесущими, как фотоны, однако таких частиц никто никогда не наблюдал. Обычные методы перенормировки не работали.

И все же это была хорошая теория.

«Идея была красивая, и ее следовало опубликовать, – писал Янг. – Но какова масса калибровочной частицы?

У нас не было никаких уверенных выводов, одно только раздражение из-за того, что [этот] случай оказался гораздо более запутанным, чем электромагнетизм. Исходя из физики, мы склонялись к мнению, что заряженные калибровочные частицы не могут быть безмассовыми»[34].

Янг и Миллс опубликовали доклад с описанием своих результатов в октябре 1954 года. В нем они писали: «Здесь мы подходим к вопросу массы кванта [B], на который у нас нет удовлетворительного ответа»[35].

Пойти дальше они не смогли и занялись другими вопросами.

3

В этом никто ничего не поймет

Глава, в которой Марри Гелл-Манн открывает странность и Восьмеричный путь, Шелдон Глэшоу применяет теорию Янга – Миллса к слабому ядерному взаимодействию, и в этом никто ничего не понимает

Янг и Миллс пытались применить квантовую теорию поля к проблеме сильных взаимодействий в надежде повторить успех КЭД. Но оказалось, что теорию нельзя перенормировать и в итоге получаются безмассовые частицы, хотя они должны иметь массу. Очевидно, теория не могла быть решением для сильного взаимодействия.

А как насчет слабого ядерного взаимодействия?

Слабое взаимодействие представляло собой некую тайну. В начале 1930-х годов итальянскому физику Энрико Ферми пришлось прибегнуть к новому типу ядерного взаимодействия в детальной теории бета-радиоактивности. Он изложил свою теорию коллегам, с которыми проводил лыжный отпуск в Итальянских Альпах в Рождество 1933 года. Его коллега Эмилио Сегре впоследствии рассказал, как это было: «…Мы все сидели на одной кровати в гостиничном номере, и мне никак не сиделось, потому что я насажал синяков, пока падал на ледяной наст. Ферми полностью осознавал, насколько важно его открытие, и сказал, что, по его мнению, его запомнят по этой работе, лучшей до тех пор»[36].

Ферми провел параллель между слабым взаимодействием и электромагнитным. В итоге получилась теория, похожая на теорию электромагнетизма, и он смог вывести диапазон энергий (и, следовательно, скоростей) испускаемых бета-электронов. В 1949 году в Колумбийском университете американский физик китайского происхождения Ву Цзяньсюн провел эксперименты, показавшие, что предсказания Ферми верны. С некоторыми небольшими поправками теория Ферми остается верной и по сей день.

Ферми пришел к выводу, что взаимодействие между частицами, участвующими в бета-распаде, примерно в 10 миллиардов раз слабее электромагнитных взаимодействий между заряженными частицами. Оно действительно слабое, но все же имеет некоторые далекоидущие следствия. Из-за слабого взаимодействия нейтроны внутренне нестабильны. Нейтрон, движущийся в свободном пространстве, распадается всего через 18 минут. Это необычное поведение для частицы, считающейся фундаментальной или элементарной[37].

Конечно, прибегать к неизвестной силе природы, чтобы объяснить тип взаимодействия, – это было слишком. Но когда экспериментаторы стали внимательно просматривать «зоопарк» новых элементарных частиц, которые стали обнаруживаться среди обломков высокоэнергетических столкновений, появились свидетельства существования других видов частиц, восприимчивых к слабому взаимодействию.

В 1930-х ученому, который хотел изучать столкновения высокоэнергетических частиц, нужно было забраться на гору. Космические лучи – потоки частиц высоких энергий, приходящих из космоса, – непрерывно заливают верхние слои атмосферы. Некоторые частицы ультравысокой энергии, из которых состоят лучи, могут проникать в нижние слоя атмосферы до уровня горных вершин, где можно изучать их столкновения. Такие исследования зависят от случайного обнаружения частиц, и потому любые два события всегда имеют неодинаковые условия.

Американский физик Карл Андерсон открыл позитрон Дирака в 1932 году. Четыре года спустя он и его соотечественник Сет Неддермейер погрузили свой детектор элементарных частиц на грузовик и отправились на вершину Пайкс-Пик в Скалистых горах, примерно в 10 милях на запад от Колорадо-Спрингс[38]. В следах космических лучей физики обнаружили еще одну новую частицу. Эта частица вела себя, как электрон, но оказалось, что магнитное поле отклоняет ее гораздо меньше.

Частица отклонялась медленнее, чем электрон, и резче, чем протон на аналогичной скорости (в противоположном направлении). Физикам не осталось ничего иного, кроме как заключить, что это новый «тяжелый» электрон с массой примерно в 200 раз больше обычного электрона. Это не мог быть протон, так как масса протона примерно в 2 тысячи раз больше массы электрона[39].

Новую частицу сначала назвали мезотроном, а позднее сократили до мезона. Это было неприятное открытие. Тяжелый вариант электрона? Он не укладывался ни в одну теорию или представление о том, как должны быть организованы фундаментальные частицы природы.

В возмущении американский физик галицийского происхождения Исидор Раби хотел знать: «Кто это при казал?»[40] Уиллис Лэмб в своей Нобелевской лекции 1955 года отозвался в таком же раздраженном духе, сказав: «…Раньше тот, кто находил новую элементарную частицу, получал в награду Нобелевскую премию, но теперь такие открытия должны наказываться штрафом в 10 тысяч долларов»[41].

В 1947 году на вершине Миди-де-Бигор в Французских Пиренеях физик Бристольского университета Сесил Пауэлл со своей командой обнаружил в космических лучах еще одну новую частицу. Новая частица имела чуть большую массу, чем мезон, и была в 273 раза массивнее электрона. Она наблюдалась в положительно и отрицательно заряженных вариантах, а позднее и в нейтральных.

У физиков стали заканчиваться названия. Мезон переименовали в мю-мезон, впоследствии сокращенный до мюон[42]. Новую частицу назвали пи-мезон (пион). С усовершенствованием техники обнаружения частиц в космических лучах разверзлись хляби небесные. За пионом тут же последовали положительный и отрицательный K-мезон (каон) и нейтральная лямбда-частица. Новые названия посыпались как из рога изобилия. Отвечая на вопрос одного молодого физика, Ферми заметил: «Молодой человек, если бы я был в состоянии запомнить названия всех частиц, я пошел бы в ботаники»[43].

Каоны и лямбда-частицы вели себя довольно странно. Они встречались во множестве, что было признаком сильного взаимодействия. Они часто возникали парами, которые образовывали характерные V-образные следы. Затем они продолжали путь и распадались. Их распад занимал гораздо больше времени, чем возникновение, и это позволяло предположить, что, хотя частицы возникают благодаря сильному взаимодействию, их формами распада управляет гораздо более слабое взаимодействие, такое же, по сути дела, которое управляет радиоактивным бета-распадом.

Изоспин не мог объяснить странное поведение каонов и лямбд. Казалось, будто эти новые частицы обладают каким-то дополнительным, до тех пор неизвестным свойством.

Американский физик Марри Гелл-Манн терялся в догадках. Он понял, что может объяснить поведение новых частиц при помощи изоспина, если принять, что изоспины по какой-то причине «сдвигаются» на единицу. Это не имело никакого смысла с точки зрения физики, поэтому, чтобы объяснить сдвиг, он предложил новое свойство, которое впоследствии назвали странностью[44]. Позднее он обессмертил термин цитатой из Фрэнсиса Бэкона: «Не бы вает великой красоты без некоторой странности в пропорциях»[45].

Что бы это ни было, утверждал Гелл-Манн, странность, подобно изоспину, сохраняется в сильном взаимодействии. В сильном взаимодействии с участием обычных (то есть не странных) частиц возникновение странной частицы с странностью +1 должно сопровождаться еще одной странной частицей со странностью –1, так чтобы общая странность сохранялась. Вот почему частицы обычно встречались парами.

Сохранение странности также объясняло, почему странные частицы так долго распадались. Сразу после возникновения преобразование каждой странной частицы назад в обычную было невозможно через быстро действующее сильное взаимодействие, так как это потребовало бы изменения странности (с +1 или –1 до 0). Поэтому странные частицы не распадались довольно долго, так как на них действовало слабое взаимодействие, которое не соблюдает сохранение странности.

И никто не знал почему.

В своей эпохальной работе о бета-радиоактивности Ферми провел аналогию между слабым взаимодействием и электромагнетизмом. Он сделал примерный подсчет относительных сил, которые участвуют во взаимодействиях, использовав массу электрона в качестве критерия. В 1941 году Джулиан Швингер задумался, каковы были бы последствия, если бы Ферми допустил, что слабое взаимодействие переносит гораздо, гораздо более крупная частица. Швингер подсчитал, что если бы эта частица была в несколько сот раз массивнее протона, то слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие фактически могли быть одинаковыми. Это была первая подсказка, что слабое и электромагнитное взаимодействия удастся объединить в одно электрослабое.

Янг и Миллс обнаружили, что для того, чтобы учесть все способы взаимодействий нейтронов и протонов в ядре, им нужно три разных вида силовых частиц. В 1957 году Швингер пришел к выводу относительно слабых взаимодействий. Он опубликовал статью, в которой размышлял о том, что слабое взаимодействие переносят три частицы поля. Две из них W+ W— (как они называются сейчас) нужны, чтобы объяснить передачу электрического заряда в слабых взаимодействиях. Третья, нейтральная, частица нужна, чтобы объяснить случаи, когда заряд не передавался. Швингер полагал, что этой третьей частицей был фотон.

Рис. 8

Механизм ядерного бета-распада теперь стало возможно объяснить как распад нейтрона (n) на протон (p), с испусканием виртуальной W—-частицы. W—-частица затем распадается на электрон (e—) и антинейтрино (ν—е)

Согласно модели Швингера, бета-радиоактивность происходит следующим образом. Нейтрон распадается, испуская массивную W—-частицу и превращаясь в фотон. Короткоживущая частица W— в свою очередь распадается на высокоскоростной электрон (бета-частицу) и антинейтрино (см. рис. 8).

Швингер попросил одного из своих студентов в Гарварде поработать над этой проблемой.

Шелдон Глэшоу, сын еврейских иммигрантов из России, родился в США. В 1950 году он закончил научную школу в Бронксе вместе с одноклассником Стивеном Вайнбергом. Вместе с Вайнбергом он поступил в Корнеллский университет и получил степень бакалавра в 1954 году, а затем стал одним из аспирантов Швингера в Гарварде.

Тяжелые W-частицы, которые Швингер гипотетически предположил, должны были переносить электрический заряд. Как вскоре понял Глэшоу, этот простой факт означал, что на самом деле невозможно отделить теорию слабого взаимодействия от теории электромагнетизма. «Мы должны предположить, – писал он в приложении к докторской диссертации, – что удовлетворительная теория этих взаимодействий может быть создана, только если рассматривать их вместе»[46].

Глэшоу обратился к той же квантовой теории поля SU(2), разработанной Янгом и Миллсом, приняв на веру утверждение Швингера, что три частицы слабого взаимодействия – это две тяжелые W-частицы и фотон. Какое-то время он считал, что ему удалось разработать объединенную теорию слабого и электромагнитного взаимодействия. Больше того, он думал, что его теорию можно перенормировать.

Однако на самом деле он допустил ряд ошибок. Когда они обнаружились, он понял, что теория слишком много требует от фотона. Он решил увеличить симметрию, перемножив калибровочное поле Янга – Миллса SU(2) с калибровочным полем электромагнетизма U(1), что записывается в виде SU(2) × U(1). Он получил не полностью объединенное электрослабое взаимодействие, а скорее их «смесь», но у нее то преимущество, что она освободила фотон от необходимости отвечать за слабое взаимодействие.

Теории все еще требовался нейтральный переносчик слабого взаимодействия. У Глэшоу было уже три массивных частицы слабого взаимодействия, эквивалентных триплету B-частиц, впервые введенных Янгом и Миллсом. Это были W+, W— и Z0[47].

В марте 1960 года Глэшоу читал лекции в Париже. Там он столкнулся с Гелл-Манном, который взял академический отпуск в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) и преподавал в Коллеж де Франс приглашенным профессором. Как-то за обедом Глэшоу описал ему свою теорию SU(2) × U(1). Гелл-Манн предложил ему поддержку. «То, что вы делаете, – это хорошо, – сказал ему Гелл-Манн, – но в этом никто ничего не поймет»[48].

Понял кто-нибудь что-нибудь или нет, но физическое сообщество в основном не впечатлилось теорией Глэшоу. Как открыли Янг и Миллс, теория поля SU(2) × U(1) предсказывала, что переносчики слабого взаимодействия должны быть безмассовыми, как фотон. Если массы вставлялись в уравнения «вручную», это всегда приводило к тому, что теория оставалась неренормируемой. Глэшоу, как раньше Янг и Миллс, не смог решить, каким образом частицы поля приобретают массу.

Но на этом затруднения не закончились. Взаимодействия элементарных частиц включают распад одной или более частиц или их реакцию друг с другом, в результате чего возникают новые частицы. Когда в этих взаимодействиях участвуют заряженные частицы-посредники, их реакции называются заряженными токами, так как заряд в них «течет» от начальной к конечной частице. Физики ждали, что нейтральный переносчик взаимодействия Z^0 проявит себя экспериментально в виде взаимодействий, не влекущих изменения заряда, которые называются нейтральными токами. Никаких свидетельств каких-либо подобных токов не нашлось в распаде странных частиц, который к тому времени стал главным способом получения данных о слабых взаимодействиях для ученых, занимающихся физикой частиц.

Глэшоу махал руками. Он утверждал, что Z^0 просто настолько массивнее заряженных W-частиц, что взаимодействия с участием Z^0 недоступны для наблюдения в экспериментах. Экспериментаторы его не поддержали.

Марри Гелл-Манн родился в Нью-Йорке в 1929 году. Будучи вундеркиндом, поступил в Йельский университет в возрасте всего 15 лет и учился на бакалавра. Докторскую степень он получил в Массачусетском институте технологий (МИТ) в 1951 году, когда ему было всего двадцать один. Он недолго проработал в Институте перспективных исследований в Принстоне, а затем перебрался сначала в Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне, затем в Колумбийский университет в Нью-Йорке и потом в Чикагский университет, где работал с Ферми и размышлял над свойствами странных частиц.

В 1955 году он стал профессором в Калтехе, где вместе с Фейнманом работал над теорией слабого ядерного взаимодействия. Также он обратил внимание на проблему классификации множества элементарных частиц, открытых к тому времени. Среди них прослеживались небольшие группы – то есть некоторые частицы, например, явно принадлежали к одним и тем же видам, – но отдельные группы не складывались вместе и не давали связной картины.

В физике частиц на тот момент уже была введена таксономия, которая хоть как-то упорядочивала этот «зоопарк». Частицы разделялись на два главных класса: адроны (от греческого hadros, что значит «толстый» или «тяжелый») и лептоны (от греческого leptos, что значит «маленький»).

Класс адронов включает подкласс барионов (от греческого barys, что также означает «тяжелый»). Это более тяжелые частицы, которые испытывают сильное ядерное взаимодействие, к ним относится протон (p), нейтрон (n), лямбда (Λ^0) и еще два ряда частиц, открытых в 1950-х и названных сигма– (Σ+, Σ^0и Σ—) и кси-частицами (Ξ^0, Ξ—). Класс адронов также включает подкласс мезонов (от греческого mesos, что значит «средний»). Эти частицы испытывают сильное взаимодействие, но имеют промежуточную массу, например пионы (π+, π^0, π—) и каоны (K+, K^0 и K—).

Класс лептонов включает электрон (e—), мюон (m—) и нейтрино (ν). Это легкие частицы, на которые не действует сильное ядерное взаимодействие. Барионы и лептоны являются фермионами, они названы в честь Энрико Ферми. У них полуцелые спины. Все перечисленные барионы и лептоны имеют спин 1/2 и потому могут иметь две спиновые ориентации, которые записываются в виде +1/2 (спин вверх) и —1/2 (спин вниз). Фермионы подчиняются принципу Паули.

Вне класса адронов и лептонов находится фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия. Фотон является бозоном, это название образовано от фамилии индийского физика Шатьендраната Бозе. У бозонов целый спин, они не подчиняются принципу Паули. Другие переносчики взаимодействий, например гипотетические частицы W+, W— и Z^0, как ожидалось, бозоны с целыми спинами. Бозоны с нулевыми спинами также возможны, но это не силовые частицы. Мезоны – пример бозонов с нулевым спином. Классификация частиц, известных около 1960 года, вкратце изображена на рис. 9.

Рис. 9

Классификация частиц, известных физикам около 1960 г. Это адроны (барионы и мезоны) и лептоны. Вне классификации фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия

Ясно, что во всей этой неразберихе должна быть какая-то система вроде периодической таблицы Менделеева, но для частиц. Вопрос заключался в том, что это за система и что лежит в ее основе.

Сначала Гелл-Манн пытался составить систему из фундаментального триплета частиц, в который входит протон, нейтрон и лямбда-частица, используя их в качестве материала для строительства всех остальных адронов. Но вышла страшная путаница. Ему так и не удалось разобраться, почему эти частицы должны считаться более «фундаментальными», чем другие. Гелл-Манн понял, что стал искать причину, объясняющую схему, прежде чем нашел саму схему. Это было все равно что пытаться установить составные части химических элементов, не разобравшись сначала, какое положение каждый элемент занимает в периодической таблице.

Гелл-Манн считал, что основой для системы могла бы стать глобальная группа симметрии, такой способ организации частиц, при которой раскрылась бы схема их взаимоотношений. На том этапе он лишь искал способ по-новому классифицировать частицы, а не пытался развить теорию Янга – Миллса, для которой требовалась локальная симметрия.

Гелл-Манн знал, что ему нужна более крупная непрерывная группа симметрии, чем U(1) и SU(2), чтобы уместить в ней диапазон и разнообразие известных на тот момент частиц, но он был не уверен, с чего начать. В то время он преподавал в парижском Коллеж де Франс в качестве приглашенного профессора. Наверное, неудивительно, что приличный объем хорошего французского вина, выпитого за обедом с его парижскими коллегами, не помог ему сразу же увидеть путь к решению.

Поэтому приезд Глэшоу в Париж в марте 1960 года подвиг его не просто выразить одобрение. Гелл-Манна заинтриговала его теория SU(2) × U(1). Он начал понимать, каким образом можно расширить группу симметрии на более высокие размерности. Вдохновленный, он стал пробовать теории все с большими и большими размерностями. Он пробовал три, четыре, пять, шесть и семь измерений, пытаясь найти структуру, которая не соответствовала произведению SU(2) и U(1).

«И тогда я сказал: «Все, хватит!» У меня уже не осталось сил после всего выпитого вина пробовать еще и восемь измерений»[49].

Видимо, вино не способствовало и разговору. Коллеги, с которыми Гелл-Манн выпивал за обедом, были математиками и могли решить его проблему в два счета. Но он ее с ними так и не обсудил.

Глэшоу решил принять предложение Гелл-Манна и поработать с ним в Калтехе. Вскоре после его возвращения из Парижа два физика вместе стали искать решение. Но только после случайного разговора с математиком Калтеха Ричардом Блоком Гелл-Манн обнаружил, что группа Ли SU(3) как раз и предлагает ту схему, которую он искал. В Париже он бросил поиск в тот самый момент, когда чуть было не нашел ее сам.

Самое простое или так называемое неприводимое представление SU(3) – это фундаментальный триплет. Другие теоретики фактически пытались сконструировать модель на основе группы симметрии SU(3) и использовали протон, нейтрон и лямбда-частицу в фундаментальном представлении. Гелл-Манн уже пробовал это и не хотел возвращаться к пройденному. Он просто пропустил фундаментальное представление и обратил внимание на другое.

Одно из представлений SU(3) включает в себя восемь измерений. «Поворот» частицы в одном измерении преобразует ее в частицу в другом измерении, так же как «поворот» изоспина нейтрона в группе симметрии SU(2) превращает его в протон. Если бы Гелл-Манну каким-то образом удалось поместить частицу во всех измерениях, тогда, может быть, он смог бы подойти к пониманию их фундаментальных отношений. Это же не могло быть простым совпадением, что существует восемь барионов: протон, нейтрон, лямбда, три сигма– и две кси-частицы?

Эти частицы различались величинами электрического заряда, изоспина и странности. Если нанести странность на график в сравнении с зарядом или изоспином, появится шестиугольная схема с частицей в каждой вершине и двумя частицами в центре (см. рис. 10). Схема требовала включения протона, нейтрона и лямбды, и Гелл-Манн, вероятно, считал оправданным свое решение не относить их к фундаментальному представлению.

Рис. 10

Восьмеричный путь. Гелл-Манн обнаружил, что может вставить барионы, а именно нейтрон (n) и протон (p), и мезоны в два октетных представления группы глобальной симметрии SU(3). Но в представлении с мезонами было только семь частиц. Не хватало одной частицы, мезонного эквивалента Λ^0. Эту частицу обнаружил через несколько месяцев Луис Альварес и его команда из Университета Беркли. Ее назвали «эта», η

Когда Гелл-Манн аналогичным образом рассмотрел мезоны, он обнаружил, что должен включить в схему анти-K^0, но ему все равно не хватало одной частицы. Не хватало мезонного эквивалента лямбды. Ободренный, он подумал, что должен существовать восьмой мезон с нулевым зарядом и нулевой странностью.

Гелл-Манн обнаружил порядок в двух октетах частиц, основанных на восьмиразмерном представлении глобальной группы симметрии SU(3). Он назвал его восьмеричным путем, в шутку намекая на учение Будды о восьми ступенях к нирване[50]. Он закончил работать над восьмеричным путем в Рождество 1960 года и опубликовал препринт в Калтехе в начале 1961 года. Частицу, которую он предсказал и которая должна была дополнить мезонный октет, обнаружил несколько месяцев спустя американский физик Луис Альварес со своей командой из калифорнийского университета Беркли. Они назвали новую частицу «эта», η.

Гелл-Манн работал в одиночку, но он был не единственным теоретиком, который искал порядок. Юваль Неэман последним вошел в пантеон теоретической физики. Если Гелл-Манн поступил в Йель в нежном возрасте 15 лет, то Неэман, родившийся в Тель-Авиве, поступил в Хагану, подпольную еврейскую организацию в Палестине во время британского мандата. Он командовал пехотным батальоном во время арабо-израильской войны 1948 года и возглавлял отдел планирования Армии обороны Израиля.

Он уже дослужился до полковника, когда решил попробовать получить докторскую степень по физике. Моше Даян, тогда глава Генштаба, согласился назначить его военным атташе в посольство Израиля в Лондоне. Даян посчитал, что Неэман может учиться в аспирантуре в свободное время.

Сначала Неэман собирался изучать теорию относительности в Кингс-колледже в Лондоне, но он быстро понял, что из-за пробок на дорогах не успевает вовремя добраться туда из посольства в Кенсингтоне к началу лекций и семинаров. Тогда он перешел в Имперский колледж и переключился на физику частиц. В Имперском колледже его направили к пакистанскому теоретику Абдусу Саламу.

Неэман работал по вечерам и выходным. Он начал искать группы симметрии, которые могли бы вместить в себя известные частицы, и нашел пять кандидатов, в том числе SU(3). Неэмана увлекли большие перспективы, которые предоставляла группа симметрии, изображаемая в виде звезды Давида, и в конце концов он остановился на SU(3). В июле 1961 года он опубликовал собственную версию восьмеричного пути.

Сначала Салам был настроен скептически, но, когда на его столе оказался черновик статьи Гелл-Манна, он сразу перестал сомневаться. Хотя у Гелл-Манна была небольшая фора, он уговорил Неэмана печататься (на самом деле статья Неэмана первой вышла в физическом журнале). Но он не испытывал разочарования. Напротив, он чувствовал приятное возбуждение, оказавшись в такой хорошей компании.

Неэман и Гелл-Манн посетили конференцию по физике элементарных частиц в июне 1962 года, которую проводила Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Женеве. Они оба внимательно выслушали доклады о новых, недавно открытых частицах, триплете частиц, которые позднее стали называться Σ* (сигма), со странностью –1, и дублете частиц Ξ* (кси) со странностью –2.

Неэман сразу же увидел, что эти частицы относятся к другому представлению SU(3), состоящему из десяти измерений. Ему понадобился один миг, чтобы понять, что из десяти частиц представления девять уже найдены. Чтобы завершить схему, нужна была отрицательно заряженная частица со странностью –3.

Он поднял руку, прося слова, но Гелл-Манн сделал то же умозаключение и сидел ближе к переднему ряду. Поэтому именно Гелл-Манн встал и предсказал существование частицы, которую позднее назвали омегой. Она была открыта в январе 1964 года.

Схема в конце концов сложилась, но как насчет лежащего в ее основе объяснения?

4

Верные идеи для неверных задач

Глава, в которой Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг изобретают кварки, а Стивен Вайнберг и Абдус Салам используют механизм Хиггса для сообщения массы W– и Z-частицам (наконец-то!)

Ёитиро Намбу, американский физик японского происхождения, был глубоко обеспокоен.

Намбу изучал физику в Токийском имперском университете и закончил его в 1942 году. Физика элементарных частиц привлекла его благодаря славе Ёсио Нисины, Синъитиро Томонаги и Хидэки Юкавы, основателей японской физики частиц. Но в Токио не было крупного физика, работавшего в этой области, поэтому он стал заниматься физикой твердого тела.

В 1949 году Намбу переехал из Токио в Осаку, чтобы занять место профессора в тамошнем университете. Три года спустя его пригласили в Институт перспективных исследований в Принстоне. Он перебрался в Чикагский университет в 1954-м и четыре года спустя стал там профессором.

В 1956 году он посетил семинар, который проводил Джон Шриффер по новой теории сверхпроводимости, разработанной им вместе с Джоном Бардином и Леоном Купером. Это было элегантное применение квантовой теории для объяснения, почему некоторые кристаллические материалы при охлаждении ниже критической температуры теряют электрическое сопротивление и становятся сверхпроводниками.

Одноименные заряды отталкиваются. Однако электроны в сверхпроводниках испытывают слабое взаимное притяжение. Дело в том, что свободный электрон, проходящий близко от положительно заряженного иона в кристаллической решетке, слегка притягивает ион, который отклоняется от своего положения, искажая решетку. Электрон движется дальше, но искаженная решетка продолжает вибрировать взад-вперед. Эта вибрация производит небольшой дополнительный положительный заряд, который притягивает второй электрон.

В итоге суть этого взаимодействия в том, что пара электронов (называемая куперовской парой) с противоположным спином и импульсом совместно движется по решетке и вибрация решетки содействует их движению. Если помните, электроны являются фермионами и, как таковые, не могут занимать одно и то же квантовое состояние в соответствии с принципом Паули. Куперовские пары, напротив, ведут себя как бозоны, которые не подчиняются этому ограничению. Количество пар, которые могут занимать квантовое состояние, неограниченно, и при низких температурах они могут «конденсироваться», скапливаясь в одном состоянии и приобретая макроскопические размеры[51]. Куперовские пары в этом состоянии не испытывают сопротивления, двигаясь по решетке, и в результате возникает сверхпроводимость.

Намбу беспокоило, что в этой теории, очевидно, не соблюдалась калибровочная инвариантность электромагнитного поля. Иными словами, в ней, по всей видимости, не сохранялся электрический заряд.

Намбу взялся за эту проблему, и в этом ему помогла подготовка в области физики твердого тела. Он понял, что теория сверхпроводимости Бардина, Купера, Шриффера (БКШ) – это пример спонтанного нарушения симметрии применительно к калибровочному полю электромагнетизма.

Примеры нарушения симметрии встречаются повсюду. Если поставить карандаш на острие, он будет полностью симметричен, но чрезвычайно нестабилен. Карандаш падает в конкретном (хотя на первый взгляд произвольном) направлении, при этом можно сказать, что симметрия спонтанно нарушается. Аналогичным образом, мраморный шарик, положенный в шляпу, катится в конкретном (хотя на первый взгляд произвольном) направлении и останавливается в углублении. На самом деле за падение карандаша и качение шарика в шляпе отвечают мельчайшие флуктуации фоновых условий. Эти мельчайшие флуктуации образуют часть фонового «шума».

Спонтанное нарушение симметрии влияет на самое низкоэнергетическое, так называемое вакуумное состояние системы. Как любой материал, сверхпроводник может находиться в вакуумном состоянии, в котором все частицы сохраняют стационарное положение в решетчатой структуре, и электроны остаются неподвижными. Однако возможность совместного движения куперовских пар при способствующих им вибрациях решетки приводит к вакуумному состоянию с еще более низкой энергией. В данном случае калибровочная симметрия электромагнетизма U(1) нарушается присутствием другого квантового поля, кванты которого – куперовские пары. Законы, описывающие движение электронов в материале, остаются инвариантными при локальной калибровочной симметрии U(1), в отличие от вакуумного состояния.

Намбу понял, что, так как куперовские пары существуют в состоянии более низкой энергии, чтобы разбить их, нужно добавить энергию. Получившиеся таким образом свободные электроны будут обладать дополнительной энергией, равной половине энергии, которая потребовалась для того, чтобы разбить пары. Добавленная энергия будет выглядеть как добавленная масса. Его поразили перспективы этой мысли, и через несколько лет кратко изложил их следующим образом[52]:

«Что бы случилось, если бы некий сверхпроводящий материал наполнял бы всю Вселенную, а мы бы жили в нем? Так как мы не могли бы наблюдать истинный вакуум, [самое низкоэнергетическое] базовое состояние этого материала, по сути, было бы вакуумом. Тогда даже частицы… безмассовые в истинном вакууме, приобрели бы массу в реальном мире».

Нарушьте симметрию, рассуждал Намбу, и вы получите частицы с массой.

В 1961 году Намбу и итальянский физик Джованни Йона-Лазинио опубликовали статью с описанием такого механизма. Чтобы он работал, им нужно было фоновое квантовое поле, создающее «ложный» вакуум. В вышеописанном примере карандаш падает в тот момент, когда он взаимодействует с фоновым «шумом», нарушающим симметрию. Аналогичным образом, чтобы нарушить симметрию в квантовой теории поля, требуется фон для взаимодействия с ним. Иными словами, пустое пространство на самом деле не пустое. Оно содержит энергию в виде всепроникающего квантового поля.

В их модели ложный вакуум предоставлял фон, необходимый для нарушения симметрии в теории сильного взаимодействия с участием гипотетических безмассовых протонов и нейтронов. В результате действительно получались протоны и нейтроны с массой. Нарушение симметрии как бы «включало» массы частиц.

Но это был не простой путь. Британский физик Джеффри Голдстоун тоже изучал нарушение симметрии и пришел к выводу, что одним из его следствий является образование еще одной безмассовой частицы.

Фактически Намбу и Йона-Лазанио в своей модели столкнулись с той же трудностью. Помимо сообщения массы протонам и нейтронам, их модель также предсказывала существование безмассовых частиц, образованных нуклонами и антинуклонами. В своей статье они попытались доказать, что на самом деле они могут приобретать небольшую массу и таким образом их можно считать пионами.

Эти новые безмассовые частицы назвали бозонами Голдстоуна – Намбу. Голдстоун инстинктивно чувствовал, что образование этих частиц окажется общим результатом, применимым ко всем симметриям, и в 1969 году возвел его в статус принципа. Он стал известен как теорема Голдстоуна.

Конечно, против этих бозонов Голдстоуна – Намбу были те же самые возражения, как и против безмассовых частиц квантовых теорий поля. Любые новые безмассовые частицы, предсказанные теорией, должны были быть такими же вездесущими, как фотоны. Но ведь эти новые частицы никогда не наблюдались.

Спонтанное нарушение симметрии обещало решение проблемы безмассовых частиц в теории поля Янга – Миллса. Однако нарушение симметрии должно было сопровождаться появлением других безмассовых частиц, которые никто никогда не видел. Устранение одной проблемы вызвало вторую. Чтобы идти дальше, физики должны были найти какой-то способ обойти или решить теорему Голдстоуна.

Гелл-Манн и Неэман внимательно просмотрели фундаментальное представление глобальной группы симметрии SU(3). Они обнаружили, что протон и нейтрон можно поместить в следующее, восьмимерное представление, которое применяется к барионам. Следствия были вполне ясны. Восемь членов барионного октета – включая протон и нейтрон – должны быть составными частицам, образованными из еще более элементарных частиц, неизвестных экспериментальной науке. Может быть, это предположение и было очевидно, но оно влекло за собой некоторые малоприятные следствия.

В 1963 году Роберт Сербер из Колумбийского университета так и этак вертел комбинации трех (неконкретных) фундаментальных частиц, чтобы образовать из них два октета восьмеричного пути. В этой модели каждый член барионного октета был образован сочетанием трех новых частиц, а каждый член мезонного октета – сочетанием элементарных частиц и античастиц. Когда в марте того же года Гелл-Манн приехал в Колумбийский университет, чтобы прочитать несколько лекций, Сербер спросил его, что он думает об этой идее.

Они разговаривали за обедом в факультетском клубе университета.

«Я показал, что можно взять три кусочка и сделать из них протоны и нейтроны, – объяснил Сербер. – Из кусочков и антикусочков могут получиться мезоны. Потом я сказал: «Может, рассмотрите такую возможность?»[53]

Гелл-Манн лишь отмахнулся. Он спросил у Сербера, каковы электрические заряды этой новой тройки фундаментальных частиц, о чем Сербер не задумывался.

«Это была сумасшедшая идея, – рассказывал ГеллМанн. – Я взял салфетку, сделал расчеты и показал, что для этого частицам требуются дробные электрические заряды – вроде —1/3 или 2/3, – чтобы они сложились в протон или нейтрон с зарядом плюс один или нулевым»[54].

Сербер согласился, что такой результат приводит в оторопь. Всего через 12 лет после открытия электрона американские физики Роберт Милликен и Харви Флетчер провели свой знаменитый эксперимент с каплей масла, измерив фундаментальную единицу электрического заряда, переносимого одиночным электроном. Выраженный в стандартных единицах, заряд электрона представляет собой сложное число со многими знаками после запятой[55], однако вскоре стало ясно, что заряженные частицы переносят заряды, которые являются целыми произведениями этой элементарной единицы. Ни разу за 54 года после нахождения величины элементарного электрического заряда не возникало даже слабого намека на то, что могут существовать частицы с меньшим зарядом.

В последовавшей дискуссии Гелл-Манн назвал новые частицы Сербера «кворками», нарочно придуманным словом, чтобы подчеркнуть абсурдность такого предположения. Сербер посчитал, что это производное от quirk[56], поскольку Гелл-Манн до этого сказал, что такие частицы были бы странным капризом природы.

Но, как бы ни пугали следствия, логика, приводящая к ним, была железной. Группа симметрии SU(3) требовала фундаментального представления, а то обстоятельство, что известные частицы можно соединить в два октета, очень намекало на существование триплета фундаментальных частиц. Дробные заряды представляли трудность, но, может быть, как подумалось Гелл-Манну, если «кворки» всегда заключены внутри более крупных адронов, тогда это может объяснить, почему частицы с дробным зарядом никогда не наблюдались в экспериментах.

Пока идеи Гелл-Манна постепенно оформлялись, он наткнулся на отрывок из «Поминок по Финнегану» Джеймса Джойса, который помог ему придумать имя этим невиданным абсурдным частицам:

«Эй, три кварка для мюстера Марка!»

Верно, выглядит он не особенно ярко,

И повадки его как у сына кухарки…[57]

«Вот оно! – заявил он. – Нейтрон и протон состоят из трех кварков!» Новое слово не вполне рифмовалось с первоначальным «кворком», но звучало довольно похоже. «Вот так я и выбрал это название. Просто в шутку. Как реакция против высокопарного научного языка»[58].

Гелл-Манн опубликовал двухстраничную статью с изложением своих мыслей в феврале 1964 года. Он назвал три кварка буквами u, d и s. Хотя в статье этого не говорилось, но буквы означали up (верхний) с зарядом +2/3, down (нижний) с зарядом —1/3 и strange (странный), также с зарядом —1/3. Барионы образованы различными комбинациями трех кварков, а мезоны – комбинациями кварков и антикварков.

В этой системе протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (uud) с суммарным зарядом +1. Нейтрон состоит из u-кварка и двух d-кварков (udd) с суммарным зарядом 0. По мере уточнения модели обнаружилось, что изоспин связан с присутствием в частице верхнего и нижнего кварков. Нейтрон и протон обладают изоспинами, которые можно рассчитать как половину от количества верхних кварков минус количество нижних кварков[59]. Для нейтрона это дает изоспин 1/2 × (1–2), то есть —1/2. «Поворот» изоспина нейтрона, следовательно, эквивалентен превращению нижнего кварка в верхний кварк, что дает протон с изоспином 1/2 × (2–1), или +1/2. Таким образом, сохранение изоспина становится сохранением количества кварков. Бета-радиоактивность подразумевает превращение нижнего кварка в нейтроне в верхний кварк, что превращает нейтрон в протон с испусканием частицы W—, как показано на рис. 11.

Рис. 11

Механизм ядерного бета-распада получил объяснение в смысле слабого распада нижнего кварка внутри нейтрона (d) на верхний кварк (u), превращающего нейтрон в протон с испусканием виртуальной частицы W—

У странных частиц величина странности выражается просто как минус количество присутствующих странных кварков (s-кварков)[60]. Тогда очевидно, что схема заряда или изоспина в сравнении со странностью всего лишь показывает наличие кварков в частицах, при этом разные комбинации кварков появляются в разных местах схемы (см. рис. 12).

Рис. 12

Восьмеричный путь может легко объяснить разнообразные возможные комбинации верхних, нижних и странных кварков, что проиллюстрировано здесь на примере барионного октета. Λ^0и Σ^0 состоят из верхних, нижних и странных кварков, но отличаются изоспином. У Λ^0 изоспин равен нулю, а у Σ^0 – единице. Эту разницу можно проследить до различных возможных комбинаций волновых функций верхнего и нижнего кварков. У Λ^0 антисимметричная (ud – du) комбинация, у Σ^0 симметричная (ud + du)

И снова Гелл-Манн работал в одиночку, но был не единственным теоретиком, который напал на след фундаментального объяснения. После возвращения из Великобритании в Израиль Неэман вместе с израильским математиком Хаимом Гольдбергом работал над весьма умозрительной гипотезой фундаментального триплета, но они не рискнули заявить, что это могут быть «реальные» частицы с дробными электрическими зарядами.

Примерно в то же время, когда Гелл-Манн опубликовал свои теоретические выкладки, бывший студент Калтеха Джордж Цвейг разработал полностью эквивалентную схему, основанную на фундаментальном триплете частиц, которые он назвал тузами. Он пришел к выводу, что барионы можно составить из троек (триплетов) тузов, а мезоны – из двоек (дублетов) тузов и антитузов. Цвейг работал научным сотрудником в ЦЕРНе, и препринт с его идеями вышел в январе 1964 года. Позднее Цвейг увидел статью Гелл-Манна, быстро усовершенствовал модель, выпустил препринт на 80 страниц в ЦЕРНе и отправил его в престижный журнал Physical Review.

Рецензенты обрушились на него с криками. Статью так и не напечатали.

Гелл-Манн был уже признанным ученым, сделавшим много важнейших открытий, и ему промах с кварками был простителен. Будучи молодым научным сотрудником, Цвейг находился не в таком удачном положении. Когда некоторое время спустя он хотел устроиться в один из ведущих университетов, некий уважаемый член профессорско-преподавательского состава, старший теоретик, заявил, что его модель с тузами – шарлатанская выдумка. Цвейгу отказали в месте, и в конце 1964 года он вернулся на работу в Калтех. Впоследствии Гелл-Манн приложил все усилия, чтобы роль Цвейга в открытии кварков была признана.

Кварковая модель все замечательно упростила, но на самом деле это была всего лишь теоретическая игра со схемами. У нее просто не было никаких экспериментальных оснований. Гелл-Манн никак не облегчил свою задачу тем, что был довольно скрытен насчет статуса новых частиц. Не желая ввязываться в философские споры о реальности частиц, которые в принципе нельзя увидеть, он называл кварки «математическими». Некоторые понимали это так, будто Гелл-Манн не считает, что кварки состоят из настоящего вещества, что они существуют в реальности и соединяются, производя реально существующие эффекты.

Цвейг оказался смелее (или безрассуднее, как посмотреть). Во втором препринте, напечатанном в ЦЕРНе, он заявил: «Есть и некоторая возможность, что модель ближе к природе, чем мы думаем, и что мы состоим из множества тузов с дробным зарядом»[61].

Филип Андерсон, занимавшийся физикой твердого тела, не верил в теорему Голдстоуна. Многочисленные практические примеры в физике твердого тела совершенно очевидно говорили, что бозоны Намбу – Голдстоуна не всегда возникают при спонтанном нарушении калибровочной симметрии. Симметрии нарушались постоянно, однако физиков твердого тела не заливали потоки безмассовых частиц, аналогичных фотонам, которые бы возникали в результате. Например, в сверхпроводниках не генерировались безмассовые частицы. Что-то тут было не так.

В 1963 году Андерсон предположил, что трудности, которые пытаются решить теоретики квантовых полей, могут в каком-то смысле разрешиться сами[62]:

«В таком случае, вероятно, учитывая аналог сверхпроводимости, что теперь открыты возможности… которые без всякого труда включают либо безмассовые калибровочные бозоны Янга – Миллса, либо безмассовые бозоны [Намбу – ]Голдстоуна. Эти два типа бозонов, по-видимому, способны «сократить» друг друга, оставив лишь бозоны, обладающие конечной массой».

Неужели это действительно так просто? Может быть, это тот случай, когда минус на минус дал плюс? Статья Андерсона вызвала некоторые споры. И пока в научной прессе высказывались аргументы и контраргументы, некоторые физики хорошенько ее запомнили.

Затем вышел ряд статей с подробным описанием механизма спонтанного нарушения симметрии, в которых разные безмассовые бозоны действительно «сокращали» друг друга, оставляя лишь частицы с массой. Их независимо друг от друга опубликовали бельгийские физики Роберт Браут и Франсуа Энглер, английский физик Питер Хиггс из Эдинбургского университета, а также Джеральд Гуральник, Карл Хейген и Том Киббл из Имперского колледжа в Лондоне[63]. Такой механизм обычно называют механизмом Хиггса (или, как предпочитают те, кого волнует справедливость, механизмом Браута – Энглера – Хиггса – Хейгена – Гуральника – Киббла).

Механизм работает следующим образом. Безмассовая частица со спином 1 (бозон) движется со скоростью света и имеет две «степени свободы», то есть ее амплитуда волны может колебаться в двух измерениях, перпендикулярных (трансверсальных) направлению, в котором она движется. Если частица движется, скажем, в направлении z, ее амплитуда волны может колебаться только в направлениях х и у (влево/вправо и вверх/вниз). У фотона две степени свободы связаны с левой круговой и правой круговой поляризацией. Эти состояния могут сочетаться и давать более знакомые состояния линейной поляризации: горизонтальное (по оси х) и вертикальное (по оси у). У света не существует поляризации в третьем измерении.

Чтобы изменить это состояние, нужно ввести фоновое поле, которое часто называют полем Хиггса, для нарушения симметрии[64]. Поле Хиггса характеризует форма кривой потенциальной энергии.

Идея кривой потенциальной энергии довольно прямолинейна. Представьте себе маятник, который качается взад-вперед. Когда маятник совершает взмах вверх, он замедляется, останавливается и затем начинает двигаться в другом направлении. В этот момент вся энергия его движения (кинетическая энергия) превращается в потенциальную энергию маятника. Когда маятник совершает движение обратно, потенциальная энергия высвобождается, переходя в кинетическую энергию движения, и маятник набирает скорость. Внизу дуги, когда маятник направлен прямо вниз, кинетическая энергия имеет максимальное значение, а потенциальная равна нулю.

Если мы изобразим величину потенциальной энергии в сравнении с углом смещения маятника от вертикали, у нас получится парабола – см. рис. 13, а. Нижняя точка кривой потенциальной энергии очевидно совпадает с точкой, в которой смещение маятника равно нулю.

Рис. 13

(a) В случае простого маятника, движущегося без учета трения, кривая потенциальной энергии имеет форму параболы и нулевая потенциальная энергия соответствует нулевому смещению маятника от вертикали. Однако кривая потенциальной энергии для поля Хиггса (b) имеет другую форму. Теперь нулевое значение потенциальной энергии соответствует конечному смещению (самого поля) или тому, что физики называют ненулевым значением вакуумного ожидания

Кривая потенциальной энергии поля Хиггса немного отличается. Вместо угла смещения мы изобразим смещение или значение самого поля. В нижней части кривой появляется небольшой бугорок, похожий на тулью сомбреро или выпуклость на дне бутылки из-под шампанского. Из-за наличия этого бугорка симметрия нарушается. Когда поле охлаждается и теряет потенциальную энергию, подобно падающему карандашу, она произвольно падает в углубление на кривой (кривая на самом деле трехмерна). Но в этом случае самая нижняя точка кривой соответствует ненулевому значению поля. Физики называют это ненулевым значением вакуумного ожидания. Оно представляет собой «ложный» вакуум, то есть вакуум не вполне пустой – он содержит ненулевые значения поля Хиггса.

Рис. 14

(a) Безмассовый бозон движется со скоростью света и имеет только две пересекающиеся степени свободы, влево/вправо (x) и вверх/ вниз (y). Взаимодействуя с полем Хиггса, частица может поглотить безмассовый бозон Намбу – Голдстоуна и приобрести третью степень свободы – вперед/назад (z). Соответственно, частица приобретает «глубину» и замедляется. Сопротивление ускорению – это и есть масса частицы

При нарушении симметрии возникает безмассовый бозон Намбу – Голдстоуна. Его может «поглотить» безмассовый бозон поля со спином 1, создавая третью степень свободы (вперед/назад). Амплитуда волны частицы поля теперь может колебаться во всех трех измерениях, в том числе и в направлении собственного движения. Частица приобретает «глубину» (см. рис. 14).

В механизме Хиггса приобретение третьей степени свободы похоже на торможение. Частица замедляется в степени, зависящей от ее взаимодействия с полем Хиггса.

Фотон не взаимодействует с полем Хиггса и продолжает беспрепятственно двигаться со скоростью света. Он остается безмассовым. Частицы, взаимодействующие с полем, приобретают глубину, набирают энергию и замедляются, поле при этом притягивает их, словно густой сироп. Взаимодействия частицы с полем проявляются в виде сопротивления ускорению[65].

Нет ли в этом чего-то смутно знакомого?

Инертная масса объекта – мера его сопротивления ускорению. Мы инстинктивно хотим уравнять инертную массу с количеством вещества, которое содержится в объекте. Чем больше вещества он содержит, тем тяжелее ему ускоряться. Механизм Хиггса ставит это рассуждение с ног на голову. Теперь мы интерпретируем степень, с которой поле Хиггса сопротивляется ускорению частицы, как массу частицы (инертную).

Концепция массы растворилась под одним дуновением логики. На смену ей пришли взаимодействия между безмассовыми частицами и полем Хиггса.

У механизма Хиггса не сразу появились сторонники. Самому Хиггсу не сразу удалось опубликовать свою статью. Сначала он отправил ее в европейский журнал Physics Letters в июле 1964 года, но редактор ее отверг, посчитав неподходящей. Через много лет Хиггс написал[66]:

«Меня это возмутило. Я считал, что мои выводы могли иметь важные следствия для физики элементарных частиц. Позднее мой коллега Сквайрс, который провел август 1964 года в ЦЕРНе, сказал, что теоретики не увидели смысла в том, что я сделал. Оглядываясь назад, я не удивляюсь: в 1964 году… квантовая теория поля была не в моде…»

Хиггс внес некоторые изменения в свою статью и снова отправил ее в журнал Physical Review Letters. Ее переслали на рецензирование Намбу. Намбу попросил Хиггса прокомментировать, как связана его статья и другая, только что опубликованная в том же журнале (31 августа 1964 года) Браутом и Энглером. Хиггс не знал, что Браут и Энглер работали над той же проблемой, и отметил их работу в примечании. Кроме того, он добавил последний абзац к основному тексту, где обратил внимание на возможное существование «неполных мультиплетов скалярных и векторных бозонов»[67], что было довольно неясным намеком на возможное существование еще одного, массивного бозона с нулевым спином, квантовой частицы поля Хиггса.

Он и станет известен как бозон Хиггса.

Может быть, удивительно, но те, для кого механизм Хиггса мог быть полезнее всего, в тот момент практически не обратили на него внимания.

Хиггс родился в английском городе Ньюкасл-апон-Тайн в 1929 году. В 1950-м он закончил Королевский колледж в Лондоне и четыре года спустя получил докторскую степень. Потом он поочередно работал в Эдинбургском университете и Имперском колледже в Лондоне. Хиггс вернулся в Эдинбургский университет в 1960 году, чтобы читать лекции по математической физике. В 1963 году он женился на Джоди Уильямсон, которая вместе с ним была активистом кампании за ядерное разоружение.

В августе 1965 года, работая в университете Северной Каролины, Хиггс взял академический отпуск и отвез Джоди в Чапел-Хилл. Их первый сын Кристофер родился несколько месяцев спустя. Некоторое время спустя Хиггс получил приглашение от Фримена Дайсона провести семинар по механизму Хиггса в Институте перспективных исследований. Хиггс опасался того, как примут его теории в институте, про чьи семинары говорили, что они проходят «под дулом ружья», но вышел из переделки целым и невредимым в марте 1966 года. Паули умер еще в декабре 1958 года, однако любопытно, смогли бы доводы Хиггса изменить его отношение к неудачному выступлению Янга за двенадцать с лишним лет до того.

Хиггс воспользовался этой возможностью, чтобы выполнить давнишнюю просьбу и провести семинар в Гарвардском университете, куда он оправился на следующий день. Аудитория была настроена так же скептически, и позднее один гарвардский теоретик признал, что им «не терпелось разорвать этого идиота, который думал, будто может обойти теорему Голдстоуна»[68].

Глэшоу был среди слушателей, но к тому времени он, кажется, совсем забыл свои первые попытки разработать объединенную электрослабую теорию, теорию, предсказавшую безмассовые частицы W+, W— и Z^0, которые каким-то образом должны были получить массу. «К сожалению, амнезия продолжалась у него весь 1966 год», – написал Хиггс[69]. Ради справедливости к Глэшоу надо сказать, что Хиггс был увлечен применением его механизма к сильному взаимодействию.

Но Глэшоу не сумел сложить два и два. Нужную связь в конце концов проведет бывший одношкольник Глэшоу Стивен Вайнберг (и независимо от него Абдус Салам).

Вайнберг получил степень бакалавра в Корнеллском университете в 1954 году, поступил в аспирантуру в институте Нильса Бора в Копенгагене и вернулся, чтобы закончить докторскую диссертацию в Принстонском университете в 1957-м. Он закончил постдокторантуру в Колумбийском университете Нью-Йорка и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии, а затем получил место профессора в Университете Беркли. Он взял отпуск, чтобы читать лекции в Гарварде в 1966 году, а на следующий год его пригласили преподавать в МИТ.

Следующие несколько лет Вайнберг работал над следствиями спонтанного нарушения симметрии в сильных взаимодействиях, описываемых теорией поля SU(2) × SU(2). Как обнаружили Намбу и Йона-Лазинио за несколько лет до того, в результате нарушения симметрии протоны и нейтроны приобретают массу. Вайнберг считал, что образованные таким образом бозоны Намбу – Голдстоуна могут быть аппроксимированы как пионы. В то время это казалось разумным, и Вайнберг, даже не думая вторгаться в теорему Голдстоуна, с радостью встретил предсказанные новые частицы.

Но потом Вайнберг понял, что такой подход ни к чему не приведет. И в тот момент ему пришла в голову еще одна идея[70]:

«В какой-то момент осени 1967 года, по-моему, когда я ехал к себе в МИТ, мне пришло в голову, что я все время применял верные идеи к неверным задачам».

Вайнберг применял механизм Хиггса к сильному взаимодействию. Теперь он понял, что математические структуры, которые он пытался применять к сильным взаимодействиям, именно те, что требуются для решения проблем со слабыми взаимодействиями и проистекающими из них массивными бозонами. «Боже мой, – воскликнул он про себя, – это же решение для слабого взаимодействия!»[71]

Вайнберг хорошо понимал, что если массы частиц W+, W— и Z^0 добавить вручную, как в теории Глэшоу для электрослабого поля SU(2) × U(1), тогда результат нельзя будет перенормировать. Тогда он задумался, не сможет ли нарушение симметрии при помощи механизма Хиггса сообщать массу частицам, устранить ненужные бозоны Намбу – Голдстоуна и выдвинуть теорию, которую в принципе можно было бы перенормировать.

Оставалась проблема слабых нейтральных токов – взаимодействий с нейтральными частицами Z^0, которые все еще не были подтверждены экспериментально. Он решил совсем не касаться этой проблемы, ограничив теорию лептонами – электронами, мюонами и нейтрино. Он стал остерегаться адронов, частиц, участвующих в сильном взаимодействии, и особенно странных частиц, принципиальной основы для экспериментального исследования слабого взаимодействия.

Модель, состоящая из одних лептонов, по-прежнему предсказывала нейтральные токи, но в ней они должны были включать нейтрино. Прежде всего, нейтрино оказалось довольно трудно найти экспериментально, и Вайнберг, может быть, решил, что экспериментальное обнаружение нейтральных токов слабого взаимодействия с участием этих частиц будет представлять настолько непреодолимые трудности, что их можно предсказывать, особенно ничего не опасаясь.

Вайнберг опубликовал статью с изложением единой электрослабой теории для лептонов в ноябре 1967 года. Это была теория поля SU(2) × U(1), сведенная к симметрии обычного электромагнетизма U(1) спонтанным нарушением симметрии, что сообщило массу частицам W+, W— и Z^0 и в то же время оставило фотон безмассовым. По его оценке шкалы масс для бозонов слабого взаимодействия, W±-частицы были примерно в 85 раз массивнее протона, Z^0-частицы примерно в 96 раз. Он не смог доказать, что теорию в принципе можно перенормировать, но был уверен в этом.

В 1964 году Хиггс говорил о возможности существования бозона Хиггса, но это не было связано с какой-либо конкретной силой или теорией. Вайнберг счел нужным ввести в свою электрослабую теорию поле Хиггса с четырьмя компонентами. Три из них сообщают массу частицам W+, W— и Z^0. Четвертый выглядит классической частицей – это бозон Хиггса. То, что раньше было математической возможностью, стало предсказанием. Вайнберг даже оценил силу связи между бозоном Хиггса и электроном. Бозон Хиггса сделал решающий шаг к тому, чтобы стать «настоящей» частицей.

В Великобритании Абдуса Салама с механизмом Хиггса познакомил Том Киббл. Он уже работал над электрослабой теорией поля SU(2) × U(1) и сразу же увидел те возможности, которые давало спонтанное нарушение симметрии. Прочитав препринт статьи Вайнберга, где теория применялась к лептонам, он понял, что они с Вайнбергом независимо пришли к одной и той же модели. Он решил не публиковать свою статью, пока не найдет возможность вставить в нее адроны. Но, как ни пытался, он не мог обойти проблему слабых нейтральных токов.

Вайнберг и Салам считали, что теория поддается перенормировке, но ни один не мог этого доказать. Кроме того, они не могли предсказать массу бозона Хиггса.

Теория не вызвала никакого ажиотажа. Если кто и обратил на нее внимание, то отнесся к ней критично. Проблема массы устранена за счет какого-то фокуса с дымом и зеркалами с участием гипотетического поля, для которого нужен был еще один гипотетический бозон. Такое ощущение, что теоретики, занимавшиеся квантовыми полями, все играли в свои игры с полями и частицами по невразумительным правилам, которые понимали лишь немногие.

Ученые, занимавшиеся физикой частиц, просто проигнорировали их и продолжали заниматься своей наукой.

5

Это я могу

Глава, в которой Герард ’т Хоофт доказывает, что теорию Янга – Миллса можно перенормировать, а Марри Гелл-Манн и Харальд Фрицш разрабатывают теорию сильного взаимодействия на основе цветных кварков

Помимо абсурдных дробных зарядов, у кварковой модели была еще одна большая проблема. Поскольку из кварков состоят такие материальные частицы, как протоны и нейтроны, они должны быть фермионами с полуцелыми спинами. Иными словами, в соответствии с принципом Паули адроны не могли иметь в себе более одного кварка в каждом из возможных квантовых состояний.

Однако кварковая модель утверждала, что протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего. Это было все равно что сказать, будто атомная орбиталь содержит два электрона с верхним спином и один электрон с нижним. Этого просто не может быть. Свойства симметрии волновой функции электрона запрещают это. Может быть только два электрона, один с верхним спином, другой с нижним. Для третьего нет места. Кроме того, если кварки – фермионы, тогда в протоне не может быть места для двух верхних кварков.

Эта проблема встала вскоре после публикации первой статьи Гелл-Манна о кварках. Физик Оскар Гринберг в 1964 году высказал предположение, что кварки на самом деле могут быть парафермионами, то есть фактически что кварки различаются и другими степенями свободы, помимо той, которая определяется квантовыми числами: верхним, нижним и странным. В итоге это дает несколько видов, например верхних кварков. Если два верхних кварка относятся к разным видам, они спокойно могут уживаться друг рядом с другом в протоне, не занимая при этом одно и то же квантовое состояние.

Но и к этой модели тоже возникли вопросы. Решение Гринберга открыло путь для того, чтобы барионы вели себя как бозоны и скапливались в одном квантовом состоянии до макроскопических размеров, подобно лазерному лучу. Это было просто недопустимо.

Ёитиро Намбу рассматривал аналогичную систему и предположил, что, может быть, существует сначала два, а потом и три разных вида верхних, нижних и странных кварков. Молодой выпускник Сиракузского университета в Нью-Йорке кореец по рождению Хан Мо Ён написал ему в 1965 году, развив эту мысль. Вместе они написали статью, которая вышла в свет чуть позже в том же году.

Однако это было не просто расширение кварковой теории Гелл-Манна. Хан и Намбу ввели новый вид заряда кварка, отличного от электрического. Два верхних кварка в протоне отныне отличались кварковыми зарядами, тем самым устранялось противоречие с принципом Паули. Они рассуждали так, что сила, удерживающая кварки внутри более крупных нуклонов, основана на локальной симметрии SU(3), которую не надо путать с глобальной симметрией SU(3), лежащей в основе восьмеричного пути.

Кроме того, они решили воспользоваться этой возможностью, чтобы убрать из кварковой теории дробные электрические заряды и ввести вместо них перекрывающиеся SU(3) – триплеты с электрическими зарядами +1, 0 и –1 наряду с зарядом кварка.

На это мало кто обратил внимание. Хан и Намбу сделали важный шаг к окончательному решению, но мир еще был к нему не готов.

В 1970 году Глэшоу наконец-то вернулся к проблемам своей теории электрослабого поля SU(2) × U(1) вместе с двумя коллегами: греческим физиком Иоаннисом Илиопулосом и итальянцем Лучано Майани. Глэшоу впервые познакомился с Илиопулосом в ЦЕРНе и был впечатлен его попытками найти способ перенормировки теории поля для слабого взаимодействия. Майани приехал в Гарвард, имея некоторые любопытные мысли о слабом взаимодействии. Все трое поняли, что их интересы совпали.

В тот момент никто из них еще не знал о статье Вайнберга 1967 года, где спонтанное нарушение симметрии и механизм Хиггса применялись в электрослабой теории лептонов.

Глэшоу, Илиопулос и Майани снова как следует взялись за теорию. Добавление в уравнения масс W+-, W—– и Z^0-частиц вручную приводило к неуправляемым расхождениям, из-за которых теория не поддавалась перенормировке. Вдобавок оставалась проблема слабых нейтральных токов. Например, теория предсказывала, что нейтральный каон должен распадаться с испусканием Z^0-бозона, меняя в процессе странность частицы и производя два мюона – слабый нейтральный ток. Однако какие-либо экспериментальные данные о таком распаде попросту отсутствовали. Вместо полного отказа от Z^0-частицы физики попытались выяснить, почему может отсутствовать та форма распада.

Мюонное нейтрино было открыто в 1962 году, став четвертым лептоном наряду с электроном, электронным нейтрино и мюоном. Физики стали работать с моделью из четырех лептонов и трех кварков, для начала добавив еще несколько лептонов. Но в 1964 году Глэшоу опубликовал статью, где говорил о возможном существовании четвертого кварка, который он назвал очарованным кварком (c-квар ком, от charm quark). В этом как будто было больше смысла. Природа явно потребует, чтобы количество лептонов соответствовало количеству кварков. Модель из четырех лептонов и четырех кварков отличалась гораздо более приятной симметрией.

Теоретики добавили в винегрет четвертый кварк, тяжелый вариант верхнего кварка с зарядом +2/3. И поняли, что таким образом они отключили слабые нейтральные токи.

Слабые нейтральные токи могли возникать из-за распада с участием Z^0-частиц и более сложного распада с испусканием частиц W+ и W—. В обоих случаях конечный результат один и тот же – два противоположно заряженных мюона, m— и m+. Второй вариант распада показан на рис. 15, а. Там нейтральный каон (изображенный в виде сочетания нижнего кварка и странного антикварка) испускает виртуальную частицу W—, а нижний кварк (с зарядом —1/3) трансформируется в верхний кварк (с зарядом +2/3). Виртуальная частица W— распадается на мюон и мюонное антинейтрино.

Можно подумать, что получившийся в результате верхний кварк испускает виртуальную частицу W+, превращаясь в странный кварк. Частица W+ распадается на положительно заряженный мюон и мюонное нейтрино. Это называется однопетлевым вкладом в итоговый результат, который подразумевает распад нейтрального каона на положительно и отрицательно заряженные мюоны.

В принципе не было причин, почему этот вариант нейтрального тока нельзя было наблюдать. Однако обычные формы распада нейтральных каонов дают пионы, а не мюоны. Каким-то образом путь распада не доходил до мюонов. Глэшоу, Илиопулос и Майани поняли, что аналогичный путь распада с участием очарованного кварка решит вопрос – см. рис. 15, b. Разница в знаках у этих двух возможных путей распада означала, что они виртуально компенсируют друг друга. Нейтральный каон, как кролик, выхваченный на шоссе светом автомобильных фар, не может сообразить, в какую сторону прыгнуть, пока не будет уже слишком поздно.

Рис. 15

(a) Нейтральный каон через сложный механизм распадается на два мюона с испусканием частиц W— и W+. Общий заряд не изменяется, таким образом, это слабый нейтральный ток. (b) Путь распада в части (a) компенсируется этим альтернативным путем распада с участием очарованного кварка (обозначенного здесь буквой с)

Это было красивое решение. Каоны, главная площадка для экспериментального исследования слабого взаимодействия, должны давать слабые нейтральные токи, но этого почти никогда не происходило из-за альтернативных форм распада с участием очарованного кварка.

Взволнованные своим открытием, физики запрыгнули в машину и отправились в МИТ к американскому физику Фрэнсису Лоу, который тоже работал над этой проблемой. К ним присоединился Вайнберг, и они вместе спорили о плюсах и минусах этого нового механизма Глэшоу – Илиопулоса – Майани (ГИМ).

Однако случилось обычное недопонимание.

Почти все ингредиенты для объединенной теории слабого и электромагнитного взаимодействий уже были готовы у теоретиков, собравшихся в кабинете Лоу. Вайнберг догадался, как применить спонтанное нарушение симметрии с помощью механизма Хиггса в теории лептонного поля SU(2) × U(1), что позволило бы рассчитать массы частиц, а не вводить их вручную. Глэшоу, Илиопулос и Майани нашли потенциальное решение проблемы слабых нейтральных токов при распаде странных частиц, что сулило возможность расширить теорию SU(2) × U(1) на слабые взаимодействия с участием адронов. Но они по-прежнему вводили массы частиц вручную и бились с расхождениями.

Глэшоу, Илиопулос и Майани ничего не знали о статье Вайнберга 1967 года, а Вайнберг ничего о ней не сказал. Позднее он признался, что чувствовал какой-то «психологический барьер» по отношению к своей давней работе, особенно в том, что касалось вопроса, поддается ли электрослабая теория перенормировке[72]. Кроме того, предложенный очарованный кварк не вызвал у него особой симпатии. Из идеи Глэшоу, Илиопулоса и Майани вытекала не только одна новая частица, часть большой семьи частиц, возможно, сомнительной актуальности, а совершенно невиданный набор «очарованных» барионов и мезонов. Если очарованный кварк существует, то восьмеричный путь – всего лишь подмножество гораздо более крупного множества со многими очарованными членами.

В это было трудно поверить, только чтобы объяснить отсутствие слабых нейтральных токов при распаде странных частиц. «Конечно, не все поверили, что существуют предсказанные очарованные адроны», – сказал Глэшоу[73].

Дальше нельзя было идти, пока кто-нибудь не показал бы, что электрослабая теория Вайнберга – Салама поддается перенормировке.

Голландский теоретик Мартинус Велтман изучал математику и физику в Утрехтском государственном университете и стал профессором университета в 1966 году. В 1968 году он начал работать над проблемами перенормировки теории полей Янга – Миллса.

Исследования по физике высоких энергий не пользовались в Нидерландах особой популярностью, отчего у занимающихся ею возникало некоторое чувство отчужденности. Но Велтману это подходило, поскольку в таком случае ему не нужно было отстаивать свой выбор немодной темы для исследования.

В начале 1969 года к нему назначили молодого студента Герарда ’т Хоофта, чтобы закончить магистерскую диссертацию. Велтман не стал поручать своему студенту работу над теориями Янга – Миллса, так как посчитал тему слишком рискованной и едва ли способствующей удачному трудоустройству в дальнейшем. Но после успешной защиты диссертации ’т Хоофту предложили остаться в университете, чтобы он смог получить докторскую степень. ’т Хоофт выразил желание и дальше работать с Велт маном.

Велтман по-прежнему считал, что теории Янга – Миллса таят множество опасностей. Ему удалось значительно продвинуться в вопросе перенормировки, но проблема никак не решалась. Однако ’т Хоофт был уверен, что это будет благодатной почвой для его докторской диссертации. Велтман сначала предлагал ему другую тему, но ’т Хоофт стоял на своем.

Казалось, они совсем не подходили друг другу. Велтман был здоровяк без сантиментов, гордый своими успехами, хотя и равнодушный к отсутствию интереса со стороны остальных коллег. ’т Хоофт был некрупного сложения, предпочитал держаться в тени, и за его скромностью скрывался необычно острый ум.

В своей книге 1997 года «В поисках фундаментальных частиц» ’т Хоофт, представляя Велтмана, рассказал один забавный случай. Однажды Велтман вошел в лифт, где уже было много народу. Когда нажали кнопку, раздался сигнал, что лифт перегружен. Все посмотрели на Велтмана, который был довольно крупным человеком и к тому же вошел последним. Кто-то другой на его месте, возможно, смущенно бы извинился и вышел, Велтман ни о чем таком и не подумал. Он знал принцип эквивалентности Эйнштейна, лежащий в основе общей теории относительности: если человек находится в свободном падении, он не испытывает собственного веса. Он понял, что надо делать.

«Когда я скажу «давай», жмите!» – воскликнул он[74].

И тогда он подпрыгнул и крикнул: «Давай!»

Кто-то нажал кнопку, лифт начал подниматься. Когда Велтман приземлился, лифт уже набрал достаточную скорость и не остановился. ’т Хоофт тоже находился в лифте.

Как-то осенью или зимой 1970/71 года Велтман с ’т Хоофтом шли по университетскому кампусу.

– Мне все равно, что и как, – заявил Велтман своему студенту, – но нам нужна хотя бы одна перенормируемая теория с массивными векторными бозонами, и похоже это на природу или нет, не важно, [это все] детали, которые потом доделает какой-нибудь фанатик. В любом случае все возможные модели уже опубликованы[75].

– Это я могу, – тихо сказал ’т Хоофт.

Прекрасно понимая, как трудна проблема и что другие физики – например, Ричард Фейнман – пытались ее решить и не смогли, Велтман очень удивился, услышав ’т Хоофта. Он чуть не врезался в дерево.

– Что-что? – переспросил он.

– Я могу это сделать, – повторил ’т Хоофт.

Велтман так долго бился над проблемой, что ему не верилось, будто у нее может быть такое простое решение, как представлялось ’т Хоофту. Понятно, почему Велтман отнесся к его словам с недоверием.

– Запиши, и посмотрим, – сказал он.

Но летом 1970 года на курсах в Каржезе, корсиканском городке, ’т Хоофт узнал о спонтанном нарушении симметрии. В конце 1970 года он в своей первой статье показал, что теории полей Янга – Миллса с безмассовыми частицами поддаются перенормировке. ’т Хоофт был уверен, что применение спонтанного нарушения симметрии позволит перенормировать и теории Янга – Миллса с массивными частицами.

И вскоре он действительно все записал.

Велтману не понравилось, что ’т Хоофт использовал механизм Хиггса. Его особенно заботило, что наличие фонового поля Хиггса, пронизывающего всю Веленную, обязательно должно проявляться через гравитационные эффекты[76].

Так они спорили и спорили. В конце концов ’т Хоофт решил показать научному руководителю результаты его теоретических выкладок, не говоря конкретно, откуда они взялись. Велтман и так это прекрасно понимал, но удовольствовался тем, что просто проверил истинность результатов ’т Хоофта.

За несколько лет до того Велтман разработал новый подход к сложным алгебраическим манипуляциям с помощью компьютерной программы, которую он назвал Schoonschip, что по-голландски означает «чистый корабль»[77]. Это была одна из первых компьютерных алгебраических программ, способных манипулировать математическими уравнениями в виде символов. Велтман поехал в Женеву, взяв с собой результаты ’т Хоофта, чтобы проверить их на компьютере в ЦЕРНе.

Велтман был взволнован, но сохранял скептическое отношение. Настраивая программу, он посмотрел на результаты и решил убрать несколько четырехкратных множителей из уравнений ’т Хоофта, множителей, которые можно было отследить к бозону Хиггса. Четырехкратные множители казались Велтману просто безумием. Он настроил программу и запустил ее без них.

Вскоре он уже звонил ’т Хоофту и говорил: «Она почти работает. Ты только ошибся кое-где с двукратными множителями»[78]. Но ’т Хоофт не ошибался. «Тогда он понял, что даже четырехкратный множитель верен, – рассказал ’т Хоофт, – и все прекрасно получается. Тогда он разволновался так же, как я раньше».

’т Хоофт вполне независимо (и по чистому совпадению) воссоздал теорию поля SU(2) × U(1), которую Вайнберг разрабатывал в 1967 году, и показал, что ее можно перенормировать. ’т Хоофт думал применить теорию поля к сильному взаимодействию, но, когда Велтман спросил у коллеги из ЦЕРНа, знает ли он о других применениях теории SU(2) × U(1), его отправили к статье Вайнберга. Велтман и ’т Хоофт поняли, что они получили полностью перенормируемую квантовую теорию поля для электрослабого взаимодействия.

Это был настоящий прорыв. «Психологический эффект от доказательства перенормируемости был огромен», – написал Велтман несколько лет спустя[79]. На самом деле ’т Хоофт продемонстрировал, что калибровочные теории Янга – Миллса в принципе поддаются перенормировке. Локальные калибровочные теории фактически являются единственным классом теорий поля, которые можно перенормировать.

’т Хоофту было всего 25 лет. Сначала Глэшоу не понял доказательства. О ’т Хоофте он сказал: «Либо этот парень полный идиот, либо он величайший гений физики за много лет»[80]. Вайнберг сначала не поверил, но, когда увидел, что его коллега-теоретик отнесся к работе ’т Хоофта серьезно, решил приглядеться к ней поближе. И она его сразу убедила.

’т Хоофта назначили доцентом кафедры Утрехтского университета. Наконец-то все ингредиенты теории были в наличии. Перенормируемая, спонтанно нарушаемая теория поля SU(2) × U(1) для слабого и электромагнитного взаимодействия уже маячила на горизонте. Массы W±– и Z^0-бозонов возникли «естественно из применения механизма Хиггса». Еще оставались некоторые аномалии, но ’т Хоофт указал в сноске в опубликованной статье, что они не делают теорию неперенормируемой. «Конечно, – писал он много лет спустя, – это нужно понимать так, что перенормируемость можно восстановить за счет добавления необходимого количества разного рода фермионов (кварков), но, признаюсь, я даже думал, что, может быть, это и не понадобится»[81]. Оставшиеся аномалии можно было устранить, добавив в модель несколько кварков.

А можно ли было надеяться на квантовую теорию поля для сильного взаимодействия?

Гелл-Манн получил Нобелевскую премию по физике 1969 года за большой вклад в науку, в основном за открытие странности и восьмеричного пути. Ивар Валлер, член Нобелевского комитета по физике, перечислил его достижения, когда официально представлял Гелл-Манна. Валлер также упомянул кварки и сказал, что, несмотря на усиленные поиски, они все еще не найдены. Однако он любезно признал, что кварки тем не менее имеют большую «эвристическую» ценность.

Гелл-Манну пришлось свыкаться со статусом знаменитости, которым автоматически наделяется нобелевский лауреат. Его завалили приглашениями на конференции и просьбами о статьях, так что ему совсем не хватало времени писать, хотя это и раньше давалось ему с трудом. Он даже пропустил сроки подачи собственной Нобелевской лекции в Шведскую академию, которая собиралась издать сборник лекций Le Prix Nobel[82]. И это были не единственные сроки, которые он нарушил.

Летом 1970 года Гелл-Манн с семьей уехал в Аспен, штат Колорадо. Но он скрывался от обязательств, а не от науки. Там же, в Аспенском физическом центре физики, проводили отпуск и другие физики со своими семьями.

Центр был специально создан для нобелевских лауреатов, которые хотели бы, чтобы их ничто не отвлекало. Его открыли в 1962 году на базе Аспенского института гуманитарных наук после обращения двух физиков. Они предложили создать такое место со спокойной, расслабленной, не слишком организованной атмосферой, куда физики могли бы сбежать от административных обязанностей, которые накладывала на них повседневная университетская работа, и просто говорить друг с другом о науке. Институт отдал под это часть своего кампуса АспенМедоус, расположенного в осиновой роще на городской окраине.

Именно в Аспене Гелл-Манн столкнулся с Харальдом Фрицшем, убежденным сторонником модели кварков, который с изумлением узнал, что Гелл-Манн, как ни странно, неоднозначно относится к своему собственному «математическому» изобретению.

Фрицш родился в Цвикау, городе на юге от Лейпцига. Вместе с коллегой он сбежал из коммунистической ГДР и потом от болгарских властей на лодке с подвесным мотором. Они проплыли больше 300 километров по Черному морю и добрались до Турции.

Он получал докторскую степень по теоретической физике в Институте физики и астрофизики Макса Планка в Мюнхене, ФРГ, где одним из его преподавателей был Гейзенберг. Летом 1970 года он проезжал через Аспен, направляясь в Калифорнию.

Еще студентом в ГДР Фрицш проникся убеждением, что кварки должны лежать в основе квантовой теории поля для сильного ядерного взаимодействия. Это были не просто математические приемы. Это было что-то настоящее.

Гелл-Манна впечатлил энтузиазм молодого немца, он согласился, чтобы Фрицш посещал его в Калтехе примерно раз в месяц. Вместе они стали работать над теорией поля на основе кварков. Окончив аспирантуру в ФРГ в начале 1971 года, Фрицш перевелся в Калтех.

Фрицш в некотором роде потряс основы консервативного отношения Гелл-Манна к кваркам. Это было не просто психологическое потрясение: приезд Фрицша в Калтех 9 февраля 1971 года совпал с настоящим землетрясением магнитудой 6,6 по шкале Рихтера, от которого ранним утром того же дня содрогнулась долина Сан-Фернандо недалеко от Силмара. «В память о том случае, – позднее писал Гелл-Манн, – я не стал поправлять покосившиеся картины на стене, пока их снова не потревожило землетрясение 1987 года»[83].

Гелл-Манн добился грантов для себя и Фрицша, и осенью 1971 года они оба поехали в ЦЕРН. Там Уильям Бардин, сын Джона Бардина, создателя теории сверхпроводимости вместе с Купером и Шриффером, рассказал им о некоторых аномалиях в расчетной скорости распада нейтральных пионов. Бардин некоторое время работал над этими расчетами в Принстоне со Стивеном Адлером. Они показали, что модель кварков с дробными зарядами предсказывает скорость распада, которая получалась в три раза меньше измеренной скорости. Адлер пошел дальше и показал, что модель кварков с целочисленными зарядами Хана – Намбу на самом деле лучше предсказывает скорость в измерениях.

Гелл-Манн, Фрицш и Бардин начали совместную работу над вариантами. Они хотели посмотреть, можно ли согласовать результаты распада нейтрального пиона с вариантом первоначальной модели кварков с дробными зарядами.

Как предполагали Хан и Намбу, им потребовалось новое квантовое число. Гелл-Манн решил назвать это новое квантовое число цветом. В новой системе кварки обладали бы тремя возможными цветными квантовыми числами: синим, красным и зеленым[84].

Барионы состояли бы из трех кварков разных цветов, так чтобы общий «цветной заряд» был равен нулю и давал «белый» цвет. Например, можно представить, что протон состоит из синего верхнего кварка, красного верхнего кварка и зеленого нижнего кварка (uburdg)[85]. Нейтрон состоял бы из синего верхнего кварка, красного нижнего кварка и зеленого нижнего кварка (ubdrdg). Мезоны, например пионы и каоны, состояли бы из цветных кварков и цветных антикварков, так чтобы общий цветной заряд был нулевым и частицы также были «белыми».

Это было красивое решение. Цвета кварков давали дополнительную степень свободы, и, значит, принцип Паули не нарушался. Утроение количества видов кварков означало, что скорость распада нейтрального пиона можно предсказать с точностью. И никто не мог ожидать, что цветной заряд проявится в экспериментах, ведь это свойство кварков, а кварки заключены внутри белых адронов. Цвет нельзя увидеть, потому что природа требует, чтобы все наблюдаемые частицы были белыми.

«Мы постепенно поняли, что [цветная] переменная решает все вопросы! – объяснял Гелл-Манн. – Она улучшает статистику и при этом не вынуждает нас использовать сумасшедшие новые частицы. Потом мы поняли, что она вдобавок может решить проблемы с динамикой, потому что на ней можно было построить калибровочную теорию SU(3), теорию Янга – Миллса»[86].

К сентябрю 1972 года Гелл-Манн и Фрицш подробнее разработали модель, состоящую из трех кварков с дробными зарядами, которые имели три аромата – верхний, нижний и странный – и три цвета и были связаны системой из восьми цветных глюонов – переносчиков сильного цветового взаимодействия. Гелл-Манн представил модель на конференции по физике высоких энергий, которая проводилась в честь открытия Национальной ускорительной лаборатории в Чикаго.

Но его уже начали одолевать сомнения. Больше всего Гелл-Манна беспокоил статус кварков и механизм, обеспечивающий конфайнмент[87], и он предпочитал не слишком распространяться о теории. Он упоминал вариант модели с одним глюоном и подчеркивал, что кварки и глюоны – «воображаемые».

Когда они с Фрицшем дошли до написания лекции, их обуяла нерешительность. «Готовя письменный вариант, – позднее писал Гелл-Манн, – к сожалению, мы поддались только что упомянутым сомнениям, и мы ушли в технические вопросы»[88].

Эти колебания не так уж трудно понять. Если цветные кварки действительно всегда заключены внутри белых барионов и мезонов, так что их цветной и дробный электрический заряд нельзя наблюдать, тогда можно сказать, что любые размышления об их свойствах – пустая болтовня.

Теоретики подошли очень близко к большому синтезу: слиянию теорий квантового поля на основе симметрии SU(3) × SU(2) × U(1), которое позже стало известно как Стандартная модель. Этот синтез должен был подготовить теоретическую основу для экспериментальной физики элементарных частиц в последующие 30 лет. Эта нерешительность была просто глубоким вдохом перед прыжком в воду.

Фактически дразнящие свидетельства существования кварков появились всего за несколько лет до того во время высокоэнергетических столкновений электронов и протонов. Результат экспериментов, проведенных в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) в Калифорнии, сильно намекал, что протон состоит из точечных частиц.

Однако было неясно, кварки ли эти точечные частицы. Что еще больше сбивало с толку, результаты также предполагали, что составные части внутри протона вовсе не находятся в железной хватке, а ведут себя так, будто могут совершенно свободно бродить по своим просторным жилищам. Как это совмещалось с идеей конфайнмента?

Работа теоретиков подходила к концу. Стандартная модель была почти закончена. Теперь пришла очередь экспериментаторов.

Часть вторая

Открытие

6

Переменные нейтральные токи

Глава, в которой у протонов и нейтронов оказывается внутренняя структура, а предсказанные нейтральные токи слабого ядерного взаимодействия находятся, теряются и находятся вновь

В космических лучах происходят некоторые самые высокоэнергетические столкновения частиц, иногда их энергия гораздо выше энергии, которой можно достичь даже в современных коллайдерах[89]. Но откуда берутся лучи, непонятно, и какие частицы и энергии становятся причиной наблюдаемых событий, неизвестно. Успех экспериментов с космическими лучами зависит от случайного обнаружения новых частиц или новых процессов, воспроизвести которые может оказаться очень сложно.

Несмотря на успешные эксперименты с космическими лучами, позволившие открыть позитроны, мюоны, пионы и каоны за два десятилетия между 1930-ми годами и началом 1950-х, для дальнейшего прогресса в физике частиц требовалось сначала разработать более мощные искусственные ускорители.

Первые ускорители были сконструированы во второй половине 1920-х годов. Это были линейные ускорители, в которых ускорение электронов и протонов происходило за счет разгона их через линейную последовательность осциллирующих электрических полей. На одном таком ускорителе Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон в 1932 году разогнали протоны до высокой скорости и затем выстреливали ими по неподвижным мишеням – ядрам, таким образом осуществив первые искусственно вызванные ядерные реакции[90].

В 1929 году американский физик Эрнест Лоуренс изобрел ускоритель иной конструкции. Он использовал магнит, чтобы заставить поток протонов двигаться по спирали, одновременно ускоряя их до все более высоких скоростей при помощи переменного электрического поля. Лоуренс назвал его циклотроном.

В Лоуренсе было что-то от шоумена с большими амбициями. За первым циклотроном последовали новые, все более крупные машины, и в 1939 году их кульминацией стало сооружение гигантского суперциклотрона с магнитом, который весил 2 тысячи тонн. Лоуренс посчитал, что он позволит протону развивать энергию в 100 миллионов электронвольт (100 МэВ), это порог энергии, требующейся протону для проникновения в ядро. Лоуренс обратился в фонд Рокфеллера с просьбой о поддержке. Его обращение стало звучать гораздо убедительнее после того, как во время теннисного матча ему сообщили, что ему только что присудили Нобелевскую премию по физике за 1939 год.

Когда началась война, циклотронную технологию Лоуренса использовали для решения других задач – для обогащения урана-235 в количестве достаточном для создания атомной бомбы, сброшенной потом на Хиросиму. В основу электромагнитной установки по разделению изотопов Центра национальной безопасности Y-12, сооруженной в Оук-Ридже, что в Восточном Теннесси, положена конструкция лоуренсовского циклотрона[91].

Работавшие в Y-12 магниты имели 76 метров в длину и весили от 3 до 10 тысяч тонн. Их конструкция истощила медные запасы США, и американское казначейство было вынуждено ссудить Манхэттенскому проекту 15 тысяч тонн серебра, чтобы закончить обмотку магнитов. Магниты забирали столько же энергии, как большой город, и были настолько сильные, что рабочие чувствовали, как их сила действует на гвоздики в их ботинках. Иногда женщины, стоявшие недалеко от магнитов, оставались без шпилек. Со стен пришлось снять трубы. 13 тысяч человек трудились на заводе, который был запущен в ноябре 1943 года.

Это был первый пример того, что в будущем станут называть «большой наукой».

В циклотроне использовалось постоянное магнитное поле и электрическое поле с фиксированной частотой, и в связи с этим энергия частиц была ограничена примерно 1000 МэВ (или 1 ГэВ, гигаэлектронвольт). Чтобы получить еще большую энергию, нужно прогонять ускоряемые частицы сгустками по кольцу, вдоль синхронно распределены магнитные и электрические поля. Одни из первых таких синхротронов – это Беватрон, ускоритель на 6,3 ГэВ, построенный в 1950 году в Радиационной лаборатории в Беркли, и Космотрон, ускоритель на 3,3 ГэВ, построенный в 1953 году в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке.

Другие страны последовали успешному примеру. 29 сентября 1954 года одиннадцать западноевропейских государств ратифицировали соглашение о создании Европейского совета по ядерным исследованиям (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, ЦЕРН)[92]. Три года спустя в СССР Объединенный институт ядерных исследований в Дубне, в 120 километрах от Москвы, открылся протонный синхротрон на 10 ГэВ. За ним последовал ЦЕРН и в 1959 году в Женеве пустил протонный синхротрон на 26 ГэВ.

Финансирование физики высоких энергий в США сильно возросло, когда в 1960 годах гонка за технологическое превосходство в холодной войне достигла апогея. В Брукхейвене в 1960 году построили сильнофокусирующий синхротрон, способный оперировать энергией 33 ГэВ. Казалось очевидным, что будущее физики элементарных частиц находится в руках конструкторов синхротронов, продвигающих технологии на все более высокие энергии столкновений.

Так, когда в 1962 году в Стэнфордском университете в Калифорнии началось сооружение нового линейного электронного ускорителя на 20 ГэВ стоимостью 114 миллионов долларов, многие физики отмахнулись от него, сочтя не соответствующим современным требованиям и способным только на второсортные эксперименты.

Но некоторые физики понимали, что постоянное повышение энергии адронных столкновений происходит за счет тонкости. Синхротроны разгоняли протоны и разбивали их о неподвижные мишени, в том числе другие протоны. По словам Ричарда Фейнмана, сталкивать протоны с протонами – «это все равно что разбивать друг о друга карманные часы, чтобы посмотреть, что у них внутри»[93].

Стэнфордский центр линейных ускорителей (SLAC) построен на 160 гектарах территории Стэнфордского университета примерно в 60 километрах южнее Сан-Франциско. Расчетной энергии пучка 20 ГэВ он впервые достиг в 1967 году. Трехкилометровый ускоритель имеет линейную, а не циклическую конструкцию, так как изгибание пучка электронов при помощи магнитного поля приводит к резкой потере энергии из-за рентгеновского синхротронного излучения.

Когда электрон сталкивается с протоном, могут иметь место три разных вида взаимодействия. Электрон может относительно безвредно отскочить от протона, обменявшись виртуальным фотоном, при этом скорость и направление электрона изменится, но частицы останутся целыми. Это так называемое упругое рассеяние дает электроны с относительно высокой рассеянной энергией, группирующейся вокруг пика.

Во втором виде взаимодействий при столкновении с электроном может происходить обмен виртуальным фотоном, который посылает протон в то или иное возбужденное энергетическое состояние. Рассеянный электрон в итоге оказывается с меньшим количеством энергии, и сравнение на графике рассеянной энергии с приобретенной показывает серию пиков или резонансов, соответствующих разным возбужденным состояниям протона. Такое рассеяние называется неупругим, так как могут создаваться новые частицы (например, пионы), хотя и электрон, и протон выходят из взаимодействия целыми. По сути, энергия столкновения и обмен виртуальным фотоном переходит в образование новых частиц.

Третий тип взаимодействия называется глубоко неупругим рассеянием, при котором большая часть энергии электрона и виртуального фотона переходит в полное уничтожение протона. В итоге возникает целый фонтан разных адронов, и рассеянный электрон отскакивает уже со значительными потерями энергии.

Исследования глубоко неупругого рассеяния на относительно небольших углах с жидководородной мишенью начались в Стэнфордском центре ускорителей в сентябре 1967 года. Их проводила небольшая группа экспериментаторов с участием физиков МИТ Джерома Фридмана и Генри Кендалла и работающего в лаборатории канадского физика Ричарда Тейлора.

Они сосредоточили внимание на поведении так называемой структурной функции, функции разницы между начальной энергией электрона и энергией рассеянного электрона. Эта разница связана с энергией, потерянной электроном в столкновении, или энергией виртуального фотона, которым обмениваются частицы. Они увидели, что по мере увеличения энергии виртуального фотона структурная функция показывает заметные пики, соответствующие ожидаемым резонансам протона. Однако при дальнейшем увеличении энергии эти пики сменялись широкими плато, которые постепенно снижались, когда уходили достаточно далеко в диапазон глубоко неупругих столкновений.

Любопытно, что форма функции оказалась в большой степени независимой от начальной энергии электрона. Экспериментаторы не могли понять почему.

Зато это понял американский теоретик Джеймс Бьеркен. Бьеркен получил докторскую степень в Стэнфордском университете в 1959 году и незадолго до экспериментов вернулся в Калифорнию после того, как проработал некоторое время в копенгагенском Институте Нильса Бора. Перед самым открытием Стэнфордского центра ускорителей он разработал модель, позволявшую предсказывать результаты электрон-протонных столкновений при помощи довольно эзотерического подхода, основанного на квантовой теории поля.

В этой модели протон можно было представить двумя разными способами. Его можно было считать твердым «шариком» вещества с равномерно распределенными массой и зарядом. Или его можно было считать областью почти пустого пространства, которое содержит невидимые, точечные элементы, почти как атом, который, как было показано в 1911 году, представляет собой пустое пространство, содержащее крошечное положительно заряженное ядро.

Эти два очень разных взгляда на структуру протона должны приводить к очень разным результатам рассеяния. Бьеркен понял, что при достаточной энергии электроны могли бы проникнуть внутрь «составного» протона и столкнуться с его точечными элементами. В диапазоне глубоко неупругих столкновений электроны были бы рассеяны в больших количествах, под большими углами, и структурная функция вела бы себя именно так, как это происходило при экспериментах.

Бьеркен не стал говорить, что эти точечные элементы могут быть кварками. Кварковая модель все еще вызывала насмешки у большинства физиков, и некоторые другие теории пользовались большим уважением. Споры о том, как следует интерпретировать данные, бушевали даже в самой группе физиков МИТ и Стэнфордского центра ускорителей. В связи с этим физики не торопились заявить, что их результаты свидетельствуют о существовании кварков.

Так продолжалось еще десять месяцев.

Ричард Фейнман посетил Стэнфордский центр ускорителей в августе 1968-го. Поработав со слабым ядерным взаимодействием и квантовой гравитацией, он решил снова взяться за физику высоких энергий. Его сестра Джоан жила в доме недалеко от центра, и, навещая ее, он пользовался возможностью «пошнырять» вокруг ускорителя и выяснить, что творится в полях.

Он услышал о работе группы физиков из МИТ и Стэнфордского центра над глубоко неупругим рассеянием. Должен был вот-вот начаться второй круг экспериментов, но физики все еще думали над интерпретацией данных предыдущего года.

Бьеркена не было в городе, но его новый научный сотрудник Эммануль Пасчос рассказал Фейнману о поведении структурной функции и спросил, что он насчет этого думает. Увидев данные, Фейнман заявил: «Всю жизнь я искал такой эксперимент, который мог бы проверить теорию поля для сильного взаимодействия!»[94] И в ту же ночь в номере своего мотеля он все разложил по полочкам.

Он считал, что поведение частиц, которое наблюдали экспериментаторы, связано с распределением импульса точечных элементов глубоко внутри протона. Фейнман назвал эти элементы «партоны» – буквально «части протона», – чтобы не впутываться в конкретные модели внутреннего строения протона[95].

«Мне правда нужно вам кое-что показать, – сказал Фейнман Фридману и Кендаллу на следующее утро. – Я до всего додумался в мотеле вчера ночью!»[96] Бьеркен и сам уже пришел к большинству выводов, которые изложил перед ними Фейнман, и Фейнман признал его приоритет. Но Фейнман снова сумел описать физику гораздо более простым, но красноречивым, более наглядным способом. Когда он вернулся в Стэнфордский центр ускорителей в октябре 1968 года, чтобы прочесть лекцию о партонной модели, он будто бы разжег пожар. Ничто так не придает силу идее, как когда ее с энтузиазмом отстаивает нобелевский лауреат.

Правда ли, что партоны – это в самом деле кварки? Фейнман не знал ответа, и ему было все равно, но у Бьеркена и Пасчоса скоро уже была подробная модель партонов, основанная на триплетах кварков.

Дальнейшее изучение глубоко неупругого рассеяния электронов на нейтронах в Стэнфордском центре ускорителей и результаты исследования рассеяния нейтрино на протонах в ЦЕРНе дали новые подтверждения. К середине 1973 года кварки официально «состоялись». Может быть, мысль о них как о странной игре природы родилась в шутку, но теперь они сделали решительный шаг к тому, чтобы их признали действительными составными частями адронов.

Некоторые важные вопросы оставались без ответа. Поведение структурных функций можно было понять только при условии, если допустить, что отельные кварки движутся внутри протона или нейтрона совершенно независимо друг от друга. И однако же 20-гигаэлектронвольтные электроны ударяли в отдельные кварки, что приводило к уничтожению нуклонов-мишеней, так почему же кварки при этом не высвобождались?

Это не имело никакого смысла. Если сильное взаимодействие с такой мощью удерживает кварки внутри нуклонов, что они навечно там заключены и никто никогда не сможет их увидеть, как же может быть, что внутри нуклонов кварки, по всей видимости, движутся с полной свободой?

К концу 1971 года законченная квантовая теория поля для электрослабого взаимодействия была полностью разработана, и теоретики все больше убеждались в ее истинности. Нарушение симметрии при помощи механизма Хиггса могло объяснить разницу между электромагнитным и слабым ядерным взаимодействиями, которые в ином случае оставались бы все тем же универсальным электрослабым взаимодействием. Нарушение симметрии сообщило массу переносчикам слабого взаимодействия, в то же время оставив фотоны безмассовыми. Для слабого взаимодействия требовалось два заряженных переносчика, частицы W+ и W—, и нейтральный переносчик, частица Z^0. Если Z^0 существует, то можно было ожидать, что их взаимодействие с обменом проявится в виде слабых нейтральных токов.

Если теория верна, то следовало ожидать, что нейтральные каоны покажут слабые нейтральные токи, что также подразумевало изменение странности. Наконец-то было объяснено довольно странное отсутствие этих меняющих странность токов за счет механизма ГИМ и существования четвертого – очарованного – кварка.

Теоретики обратились к другим источникам слабых нейтральных токов, которые не влекли за собой изменения странности, и стали убеждать экспериментаторов, чтобы те занялись их поисками. Наилучшими кандидатами были взаимодействия между мюонными нейтрино и нуклонами: протонами и нейтронами. В столкновениях мюонного нейтрино и нейтрона, например, обмен виртуальной W—-частицей превращает мюонное нейтрино в отрицательный мюон, а нейтрон – в протон. Это заряженный ток. Обмен виртуальной Z^0-частицей оставляет невредимыми и мюонное нейтрино, и нейтрон – это нейтральный ток (см. рис. 16). Если происходят оба процесса, тогда данные о слабых нейтральных токах можно получить за счет рассеяния мюонных нейтрино на нуклонах, а еще можно поискать события, при которых не образуются мюоны. По оценке Вайнберга, на каждые 100 событий с заряженными токами должно приходиться примерно от 14 до 33 событий с нейтральными токами.

Проблема в том, что нейтрино – чрезвычайно легкие, нейтральные частицы, не оставляющие следов в детекторах частиц. Детекторы регистрируют прохождение заряженных частиц, которые отрывают электроны в атомах материала детектора, оставляя за собой характерный след заряженных ионов. Первый детектор такого типа изобрел шотландский физик Чарльз Вильсон в 1911 году. В диффузионной камере следы частиц можно наблюдать благодаря конденсации водяного пара вокруг остающихся ионов.

Рис. 16

(а) Нейтрон сталкивается с мюонным нейтрино и обменивается виртуальной W-частицей. В результате нейтрон превращается в протон, а нейтрино в мюон. Это заряженный ток. Однако то же столкновение может происходить и с обменом виртуальной Z^0-час тицей (b). Обе частицы не меняются, мюон не возникает. Это так называемое безмюонное событие представляет собой нейтральный ток

В начале 1950-х диффузионную камеру сменила пузырьковая, которую изобрел американский физик Дональд Глазер, хотя принцип ее работы очень похожий. Пузырьковая камера наполнена жидкостью с температурой близкой к точке кипения. Заряженная частица, проходя сквозь жидкость, опять-таки оставляет за собой след из заряженных ионов и электронов. Если затем давление выше жидкости понизить, она начинает кипеть. Однако сначала она закипит вдоль следа ионов, образуя пузырьки, благодаря которым след становится видимым. После этого след можно сфотографировать, а давление повысить, чтобы прекратить дальнейшее кипение.

Преимущество пузырьковой камеры в том, что жидкость в камере может также служить мишенью для частиц ускорителя. В большинстве пузырьковых камер используется жидкий водород, но также в них можно использовать более тяжелые жидкости, например пропан и фреон (как в старых холодильниках).

Единственным следом безмюонного события такого типа, который искал Вайнберг, был всплеск адронов, который бы внезапно появился в детекторе, как бы из ниоткуда. Но такой таинственный всплеск адронов мог бы иметь и множество других, довольно обыденных объяснений. Мюонные нейтрино могли ударить по атомам в стенках детектора и оторвать нейтроны, из которых в дальнейшем могли получиться адроны, зафиксированные детектором. Продуктом событий «выше по течению» детектора могли стать нейтроны, а их продуктом адроны. А если мюон, образованный во время события с заряженным током, рассеивался с большим углом отдачи, его вполне было можно пропустить и не заметить. Подобные фоновые события можно было легко списать как истинные безмюонные события и потому по ошибке идентифицировать как слабые нейтральные токи.

Экспериментаторов очень волновали трудности подобных поисков. В списке экспериментальных приоритетов, который составили физики ЦЕРНа в ноябре 1968 года, на самом верху стояли W-частицы, а поиск слабых нейтральных токов занимал скромное восьмое место. «Дело в том, что вплоть до 1973 года не было надежных данных в пользу нейтральных токов, но было много данных против них», – написал оксфордский физик Дональд Перкинс[97].

Однако к весне 1972 года огромные теоретические успехи выдвинули поиск нейтральных токов в самый верх списка. Физики стали задумываться о том, что, может быть, у них есть шанс получить окончательный ответ.

Большая и все растущая международная коллаборация во главе с физиком ЦЕРНа Полем Мюссе, Андре Лагарригом из ускорительной лаборатории в Орсэ и Дональдом Перкинсом работала над крупнейшей пузырьковой камерой с тяжелой жидкостью, которую назвали Гаргамель[98]. Гаргамель построили во Франции при финансировании французской Комиссии по атомной энергии и установили в ЦЕРНе в 1970 году рядом с протонным синхротроном на 26 ГэВ. На создание Гаргамель ушло шесть лет, он был сконструирован специально для изучения столкновений с участием нейтрино.

Гаргамель проработал почти год и дал множество безмюонных событий, которые физики отмели как фоновый шум от блуждающих нейтронов. Но потом экспериментаторы посмотрели на эти события с новым интересом.

Трудность состояла в том, чтобы отличить истинные безмюонные события со слабыми нейтральными токами от событий с фоновыми нейтронами и рассеянием мюонов под большими углами и неправильной идентификации. Это была кропотливая и весьма неблагодарная работа, но в конце 1972 года физики, совместно работавшие на Гаргамеле в составе группы из семи европейских лабораторий, а также гостей из Америки, Японии и СССР, начали думать, что им все-таки удалось что-то найти. Однако мнения даже внутри группы разделились, хотя не столько по поводу реальности самих нейтральных токов, а скорее по поводу того, можно ли считать собранные ими данные достаточно убедительными.

Тем временем поиск начался и в США. В Национальной ускорительной лаборатории (NAL)[99] в Чикаго был построен крупнейший в мире протонный синхротрон, достигший расчетной энергии 200 ГэВ в марте 1972 года. Итальянский физик Карло Руббиа из Гарварда, Альфред Манн из Пенсильванского университета и Дэвид Клайн из Висконсинского университета использовали генерируемые синхротроном пучки мюонных нейтрино для поиска безмюонных событий. Команда ЦЕРНа ушла вперед, но их предварительные данные были неокончательными. Честолюбивый Руббиа решил стать первым.

Найти безмюонные события было легко. Трудно было доказать, что они происходят из слабых нейтральных токов. Когда Мюссе представил новые предварительные данные в начале 1973 года, не было ни торжественных фанфар, не заявлений об открытии, к которому все так стремились.

Преимущество группы из Национальной ускорительной лаборатории позволило догнать физиков ЦЕРНа. Их синхротрон был мощнее, он был способен создавать больше событий с рассеянием мюонного нейтрино за меньшее время. Их детектор также работал с более крупной массой мишени, чем Гаргамель, что повышало шансы обнаружения событий с рассеянием. Все эти факторы сказались на уменьшении воздействия фоновых нейтронов, но ничего нельзя было сделать с мюонами, которые рассеивались под большими углами и «убегали» от обнаружения. Руббиа со своей гарвардской командой пытался учесть долю этих событий при помощи компьютерных симуляций, для этого он вычитал их теоретически предполагаемое количество из количества безмюонных событий, установленных экспериментально, чтобы таким образом получить количество истинных мюонных событий.

Это был довольно натянутый компромисс, и Манна с Клайном одолевали глубокие сомнения. Руббиа, понимая, что физики ЦЕРНа тоже накапливают массу данных, сильно торопился[100]. Манн и Клайн слишком хорошо осознавали, что подобное напряжение может легко привести к самообману, к убеждению в существовании чего-то, чего на самом деле не существовало. Они призывали к осмотрительности.

Известия об успехе физиков Национальной ускорительной лаборатории достигли ЦЕРНа в июле 1973 года.

В письме Лагарригу Руббиа заявил, что они накопили «около ста однозначных событий» [с нейтральными токами][101]. Дальше он предложил обеим группам опубликовать данные о своих находках одновременно. Лагарриг вежливо отказался. Физики ЦЕРНа установили истинно безмюонные события в столкновениях мюонных нейтрино с нуклонами и оценили отношение событий с нейтральными токами к событиям с заряженными как 0,21. Для столкновений с мюонными антинейтрино отношение составило 0,45. После этого физики объявили, что наконец-то нашли слабые нейтральные токи, и отправили статью в журнал Physics Letters. Журнал опубликовал ее в сентябре.

По расчетам группы Национальной ускорительной лаборатории, отношение нейтральных к заряженным токам для столкновений с мюонным нейтрино и антинейтрино составляло 0,29, что вполне согласовалось с результатами ЦЕРНа[102].

В этот критический момент у Руббиа истекла американская виза, и, хотя он был профессором в Гарварде, ему грозила депортация. На апелляционном слушании в Службе иммиграции и натурализации США он вышел из себя. Не прошло и суток, как он уже был на борту самолета, улетающего из страны.

Без Руббиа сотрудники Национальной лаборатории пошли на попятную. Их статью, представленную в журнал Physical Review Letters в августе, отвергли рецензенты, озабоченные тем, что не была как следует решена проблема исключения ошибочных безмюонных событий. Тогда Клайн и Манн перестроили детектор, намереваясь решить вопрос так или иначе.

Истинные безмюонные события сразу же исчезли, а отношение нейтральных к заряженным токам упало всего до 0,05. Физики Национальной ускорительной лаборатории убедились, что предыдущие результаты были заблуждением.

Руббиа был также заметной фигурой в ЦЕРНе и решил поднять шум. Он сказал генеральному директору ЦЕРНа Виллибальду Йенчке, что коллектив Гаргамеля совершил большую ошибку. ЦЕРН по-прежнему был в глубокой тени по сравнению с более известными американскими соперниками, и его репутация в мире пострадала из-за предыдущих промахов. Многие европейские физики склонялись к мнению, что результаты Гаргамеля ошибочны, и даже один из ведущих физиков ЦЕРНа поставил половину своего винного погреба на неверность результатов. Йенчке пришел в ужас при мысли, что репутация ЦЕРНа снова пострадает, и созвал физиков Гаргамеля на совещание. Оно было похоже на допрос в инквизиции.

Однако физики Гаргамеля, хотя их и потрясло такое развитие событий, упорно стояли на своем. Они не собирались отказываться от своих выводов. Перкинс столкнулся с Йенчке в церновском лифте и подбодрил его. «Я знал, что группа много раз проверяла анализ событий, и почти целый год мы искали другое объяснение для наблюдаемых событий, но безуспешно, – сказал Перкинс. – Поэтому я считал, что результат абсолютно надежен и [Йенчке] надо просто не обращать внимания на слухи из-за Атлантики. Не знаю, успокоили его мои слова или нет, но из лифта он вышел с улыбкой»[103].

Руббиа вернулся в Национальную ускорительную лабораторию в начале ноября, и тамошняя группа стала работать над совсем другой статьей, где заявлялось, что, вопреки последним отчетам ЦЕРНа и предсказаниям электрослабой теории, слабые нейтральные токи не найдены.

Дальше случился довольно неуклюжий разворот на 180 градусов. В середине декабря 1973 года физики Национальной ускорительной лаборатории поняли, что их детекторы ошибочно установили пионы, образующиеся в других столкновениях с нейтрино, как мюоны. Из-за этого количество безмюонных событий буквально свелось на нет. Слабые нейтральные токи вернулись. Клайну пришлось признать, что «вполне возможно, что данные говорят о безмюонном сигнале порядка 10 процентов»[104]. Он не мог найти, что бы заставило эти события исчезнуть. Группа Национальной ускорительной лаборатории решила снова отправить в журнал свою первоначальную статью, внеся в нее соответствующие изменения. Статья вышла в Physical Review Letters в апреле 1974 года.

Некоторые физики в шутку называли открытие «переменными нейтральными токами».

В середине 1974 года другие лаборатории подтвердили результат, и путаница рассеялась. Слабые нейтральные токи стали экспериментальным фактом.

Однако следствия этого открытия оказались даже еще важнее. Слабые нейтральные токи подразумевали существование «тяжелых протонов», ответственных за перенос слабого взаимодействия. И если при распаде странных частиц нельзя было установить нейтральных токов, то причиной должно было быть то, что их подавляет механизм ГИМ.

Иными словами, должен существовать четвертый кварк.

7

Значит, это и есть W-частицы

Глава, в которой физики формулируют квантовую хромодинамику, открывают очарованный кварк и находят W– и Z-частицы именно там, где и предсказывали

Наконец-то фрагменты головоломки стали складываться. Оказалось, что загадка существования точечных частиц, свободно движущихся внутри нуклонов, что обнаружилось в экспериментах по глубоко неупругому рассеянию в Стэнфордском центре ускорителей, совсем не загадка, а прямое следствие природы сильного ядерного взаимодействия, которое ведет себя вопреки очевидному.

Представляя себе характер взаимодействия между двумя частицами, чаще всего мы вспоминаем о таких примерах, как гравитация и электромагнетизм, в которых чем ближе частицы друг к другу, тем взаимодействие между ними сильнее[105]. Но сильное ядерное взаимодействие ведет себя совсем по-другому. Его сила проявляется в так называемой асимптотической свободе. В асимптотическом пределе нулевого разделения между двумя кварками они перестают взаимодействовать и становятся полностью «свободными». Однако чем больше они отделяются друг от друга, подходя к границам нуклона, тем крепче их держит сильное взаимодействие и не пускает наружу.

Рис. 17

(a) Сила электромагнитного притяжения между двумя электрически заряженными частицами увеличивается, когда частицы приближаются. Однако сила цветового взаимодействия, связывающая кварки внутри адронов, ведет себя совсем по-другому, как в варианте (b). При нулевом разделении между кварком и антикварком (например) оно падает до нуля. Оно увеличивается, чем дальше кварки друг от друга

Похоже, будто кварки привязаны к концам прочной резинки. Когда кварки находятся на близком расстоянии внутри нуклона, резинка не натянута и между ними нет или почти нет взаимодействия. Оно возникает, только когда мы пытаемся отдалить кварки друг от друга и натягиваем резинку (см. рис. 17).

В конце 1972 года принстонский теоретик Дэвид Гросс решил показать, что асимптотическая свобода просто невозможна в квантовой теории поля. Вместо этого с помощью своего студента Фрэнка Вильчека он умудрился доказать прямо противоположное. Квантовые теории полей, основанные на локальных калибровочных симметриях, могут создавать условия для асимптотической свободы. Молодой гарвардский аспирант Дэвид Политцер независимо пришел к такому же открытию. Их статьи вышли бок о бок в июньском номере Physical Review Letters[106].

В июне Гелл-Манн опять поехал в Аспенский центр, сжимая в руке препринты статей Гросса – Вильчека и Политцера. К нему присоединился Фрицш и Генрих Лейтвилер, швейцарский теоретик из Бернского университета, который в то время находился в Калтехе. Вместе они разработали квантовую теорию поля Янга – Миллса для трех цветных кварков и восьми цветных безмассовых глюонов[107]. Чтобы объяснить асимптотическую свободу, глюоны должны были переносить цветной заряд. Никаких трюков с участием механизма, подобного хиггсовскому, не требовалось.

Новой теории нужно было имя. В 1973 году Гелл-Манн и Фрицш назвали ее квантовой адронной динамикой, но следующим летом Гелл-Манн решил, что придумал название получше. «У теории было много достоинств и не было ни одного известного недостатка, – объяснил он. – Следующим летом в Аспене я придумал назвать теорию квантовой хромодинамикой, или КХД, и настойчиво предлагал его Хайнцу Пагельсу и другим»[108].

Великий синтез, объединивший теории сильного и электрослабого взаимодействия в единой структуре SU(3) × SU(2) × U(1), казалось, наконец-то близок.

Но хотя асимптотическая свобода могла объяснить, почему кварки очень слабо взаимодействуют в адронах, она не объясняла, почему кварки всегда заключены внутри. Физики изобретали разные живописные модели. В одной окружающие кварки глюонные поля представлялись в виде узких трубок или струн цветного заряда, которые натягиваются между кварками по мере их разделения. Когда кварки расходятся в разные стороны, струна напрягается, потом растягивается, и сопротивление дальнейшему напряжению растет, чем больше она растягивается.

В конце концов струна рвется, но на таких энергиях, которых хватило бы для спонтанного возникновения пар кварк – антикварк из вакуума. Таким образом, например, нельзя вытянуть кварк из нуклона без возникновения антикварка, который тут же спарится с кварком и образует мезон, и другого кварка, который займет его место внутри нуклона. В конечном итоге энергия канализируется в спонтанное создание мезона, и отдельные кварки не наблюдаются. Кварки не столько заключены внутри нуклона, сколько никогда, просто никогда, не встречаются без компаньона[109].

Энергия изолированного, так сказать, «голого» цветного заряда велика. В принципе энергия одного изолированного кварка бесконечна. Кварк быстро накапливает оболочку из виртуальных глюонов, стремясь замаскировать цветной заряд, и энергия возрастает. Требуется гораздо меньше энергии, чтобы замаскировать заряд либо за счет спаривания с антикварком того же цвета, либо сочетания с двумя другими кварками разных цветов, так чтобы общий цветной заряд был равен нулю и получившаяся в результате целая частица была «белой».

Однако заряд кварка нельзя полностью замаскировать. Для этого нужно было бы каким-то образом сложить кварки в кучу. Но кварки похожи на электроны – это квантовые частицы со свойствами одновременно волны и частицы. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, установление положения кварков приведет к бесконечной неопределенности их импульсов. Таким образом, возникает возможность бесконечного импульса, что тоже требует огромных ресурсов.

Природа соглашается на компромисс. Цветной заряд не может быть полностью замаскирован, но энергия связанных глюонных полей может уменьшиться до управляемой величины. Тем не менее это существенная величина. Как оказалось, (гипотетические) массы верхних и нижних кварков довольно малы, в интервале между 1,5 и 3,3 МэВ и между 3,5 и 6,0 МэВ соответственно[110]. Измеренная масса протона составляет 938 МэВ, масса нейтрона – около 940 МэВ. Суммарная масса двух верхних кварков и одного нижнего кварка составит около 4,5–9,9 МэВ. Так откуда же берется остальная масса протона? Она берется из энергии глюонных полей внутри протона.

«Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?» – спрашивал Эйнштейн в 1905 году. Ответ: да. Около 99 процентов массы протонов и нейтронов – это энергия, переносимая безмассовыми глюонами, которые удерживают кварки внутри нуклонов. «Масса, казалось бы неразложимое свойство материи, синоним ее инертности и сопротивления переменам, – писал Вильчек, – оказывается проявлением гармоничного взаимодействия симметрии, неопределенности и энергии»[111].

Глэшоу посетил Брукхейвенскую лабораторию в августе 1974 года, чтобы опять уговорить экспериментаторов начать поиск очарованного кварка. Его услышал американский физик Сэмюэл Тинг. Он готовился исследовать высокоэнергетические протон-протонные взаимодействия на 30-гигаэлектронвольтном сильнофокусирующем синхротроне и как следует поискать электрон-позитронные пары в неразберихе образующихся адронов.

Когда данные показали, что электрон-позитронные пары накапливаются в узком «резонансе» при энергии около 3 ГэВ, экспериментаторы даже не знали, что об этом подумать. Они хотели устранить очевидные источники ошибок и перепроверить анализ. Безрезультатно. Пик упорно фиксировался на 3,1 ГэВ и упорно оставался узким. Возникло подозрение, что они напали на какое-то новое физическое явление.

Тинг предпочитал не рисковать. У него была репутация человека, который находит ошибки в экспериментах других физиков, и ему не хотелось, чтобы кто-то нашел ошибки у него. Его убеждали опубликовать результаты, но он отказывался, пока они не смогут подтвердить свои данные.

Тем временем на Западном побережье США у физика Стэнфордского университета Роя Швиттерса возникла одна проблема. В середине 1973 года в Стэнфордском центре ускорителей вступил в строй Стэнфордский асимметричный накопитель позитронного и электронного пучков (сокращенно SPEAR), в котором начали сталкивать разогнанные электроны и позитроны. Швиттерс нашел ошибку в одной из компьютерных программ, которые использовались для анализа данных, полученных в ходе экспериментов на SPEAR. Исправив ошибку, он снова проанализировал данные экспериментов за июнь 1974 года и увидел некоторую упорядоченность – маленькие бугорки на энергиях 3,1 и 4,2 ГэВ. Руководитель проекта американский физик Бертон Рихтер в конце концов распорядился реконфигурировать SPEAR для энергии столкновений около 3,1 ГэВ, так чтобы экспериментаторы вернулись и посмотрели еще раз.

К ноябрю 1974 года стало ясно, что и группа Тинга в Брукхейвене, и группа Рихтера в Стэнфордском центре открыли одну и ту же новую частицу, мезон, образованный очарованным кварком и очарованным антикварком. Группа Тинга решила назвать ее J-частицей, а группа Рихтера назвала ее ψ (пси). Это совместное открытие позднее окрестили ноябрьской революцией.

После этого случилась небольшая неразбериха из-за первенства. Обе группы не хотели уступать право первенства и признавать название мезона, которое ему дала другая группа, и его до сих пор называют J/ψ-мезоном. Тинг и Рихтер разделили Нобелевскую премию по физике за 1976 год.

Открытие J/ψ-мезона стало триумфом теоретической и экспериментальной физики. Кроме того, оно помогло привести в порядок структуру фундаментальных частиц – основу того, что быстро превращалось в современную Стандартную модель физики элементарных частиц.

Она состояла уже из двух поколений фундаментальных частиц, каждое из которых включало два лептона и два кварка, а также частицы – переносчики взаимодействий между ними. Электрон, электронное нейтрино, верхний кварк и нижний кварк входят в первое поколение. Мюон, мюонное нейтрино, странный кварк и очарованный кварк – во второе поколение, они отличаются от первых прежде всего массами. Фотон переносит электромагнитное взаимодействие, W– и Z-частицы переносят слабое ядерное взаимодействие, а восемь цветных глюонов – сильное ядерное или цветовое взаимодействие между цветными кварками.

Но к весне 1977 года были накоплены убедительные данные в пользу даже еще более тяжелого варианта электрона, который назвали тау-лептоном. Однако это было не то, что хотели услышать физики.

Тау-лептону требовалось тау-нейтрино, и неизбежно стали возникать гипотезы, что на самом деле это три поколения лептонов и кварков. Американский физик Леон Ледерман из Фермилаба обнаружил ипсилон (Υ) в августе 1977-го. Это мезон, состоящий из прелестного кварка (b-кварка), уже известного на тот момент, и его антикварка. Имея массу около 4,2 ГэВ, прелестный кварк представляет собой более тяжелый, относящийся к третьему поколению вариант нижнего и странного кварков с зарядом —1/3. Предполагалось, что последний представитель третьего поколения – истинный кварк – еще тяжелее и будет найден, когда будут построены коллайдеры, способные достигать необходимой энергии столкновения.

Хотя третье поколение лептонов и кварков проявилось довольно неожиданно, оно очень легко встроилось в Стандартную модель (см. рис. 18). На симпозиуме в Фермилабе в августе 1979 года были представлены данные о так называемых струях кварков и глюонов, полученных в экспериментах по электрон-позитронной аннигиляции. Это направленные всплески адронов, возникающие в процессе образования пары кварк – антикварк, причем один из кварков также «высвобождает» энергетический глюон. Эти характерные «трехструйные» события самым поразительным образом продемонстрировали кварки и глюоны.

До сих пор не хватало истинного кварка, как и непосредственных данных о W– и Z-частицах, переносчиках слабого взаимодействия. Когда Стандартная модель стала общепринятой, Глэшоу, Вайнберг и Салам узнали, что им собираются вручить Нобелевскую премию по физике 1979 года за их работу над единой электрослабой теорией.

Теперь соревнование шло за то, кто первым соберет все частицы и закончит коллекцию. В своей Нобелевской лекции Вайнберг объяснил, что электрослабая теория предсказывает массы W– и Z-частиц примерно на уровне 83 ГэВ и 94 ГэВ соответственно[112].

Еще в июне 1976 года ЦЕРН ввел в действие свой протонный суперсинхротрон (ПСС) – 6,9-километровый кольцевой протонный ускоритель, способный генерировать энергию частиц до 400 ГэВ. За месяц до его пуска протонный ускоритель в Фермилабе превзошел эту энергию, достигнув 500 ГэВ. Но когда частицы разбиваются о неподвижные мишени, это приводит к значительным потерям, поскольку отскакивающие частицы забирают энергию. В установках такого вида энергия, которую можно было бы направить на создание новых частиц, растет только как квадратный корень из энергии частицы в пучке.

Рис. 18

Стандартная модель физики элементарных частиц описывает отношения трех поколений материальных частиц через три вида взаимодействий, переносимых частицами поля, называемых также переносчиками взаимодействий

Следовательно, столкновения частиц, даже ускоренных до такой энергии, на которую был способен ПСС или ускоритель в Фермилабе, могли дать новые частицы только гораздо меньшей энергии. Чтобы достичь энергии, предсказанной для W– и Z-частиц, понадобится гораздо более мощный ускоритель, чем любой из уже построенных.

Был и другой выход. Идея столкновения пучков ускоренных частиц развивалась в 1950-х годах. Если пустить ускоренные частицы по двум связанным кольцам в противоположных направлениях, тогда можно привести пучки в лобовое столкновение. Тогда всю энергию ускоренных частиц можно было бы направить на создание новых частиц.

Такие коллайдеры[113] впервые были сконструированы в 1970-х годах. SPEAR стал одним из первых, но в нем происходили лобовые столкновения между лептонами (электронами и позитронами). В 1971 году ЦЕРН закончил сооружение накопительного кольца со встречными пучками ISR, адронного (протон-протонного) коллайдера, где в качестве источника ускоренных протонов использовался протонный синхротрон на 26 ГэВ. Протоны сначала ускорялись в синхротроне, потом поступали в ISR, где и сталкивались. Однако максимальной энергии столкновения – 52 ГэВ – было недостаточно, чтобы обнаружить W– и Z-частицы.

В апреле 1976 года в ЦЕРНе собралась исследовательская группа, чтобы дать заключение по поводу нового крупного проекта – строительства Большого электронпозитронного коллайдера (БЭП). Его предполагалось построить в 27-километровом кольцевом туннеле у Женевы под швейцарско-французской границей. Протонный суперсинхротрон должен будет разгонять электроны и позитроны до скоростей близких к скорости света и инжектировать их в кольцо коллайдера. Сталкиваться будут частицы (в данном случае электроны) и их античастицы (позитроны), циркулирующие в противоположных направлениях по одному кольцу. Исходная расчетная энергия составляла 45 ГэВ для каждого пучка, что в сумме даст энергию лобовых столкновений 90 ГэВ и подведет БЭП к самой границе энергий W– и Z-частиц.

У американского физика Роберта Уилсона, директора Фермилаба, были еще более грандиозные планы. Он хотел построить адронный коллайдер, способный достигать энергии столкновения 1 ТэВ (1000 ГэВ, тераэлектронвольт, или триллион электронвольт). В итоге он получит название Тэватрон. Такой коллайдер потребовал бы для ускорения частиц еще неиспытанных сверхпроводящих магнитов. И пока это было всего лишь предположение.

В такой ситуации находились физики, изучавшие высокоэнергетические частицы, в 1976 году. Церновский протонный суперсинхротрон мог разгонять частицы до 400 ГэВ, а ISR мог достигать энергии столкновения 52 ГэВ, но ни первого, ни второго не хватало для обнаружения W– и Z-частиц. БЭП в принципе мог бы их обнаружить, но он начнет работу только в 1989 году. Главное кольцо Фермилаба могло разгонять частицы до 500 ГэВ, чего все так же недоставало для обнаружения W– и Z-частиц. Тэватрон, теоретически способный достичь энергии столкновения в 1 ТэВ, еще не сошел с чертежной доски.

Физикам не хватало терпения ждать. «Потребность обнаружить W– и Z-частицы была так сильна, – вспоминает физик ЦЕРНа Пьер Дарьюла, – что даже самые терпеливые из нас были недовольны долгим проектированием, разработкой и строительством БЭПа. Возможность поскорее (и, хорошо бы, без загрязнения) взглянуть на новые бозоны была бы очень кстати»[114]. Терпение заканчивалось и у физиков Фермилаба.

Физикам по обе стороны Атлантики нужно было придумать, как с помощью имеющихся возможностей добраться до этого важнейшего уровня энергии.

Один возможный выход появился в конце 1960-х. В принципе ускоритель частиц можно было превратить в адронный коллайдер: пустить пучки протонов и антипротонов по кольцу ускорителя в противоположных направлениях. Тогда пучки можно было бы привести к лобовому столкновению. Протон-протонный коллайдер требовал двух пересекающихся колец, в которых пучки протонов движутся в противоположных направлениях, но протонантипротонные столкновения можно было устроить в одном кольце. Тогда можно было бы достичь энергии столкновений, которая вдвое больше энергии ускорителя.

Но это было не так просто. Антипротоны получаются в результате столкновения высокоэнергетических протонов с неподвижными мишенями (например, медными). Нужен миллион таких столкновений, чтобы получился единственный антипротон. Хуже того, возникающие антипротоны имеют широкий диапазон энергий, слишком широкий, чтобы попасть в накопительное кольцо. Лишь небольшая доля полученных таким образом антипротонов может «вписаться» в кольцо, что значительно уменьшит и интенсивность антипротонного пучка, и светимость пучка – это параметр количества столкновений, которые может дать пучок.

Чтобы пучок антипротонов обладал достаточной светимостью для успеха экспериментов на протон-антипротонном коллайдере, требуется, чтобы энергия антипротонов каким-то образом «сконцентрировалась» на уровне желаемой энергии пучка.

К счастью, голландский физик Симон ван дер Мер придумал, как этого добиться. Ван дер Мер окончил инженерный факультет Дельфтского университета технологии в 1952 году. Он несколько лет был сотрудником Philips в Голландии и в 1956 году поступил в ЦЕРН. В ЦЕРНе он занялся теоретическими аспектами ускорителей, в основном практическим применением теоретических принципов к сооружению и работе ускорителей и коллайдеров.

В 1968 году ван дер Мер провел несколько спорных экспериментов на ISR, но внутренний отчет о своих находках опубликовал лишь четыре года спустя. Причина задержки была простая: физика, которой он тогда занимался, казалась полным безумием. В своем отчете он написал: «В то время идея казалась бездоказательной, чтобы ее публиковать»[115].

Его эксперименты 1968 года позволяли предположить, что действительно есть возможность сконцентрировать антипротоны с начальным распределением энергий в гораздо более узком диапазоне, необходимом, чтобы попасть в накопительное кольцо. В этом методе используется пикап – чувствительный электрод, который определяет антипротоны с энергией, не соответствующей желаемой энергии пучка, и посылает сигнал кикеру – электроду с другой стороны кольца, чтобы вернуть частицы «в строй». Пикап подает кикеру сигнал, как пастух овчарке. Получив команду, собака лаем сгоняет отбившихся овец в стадо, чтобы оно аккуратно вошло в загон.

Ван дер Мер назвал метод стохастическим охлаждением. Слово «стохастический» означает случайность, а «охлаждение» говорит не о температуре пучка, а о случайных движениях и распределении энергий частиц, удерживаемых внутри его. Если повторить процесс много миллионов раз, пучок постепенно сольется и приобретет желаемую энергию. В 1974 году ван дер Мер провел еще несколько испытаний стохастического охлаждения на ISR. Результаты он получил скромные, но достаточные, чтобы считать, что принцип работает.

Между тем Карло Руббиа перестал переживать, что его обогнали физики ЦЕРНа и не дали первым открыть слабые нейтральные токи. Свою докторскую степень Руббиа получил в 1959 году в «Скуола нормале» итальянского города Пиза. Он работал над физикой мюонов в Колумбийском университете, а затем перебрался в ЦЕРН в 1961 году. В 1970-м его он получил место профессора в Гарварде и проводил там один семестр в году, а остаток времени в ЦЕРНе. За постоянные перелеты студенты окрестили его «профессор Алиталия»[116].

Руббиа был упрямый и целеустремленный человек, известный среди коллег тяжелым характером[117]. Он твердо вознамерился никому не позволить обогнать себя в погоне за частицами W и Z.

Вместе с коллегами из Гарварда Руббиа в середине 1976 года представил Уилсону предложение превратить протонный синхротрон в Фермилабе на 500 ГэВ в про тонантипротонный коллайдер. Уилсон ему отказал, предпочитая сосредоточить усилия на том, чтобы заручиться поддержкой в пользу Тэватрона. Казалось, что метод стохастического охлаждения не сулит особых успехов. Если он не сработает, будет потеряно драгоценное время работы синхротрона. Уилсон согласился на эксперимент стоимостью полмиллиона долларов на небольшой установке, чтобы посмотреть, будет ли работать метод.

Руббиа попросту обратился со своим предложением в ЦЕРН к тогдашнему генеральному директору ЦЕРНа Леону ван Хове и встретил там гораздо более приветливый прием. К июню 1978 года новые испытания стохастического охлаждения в ЦЕРНе дали весьма воодушевляющие результаты, и ван Хове был готов рискнуть. Это давало ЦЕРНу возможность открыть новые частицы, то есть добиться того, что уже несколько лет было прерогативой американских лабораторий. Кроме того, если бы ван Хове не согласился, Руббиа, скорее всего, обратился бы к Леону Ледерману, который возглавил Фермилаб после отставки Уилсона в феврале[118]. «Пожалуй, если бы ЦЕРН не купил идею Карло [Руббиа], он продал бы ее Фермилабу», – рассказал Дарьюла[119].

Руббиа получил разрешение сформировать команду физиков, которая бы спроектировала сложный детектор, необходимый для обнаружения W– и Z-частиц. Под него отвели большой участок под землей на территории ПСС, и поэтому коллаборацию назвали «Подземная зона 1», или UA1. В дальнейшем группа вырастет и включит в себя около 130 физиков.

Через шесть месяцев была сформирована вторая, независимая коллаборация UA2 под руководством Дарьюла. Эта группа была поменьше и включала примерно 50 физиков, которые должны были составлять дружескую конкуренцию UA1. Предполагалось, что детектор UA2 будет менее сложным (например, он не сможет обнаруживать мюоны), но тем не менее сможет независимо подтвердить открытия эксперимента UA1.

Протонный и антипротонный пучки с энергией 270 ГэВ соединятся в ПСС и придут в столкновение, достигнув общей энергии 540 ГэВ, что гораздо больше, чем требуется для обнаружения частиц W и Z.

В октябре 1982 года, после некоторых задержек, UA1 и UA2 наконец начали регистрировать данные. Ожидалось, что столкновения, в которых могут образоваться W– и Z-частицы, будут очень редкими, поэтому оба детектора были сконфигурированы так, чтобы реагировать только на определенные столкновения, удовлетворяющие запрограммированным критериям. Коллайдер должен был производить по нескольку тысяч столкновений в секунду в течение двух месяцев. При этом ожидалось лишь несколько событий, способных произвести W и Z.

Детекторные установки были запрограммированы так, чтобы регистрировать события с выбросом высокоэнергетических электронов или позитронов под большим углом к направлению движения пучка. Электроны с энергией до половины массы W будут признаком распада W—-частиц. Высокоэнергетические позитроны будут свидетельствовать о распаде W+-частиц. Измеренное расхождение энергии (различие между энергией частиц, входящих в столкновение, по сравнению с энергией выходящих) будет сигналом одновременного образования нейтрино и антинейтрино, которые невозможно было обнаружить непосредственно.

Предварительные результаты были представлены на симпозиуме в Риме в начале января 1983 года. Руббиа, нервничая против обыкновения, объявил о том, что из нескольких тысяч миллионов наблюденных столкновений коллаборация UA1 установила шесть событий – кандидатов на распад W-частиц. Коллаборация UA2 установила четыре кандидата. Руббиа был несколько осторожен, но убежден: «Они выглядят как W-частицы и пахнут как W-час тицы, значит, это и есть W-частицы»[120]. «Он выступил эффектно, – писал Ледерман. – У него были все карты на руках, и он сумел выложить их страстно и логично»[121].

20 января 1983 года физики ЦЕРНа набились в аудиторию, где Руббиа проводил семинар по UA1, а Луиджи ди Лелла – по UA2. 25 января прошла пресс-конференция. Коллаборация UA2 предпочитала не торопиться с выводами, но выводы не заставили себя долго ждать. W-частицы найдены, их энергия близка к предсказанным 80 ГэВ.

Об открытии частицы Z^0 с массой около 95 ГэВ группой UA1 объявили 1 июня 1983 года. Оно основывалось на наблюдении пяти событий – четырех с образованием электрон-позитронных пар и одного с образованием мюонной пары. Коллаборация UA2 к тому времени накопила несколько событий-кандидатов, но предпочитала подождать итогов другого круга экспериментов, прежде чем объявить о них во всеуслышание. В конце концов UA2 сообщила о восьми событиях с образованием электрон-позитронных пар.

К концу 1983 года UA1 и UA2 в сумме зарегистрировали сотню W±-событий и дюжину Z^0-событий, установив массы порядка 81 ГэВ и 93 ГэВ соответственно.

Руббиа и ван дер Мер разделили Нобелевскую премию по физике за 1984 год.

Это был долгий путь, начавшийся с эпохальной работы Янга и Миллса 1954 года по квантовой теории поля SU(2) для сильного взаимодействия. Эта теория предсказала безмассовые бозоны, которые так раздосадовали Паули. В 1957 году Швингер размышлял о том, что слабое ядерное взаимодействие переносят три частицы поля, и потом его студент Глэшоу обратился к теории поля Янга – Миллса SU(2), чтобы учесть в ней все три частицы.

Открытие механизма Хиггса в 1964 году показало, каким образом безмассовые бозоны могут приобретать массу. Вайнберг и Салам пошли дальше и в 1967–1968 годах применили механизм Хиггса к нарушению электрослабой симметрии. В 1971 году было показано, что получившаяся теория поддается перенормировке. И теперь переносчики слабого взаимодействия найдены именно там, где их и ждали увидеть.

Само существование W– и Z-частиц с предсказанными массами дало довольно убедительное свидетельство, что электрослабая теория SU(2) × U(1) в сути своей верна. А если теория верна, то взаимодействие с вездесущим энергетическим полем (полем Хиггса) отвечает за сообщение массы переносчикам слабого взаимодействия. А если поле Хиггса существует, значит, должен существовать и бозон Хиггса.

Однако, чтобы найти бозон Хиггса, требовался коллайдер еще мощнее.

8

Глубокий пас

Глава, в которой Рональд Рейган горой стоит за сверхпроводящий суперколлайдер, но, когда шесть лет спустя конгресс закрывает проект, от него остается только яма в Техасе

Опыт, который приобрели физики, работая над объединением теорий электрослабого взаимодействия, они могли применить к более грандиозной задаче. Из теории электрослабого взаимодействия вытекало, что вскоре после Большого взрыва температура Вселенной была так высока, что слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия были неразличимы. Вместо этого существовало единое электрослабое взаимодействие, переносчиком которого были безмассовые бозоны.

Это так называемая электрослабая эпоха. Когда температура Вселенной снизилась, фоновое поле Хиггса «кристаллизовалось», и более высокая калибровочная симметрия электрослабого взаимодействия была нарушена (или, вернее сказать, скрыта). Безмассовые бозоны электромагнитного взаимодействия (фотоны) беспрепятственно продолжали движение, но бозоны слабого взаимодействия вступили во взаимодействие с полем Хиггса, приобрели массу и стали W– и Z-частицами. И вследствие этого слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия сейчас совсем не похожи друг на друга ни силой, ни масштабом.

В 1974 году Вайнберг, американский теоретик Ховард Джорджи и австралийка Хелен Куинн показали, что силы всех трех взаимодействий становятся почти равными при энергии между сотней миллиардов и сотней триллионов ГэВ[122]. Эти энергии, соответствующие температуре примерно 10 октиллионов (10^28) градусов, преобладали в течение примерно одной стодециллионной (10–35) доли секунды после Большого взрыва.

Разумно предположить, что в эту эпоху Великого объединения сильное ядерное и электрослабое взаимодействия были также неразличимы и представляли собой единое электроядерное взаимодействие. Все переносчики взаимодействия были идентичны, и не было ни массы, ни электрического заряда, ни аромата кварков (верхних, нижних), ни цвета (красного, зеленого, синего). Чтобы нарушить эту симметрию еще более высокого порядка, требовались хигг совские поля, кристаллизующиеся при более высоких температурах и таким образом приводящие к отделению кварков, электронов и нейтрино друг от друга, а также разделению взаимодействия на сильное и электрослабое.

Один из первых примеров такой теории великого объединения[123] (ТВО) разработали Глэшоу и Джорджи в 1974 году. В ее основе лежала группа симметрии SU(5), по их словам «калибровочная группа мира»[124]. Одним из следствий симметрии более высокого порядка было то, что все элементарные частицы были гранями друг друга. Теория Глэшоу и Джорджи позволяла преобразования между кварками и лептонами. То есть кварк внутри протона мог трансформироваться в лептон. «Тогда я понял, что это делает протон, базовый элемент атома, нестабильным, – сказал Джорджи. – У меня сразу испортилось настроение, и я пошел спать»[125].

Поскольку теории великого объединения оперируют с таким уровнем энергии, которого никогда не удастся достичь в коллайдерах, построенных на Земле, возникает желание усомниться в их ценности. Однако ТВО предсказывают существование новых частиц, которые в принципе могут быть открыты в экспериментах со столкновениями. И хотя эпоха Великого объединения закончилась миллиарды лет назад, ее последствия для современной Вселенной мы можем наблюдать и по сей день.

По крайней мере, так рассуждал молодой американский физик Алан Гут, недавно защитивший докторскую диссертацию. Он подтвердил, что среди предсказанных ТВО новых частиц есть магнитный монополь – гипотетическая элементарная частица, обладающая ненулевым магнитным «зарядом», равного отдельно взятому полюсу магнита, северному или южному. В мае 1979 года Гут вместе с таким же молодым доктором физики, американцем китайского происхождения Генри Таем начал работать над определением количества магнитных монополей, которые, скорее всего, возникли в результате Большого взрыва. Они стремились объяснить, почему, если магнитные монополи действительно образовались в начале существования Вселенной, сегодня мы их не наблюдаем.

Гут и Тай поняли, что можно подавить образование монополей, изменив характер фазового перехода от эпохи Великого объединения к электрослабой эпохе. Для этого нужно было вмешаться в свойства полей Хиггса. Гут и Тай открыли, что монополя исчезают, если вместо гладкого фазового перехода или «кристаллизации» при температуре перехода Вселенная, напротив, претерпевает сверхохлаждение. В таком случае температура падает так быстро, что Вселенная «застревает» в состоянии Великого объединения при температуре гораздо ниже температуры перехода[126].

Когда в декабре 1979 года Гут изучал широкие следствия начального момента сверхохлаждения, оказалось, что оно предсказывает период необычайного экспоненциального расширения пространства-времени. Сначала Гута не взволновал подобный результат, но он быстро понял, что это взрывное расширение может объяснить некоторые важные свойства наблюдаемой Вселенной, чего не могла сделать общепринятая космологическая теория Большого взрыва. «Я даже не помню, как придумывал название этому необычайному феномену экспоненциального расширения, – позднее писал Гут, – но, судя по моим дневниковым записям, в конце декабря я уже называл его инфляцией»[127].

Инфляционная модель кое в чем изменилась, в основном благодаря дальнейшему исследованию свойств полей Хиггса, которые нарушили симметрию в конце эпохи Великого объединения. Первые теории предсказывали слишком большую однородность, то есть довольно плоскую Вселенную без структуры – ни звезд, ни планет, ни галактик. Космологи начали понимать, что зачатки современной наблюдаемой структуры должны были заложить квантовые флуктуации ранней Вселенной, усиленные инфляцией. Но свойства полей Хиггса, которые требовались для этого, были несовместимы с полями Хиггса в теории Глэшоу – Джорджи.

Так или иначе, результаты экспериментов в начале 1980-х годов подтверждали, что протон более стабилен, чем подразумевала теория Джорджи и Глэшоу[128]. Космологов уже не сдерживали теории физики элементарных частиц, и они свободно занялись подгонкой наблюдаемой Вселенной при помощи дальнейшей настройки хиггсовских полей, которые в совокупности стали называться инфляционным полем, чтобы подчеркнуть его значение. Их предсказания эффектно подтвердились в апреле 1992 года благодаря спутнику Cosmic Background Explorer (COBE), зарегистрировавшему мельчайшие изменения температуры фонового космического излучения – холодные остатки горячего излучения, отделившегося от материи примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва[129].

Браут и Энглер, Хиггс, Гуральник, Хейген и Киббл изобрели поле Хиггса, чтобы объяснить нарушение симметрии в теории поля Янга – Миллса. Вайнберг и Салам показали, что этот же фокус можно применить к нарушению электрослабой симметрии, и с его помощью были верно предсказаны массы W– и Z-частиц. Тот же фокус позднее использовали, чтобы объяснить нарушения симметрии электроядерного взаимодействия. Он имел несколько удивительных последствий, которые привели к открытию инфляционной космологической модели и точному предсказанию крупномасштабной структуры Вселенной.

Полностью теоретические понятия хиггсовского поля и ложного вакуума стали ключевыми как в Стандартной модели физики элементарных частиц, так и в той модели, которая потом оформится как Стандартная космологическая модель Большого взрыва. Существуют ли эти хиггсовские поля на самом деле? Выяснить это можно было только одним способом.

Бозоны Хиггса великих объединяющих хиггсовских полей обладают огромной массой и просто недоступны для земных коллайдеров. Однако, хотя массу первоначального бозона Хиггса электрослабого поля Хиггса оказалось трудно предсказать с какой-либо точностью, в середине 1980-х считалось, что коллайдеры следующего поколения будут на это вполне способны.

Американские физики никак не могли оправиться от того, что их европейские соперники первыми открыли частицы W и Z. Июньская передовица New York Times гласила «Европа: 3, США: даже не Z^0» и заявляла, что европейские физики ушли вперед в гонке за новыми фундаментальными элементами природы[130]. Физикам США нужен был реванш. Они твердо решили, что бозон Хиггса будет открыт в Америке.

3 июля 1983 года в Фермилабе заработал ускоритель Тэватрон. Его 6-километровое кольцо достигло расчетной энергии 512 ГэВ всего через 12 часов. Тэватрон обещал энергию столкновений протонов с антипротонами 1 ТэВ. Он обошелся в 120 миллионов долларов. ISABELLE, новый 400-гигаэлектровольтный протон-протонный коллайдер, строившийся в Брукхейвене, считался уже совсем устаревшим. В июле Консультативный комитет по физике высоких энергий Департамента энергетики США закрыл Брукхейвенский проект.

В ЦЕРНе должно было начаться строительство Большого электронно-позитронного коллайдера, который займет 27-километровое кольцо почти в 200 метрах ниже уровня земли под франко-швейцарской границей, которую кольцо пересекало в четырех местах. БЭП должен был стать самым крупным объектом гражданского строительства в Европе. Однако БЭП предназначался для обнаружения частиц W и Z, чтобы лучше разобраться в их природе, а также поиска до сих пор не найденного истинного кварка. Он не собирался охотиться за бозоном Хиггса.

Тэватрон, пожалуй, обладал возможностями, чтобы заметить бозон Хиггса, но никто не мог дать гарантий. Пришло время мыслить широко. Ледерман уже раньше предлагал совершить гигантский скачок вперед – построить супермассивный протон-протонный коллайдер с использованием сверхпроводящих магнитов, способный достигать энергии столкновения до 40 ТэВ. Он назвал его Дезертроном[131], потому что его предполагалось построить среди широкой пустынной равнины и потому что он единственный мог пересечь «энергетическую пустыню» – энергетическую пропасть, которая, как предсказывали теории Великого объединения, будет лишена интересной новой физики. Дезертрон превратился в Очень большой ускоритель (Very Big Accelerator, VBA). Закрыв проект ISABELLE, Консультативный комитет по физике высоких энергий настаивал на приоритетном строительстве VBA, который вскоре переименовали в Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК).

Проектная разработка ССК была закончена к концу 1986 года. Затраты на строительство оценили в 4,4 миллиарда долларов, что сразу же перенесло его в разряд крупных научных проектов, которые требовали одобрения президентом. Ледермана попросили сделать короткую десятиминутную видеопрезентацию проекта, чтобы показать ее президенту Рональду Рейгану. Ледерман воспользовался шансом и воззвал к первопроходческому духу Рейгана, проведя прямую аналогию между исследованием белых пятен в физике элементарных частиц и освоением американского Запада.

Официально проект ССК был представлен Рейгану и его администрации в Белом доме в январе 1987 года. Последовал обмен доводами за и против вложения средств.

Руководитель Административно-бюджетного управления при президенте утверждал, что одобрение проекта ничего не даст, разве что порадует нескольких физиков. Рейган ответил, что, пожалуй, это как раз стоит принять в внимание, потому что он в свое время совсем не радовал школьных учителей физики.

Когда споры улеглись, все взгляды обратились к Рейгану, который и должен был принять окончательное решение. Рейган процитировал отрывок из Джека Лондона: «Лучше пусть я буду пеплом, чем пылью. Пусть лучше иссякнет моя искра в ослепительной вспышке, чем плесень задушит ее»[132]. Он объяснил, что эти слова когда-то сказали квотербеку Кену Стэблеру по прозвищу Змея. Стэблер привел «Окленд Рейдерз» к победе на Суперкубке по американскому футболу 1977 года. Он прославился благодаря точным пасам и особенно 38-метровому пасу Дейву Касперу (по прозвищу Привидение), который сравнял счет в последние секунды матча плей-офф с «Балтимор Кольтс». Из-за равного счета судьи назначили овертайм, и в конце концов «Рейдерс» вышли победителями.

Стэблер понимал цитату Джека Лондона с точки зрения собственного подхода к американскому футболу. «Делай глубокий пас», – сказал Стэблер[133]. В трудную минуту лучше рискнуть и сгореть яркой вспышкой.

Рейган, столп второсортных голливудских фильмов перед тем, как пришел в политику в 1964 году, получил прозвище Гиппер, после того как снялся в роли студентафутболиста Джорджа Гиппа (Гиппера) в фильме 1940 года «Кнут Рокне – стопроцентный американец». Гипп умер от инфекции горла в возрасте 25 лет, и в фильме звучат его знаменитые слова: «И последнее, что сказал мне Джордж: «Рок, – сказал он мне, – если вдруг ребятам придется туго и они будут проигрывать, скажи им, пусть выйдут и покажут все, что они могут, и хоть разок выиграют ради Гиппера»[134].

Можно не сомневаться, что концепция ССК вызвала в душе Рейгана глубокий отклик. Уже околдованный обещанием ученых дать Америке оборонительный рубеж в виде Стратегической оборонной инициативы (СОИ, прозванной «Звездными войнами»), он сгорал от желания выйти и показать все, что они могут, ради научного превосходства США. Гиппер был готов сделать глубокий пас.

Проект получил президентское одобрение, но все же вызывал много сомнений. В своем докладе представитель Департамента энергетики объяснял, что ССК станет международным предприятием при финансовой поддержке других стран. Но заявления американских физиков сорвали ему всю игру. С какой стати другие страны будут поддерживать проект, который явно задуман для того, чтобы вернуть американцам лидерство в физике высоких энергий? У Европы, во всяком случае, были твердые обязательства перед ЦЕРНом. Неудивительно, что ССК не привлек особого внимания за океаном.

Возмущение нарастало и в самом сообществе американских физиков и теперь вылилось в открытую конфронтацию. При таких огромных затратах чем придется пожертвовать ради поиска бозона Хиггса? Были много и других, по отдельности гораздо менее дорогостоящих проектов, которые с гораздо большей вероятностью могли привести к потенциально ценным технологическим прорывам. Бюджета американских физиков не хватило бы на финансирование всех этих проектов вместе с ССК, и они оказались под угрозой. Неужели физика высоких энергий действительно в тысячу раз более ценна, чем другие области науки?

Слова «большая наука» превратились в ругательство.

ССК пользовался поддержкой со стороны конгресса и сената, пока не было известно предполагаемое местонахождение нового коллайдера. Национальные академии наук и техники США получили 43 предложения от 25 разных штатов. Техасское правительство назначило специальную комиссию, и та пообещала выделить миллиард долларов, если ССК построят на территории Техаса. Возможно, имело смысл построить новый коллайдер на территории Фермилаба, где уже была готовая инфраструктура и множество физиков, которые потребуются для работы. Но в ноябре 1988 года Национальные академии решили, что ССК будет строиться в геологической формации мелового периода Остин-Чок, глубоко под техасской прерией в округе Эллис, где когда-то располагались хлопковые плантации.

Вице-президент Рейгана техасец Джордж Буш сменил его на президентском посту всего за два дня до того, как было объявлено место строительства. Никто не намекал, что академии приняли предвзятое решение, но Буш вступил в ряды убежденных сторонников проекта. Однако теперь, когда стало известно место, поддержка конгрессменов и сенаторов от других штатов стала быстро сходить на нет.

Физикам приходилось вырывать средства у конгресса в постоянной борьбе, и каждый раз, когда проект ставили на рассмотрение, их вызывали в конгресс. Между тем предварительная смета расходов росла как на дрожжах, по мере того как инженеры яснее осознавали все последствия строительства огромного кольца сверхпроводящих магнитов. К тому времени, как в 1990 году государство выделило средства для начала строительства, смета почти удвоилась до 8 миллиардов долларов.

В Остин-Чоке пробурили пробные шурфы, у Ваксахачи, на части площади в 7 тысяч гектаров, отведенной под проект правительством Техаса, построили кое-какую инфраструктуру. Возникли лаборатории для конструирования и испытания магнитов. Поднялись крупные постройки, где разместились охладители, чтобы охлаждать до жидкого состояния гелий, необходимый для поддержания нужной температуры сверхпроводящих магнитов.

Для работы на детекторах сформировались два коллектива. Коллаборация соленоидального детектора должна была включать тысячу физиков и инженеров из более чем ста различных научных институтов мира. Это был детектор общего назначения стоимостью 500 миллионов долларов. Как ожидалось, он должен был начать регистрировать данные еще до конца 1999 года. Предполагалась также группа работы с гамма-излучением, электронами и мюонами (группа ГЭМ) такой же величины, чтобы составлять конкуренцию коллаборации соленоидального детектора.

Многие физики решили рискнуть и либо взяли продолжительный отпуск на своей текущей работе, либо совсем уволились и переехали, чтобы работать на проекте ССК. В целом около двух тысяч человек собралось в районе Ваксахачи. Постороннему человеку, незнакомому с делами ССК, вся эта деятельность, наверное, казалась весьма воодушевляющей. Строились лаборатории, бурились шурфы, съезжались толпы людей.

Но были другие признаки, не такие радужные. Власти США бились с уже большим бюджетным дефицитом, который продолжал расти. В январе 1992 года президент Буш вернулся из поездки в Японию с пустыми руками: японцы настаивали, что ССК не является международным проектом и потому они не будут его поддерживать. Все громче звучали протесты против «большой науки». В июне палата представителей конгресса проголосовала за поправку к федеральному бюджету, которая закрывала проект ССК. Проект не закрылся только благодаря вмешательству сената.

О тучах уныния, которые начали сгущаться вокруг проекта, рассказал Вайнберг в своей популярной книге «Мечты об окончательной теории», опубликованной в 1993 году. Он писал:[135] «Несмотря на продолжающееся строительство и бурение, я знал, что финансирование проекта может прекратиться. Я мог представить себе, как засыплют пробные шурфы и опустеет здание магнитов, и только слабеющие воспоминания немногих фермеров останутся свидетелями того, что в округе Эллис планировали построить огромную научную лабораторию. Возможно, я находился под влиянием викторианского оптимизма [Томаса] Гексли, но мне не верилось, что это случится или что в наше время поиск окончательных законов природы будет прекращен».

В опубликованной в том же году книге Ледермана «Частица Бога», намного более мечтательной, он грубо пробуждается от грез, в которых любезно беседовал с греческим философом Демокритом[136]: «Черт». Сонно поднимая голову от бумаг, я понял, что снова дома. Мне бросилась в глаза фотокопия с газетным заголовком: «Конгресс ставит под вопрос финансирование суперколлайдера». Мой компьютер запикал, это пришло электронное «приглашение» в Вашингтон на сенатское слушание по вопросу ССК».

В ноябре 1992 года на президентских выборах в США победил Билл Клинтон, обойдя Джорджа Буша и независимого кандидата – техасского бизнесмена Росса Перо. К следующему июню смета ССК выросла до 11 миллиардов, и палата представителей снова проголосовала против. Как заметил Рафаэль Каспер, заместитель директора ССК: «Голосование против ССК стало в какой-то момент символом фискальной ответственности. Вот дорогостоящий проект, против которого можно голосовать»[137].

Клинтон в основном поддерживал проект, но не так преданно, как Буш и Рейган. К тому же у проекта появился соперник в виде программы строительства Международной космической станции стоимостью 25 миллиардов долларов, которая также должна была базироваться в Техасе, в Джонсоновском космическом центре НАСА в Хьюстоне.

В сентябре 1993 года Вайнберг, Рихтер и Ледерман сделали последнюю отчаянную попытку помочь ССК. Британский физик Стивен Хокинг прислал видеообращение в поддержку. Но все напрасно.

В октябре палата представителей США с перевесом в один голос проголосовала в пользу МКС. На следующий день она проголосовала против ССК два к одному. На этот раз не было никаких отсрочек. Финансирование выделялось для консервации уже построенных объектов. Уже было потрачено 2 миллиарда и вырыт 23-километровый туннель (см. рис. 19), но никакой викторианский оптимизм не мог спасти проект. ССК умер.

Писатель Герман Вук, лауреат Пулицеровской премии, написал роман «Яма в Техасе» на основе истории ССК. В авторском предисловии он говорит так[138]:

«После того как [физики] изобрели атомную и водородную бомбы, они были любимцами конгресса. Но все внезапно и грубо кончилось. Единственное, что осталось от так и не начавшегося поиска хиггсовского бозона, – это яма в Техасе, огромная заброшенная яма.

Она по-прежнему там».

Рис. 19

К моменту, когда конгресс США закрыл проект ССК в октябре 1993 года, уже было потрачено 2 миллиарда долларов и вырыт 23-километровый туннель под техасской прерией. Источник: Научно-технический электронный архив ССК

16 декабря 1994 года, через год с небольшим после закрытия ССК, страны – участники ЦЕРНа проголосовали за выделение 15 миллиардов долларов в течение 20 лет на перестройку БЭПа, когда истечет его срок действия, и переоборудование его в протон-протонный коллайдер. Идея Большого адронного коллайдера (БАК) впервые обсуждалась еще за 10 лет до того, на симпозиуме ЦЕРНа в швейцарской Лозанне в марте 1984 года. Он мог бы достичь энергии столкновения до 14 ТэВ, это меньше половины максимальной энергии ССК, но более чем достаточно, чтобы найти бозон Хиггса.

Руббиа заявил, что ЦЕРН «выложит туннель БЭПа сверхпроводящими магнитами»[139].

9

Фантастический миг

Глава, в которой о бозоне Хиггса рассказывают словами, понятными даже британскому политику, в ЦЕРНе обнаруживают признаки бозона, включают Большой адронный коллайдер, и он взрывается

В проекте ССК физики сильно рискнули и проиграли. Ропот недовольства, которое в конце концов привело к закрытию американского проекта, начал раздаваться и в Европе. К счастью для ЦЕРНа, он финансировался средствами не одной отдельной страны. Однако страны-участницы, недовольные величиной отчисляемых вложений, все же могли решить и прекратить финансирование. В апреле 1993 года, всего за полгода до того, как палата представителей США приняла окончательное решение закрыть проект ССК, министр науки Великобритании Уильям Уолдгрейв поставил перед британским сообществом физики высоких энергий неожиданную задачу.

Поставленная Уолдгрейвом задача предвосхищала серьезный сдвиг в научной политике консервативного правительства во главе с премьер-министром Джоном Мейджором. Правительственный доклад, который должен был быть опубликован в следующем месяце, смещал акцент в научной политике в сторону инноваций, имевших целью более эффективное накопление богатств и повышение качества жизни граждан Великобритании. Иными словами, британская наука должна была служить интересам британской экономики к пользе «британского народа». Правительство собиралось полностью пересмотреть свою поддержку науки и технологии.

Все это не предвещало ничего хорошего. Британия еще оправлялась от последствий глобальной рецессии, наступившей после падения фондового рынка в октябре 1987 года, и с трудом могла позволить себе ежегодно вкладывать в ЦЕРН 55 миллионов фунтов. Хотя физики могли указать на многие дополнительные выгоды от ЦЕРНа, например проект присоединения к гипертекстовому Интернету, в результате чего Тим Бернерс-Ли изобрел Всемирную паутину в 1990 году, пожалуй, объяснить, каким образом открытие бозона Хиггса непосредственно улучшит накопление богатств и качество жизни британского народа, было трудновато.

К счастью, физиков еще не просили делать подобного рода обоснования. Но Уолдгрейв ясно дал понять, что им придется очень постараться, чтобы объяснить, чего такого они пытаются добиться.

Что это за штука, которую называют бозоном Хиггса? Чем она так важна, что нужно тратить миллиарды долларов только ради того, чтобы ее найти? «Если вы поможете мне в этом разобраться, у меня будет больше шансов помочь вам получить деньги на его поиски», – сказал Уолдгрейв слушателям на ежегодной конференции британского Института физики[140]. Он сказал, что если бы ктонибудь простым английским языком, на одном листе бумаги объяснил, из-за чего весь сыр-бор, тогда он подарил бы ему бутылку винтажного шампанского.

Разумеется, весь сыр-бор поднялся из-за того, что поле Хиггса стало играть ключевую роль в Стандартной модели. Без поля Хиггса не нарушилась бы электрослабая симметрия[141]. Без нарушения симметрии W– и Z-частицы были бы безмассовыми, как фотон, и электрослабое взаимодействие было бы объединено. Без взаимодействия между элементарными частицами и полем Хиггса не было бы массы: ни материи, ни звезд, ни планет, ни жизни. А прямо доказать существование этого поля можно было, только найдя частицу этого поля – бозон Хиггса. Найдите бозон Хиггса, и мы тут же узнаем гораздо больше об истинной природе материального мира.

Чтобы объяснить механизм Хиггса простым языком, понятным даже политику, требовалась простая аналогия. Дэвид Миллер, профессор физики элементарных частиц и астрономии в Университетском колледже Лондона, посчитал, что он нашел именно такую. Он решил, что достаточно будет небольших косметических изменений и у него получится живая картина, если он воспользуется опытом самого Уолдгрейва, опытом общения с выдающейся личностью, которая еще недавно господствовала в британской политике: бывшим премьер-министром Маргарет Тэтчер. Он написал[142]:

«Представьте себе вечеринку с членами политических партий, которые равномерно распределены по комнате и все разговаривают с ближайшим соседом. Входит мадам бывший премьер-министр и идет по комнате. Все партийные функционеры, находящиеся радом, с силой притягиваются к ней и скапливаются вокруг нее. По мере движения она притягивает тех, к кому приближается, а те, кого она оставила, снова равномерно распределяются по комнате. Из-за того что вокруг нее все время скапливается толпа народа, она приобретает массу больше обычной, то есть у нее больший импульс при той же скорости движения по залу. При движении ее труднее остановить, а после остановки ее труднее заставить двигаться вновь, так как процесс скопления приходится начинать сначала. Это и есть механизм Хиггса в трех измерениях и с усложнениями, которое вносит принцип относительности.

Чтобы сообщить массу частицам, мы предположили фоновое поле, которое локально искажается, когда частица движется сквозь него. Искажение – скопление поля вокруг частицы – генерирует массу частицы. Возьмем пример прямо из физики твердых тел. Вместо поля, распределенного по всему пространству, твердое тело содержит решетку положительно заряженных атомов кристалла. Когда электрон движется по решетке, атомы притягиваются к нему, отчего эффективная масса электрона становится в сорок раз больше массы свободного электрона.

Постулированное поле Хиггса в вакууме – своего рода гипотетическая решетка, пронизывающая нашу Вселенную. Оно необходимо нам, потому что иначе мы не можем объяснить, почему Z– и W-частицы, переносящие слабое взаимодействие, массивны, а фотон, переносящий электромагнитное взаимодействие, не имеет массы».

Так Миллер описал механизм, при помощи которого безмассовые элементарные частицы (которые в аналогии представляют Тэтчер) взаимодействуют с полем Хиггса (равномерным распределением партийных функционеров) и таким образом приобретают массу, как показано на рис. 20. Чтобы объяснить бозон Хиггса, Миллер продолжал:

«А теперь представьте, что по комнате с партийными функционерами прошел слух. Те, кто находится рядом с дверью, слышат его первыми и скапливаются в группу, чтобы узнать подробности. Потом они разворачиваются и переходят к ближайшим соседям, которым тоже хочется послушать. По комнате проходит волна скоплений. Она может распространиться до всех четырех углов или образовать компактный узел, который переносит новость по линии функционеров от двери до какого-то высокопоставленного лица по ту сторону комнаты. Так как информацию переносят скопления людей и так как именно скопления сообщали дополнительную массу бывшему премьер-министру, тогда скопления – переносчики слуха тоже имеют массу.

Рис. 20

Объяснение механизма Хиггса, которое использовал Дэвид Миллер в своей конкурсной заявке, занявшей первое место. По мере движения Маргарет Тэтчер через «поле» партийных функционеров поле скапливается вокруг нее, и движение замедляется. Так приобретается масса. Источник: © copyright CERN

Бозон Хиггса, как предсказано, является таким скоплением в поле Хиггса. Нам будет гораздо проще поверить, что поле существует и что механизм сообщения массы другим частицам верен, если мы увидим саму частицу Хиггса. И этому тоже есть аналогия в физике твердых тел. Кристаллическая решетка может переносить волны скоплений, и ей не требуется, чтобы электрон двигался и притягивал атомы. Эти волны могут вести себя так, как если были бы частицами. Они называются фотонами и тоже бозоны. Механизм Хиггса и поле Хиггса могут существовать в течение всей жизни нашей Вселенной, но при этом может не существовать бозона Хиггса. Это должно установить новое поколение коллайдеров».

Рис. 21 наглядно это иллюстрирует.

Уолдгрейв получил 117 заявок, что само по себе говорит о важности поисков. Вперед вышли пятеро, но сообщество физиков признало лучшей заявку Миллера. Миллер не забыл забрать свою бутылку «Вдовы Клико», хотя, по всей видимости, так его и не попробовал. «Моя жена, ее сестра и подружка моего сына выпили все шампанское», – рассказал он[143].

Несмотря на стесненные обстоятельства, британское правительство продолжало вкладывать средства в ЦЕРН[144].

Рис. 21

Бозон Хиггса похож на слух, который шепотом передается по «полю» партийных работников. На поле происходит скопление тех, кто желает услышать слух, и формируется локализованная «частица», которая затем движется по комнате. Источник: © copyright CERN

Когда охота за бозоном Хиггса приостановилась, оставалось найти еще несколько частиц Стандартной модели. 2 марта 1995 года две соперничающие исследовательские группы по 400 физиков каждая объявили об открытии истинного кварка. Его удалось установить по продуктам его распада. Энергетические протоны и антипротоны сталкиваются и образуют пару из истинного кварка и истинного антикварка. Обе частицы затем распадаются на прелестный кварк и W-частицу. W-частица распадается на мюон и мюонное антинейтрино. Кварк распадается на верхний и нижний кварки. В конечном итоге получается столкновение, продукт которого мюон, мюонное антинейтрино и четыре кварковых струи. У истинного кварка огромная масса – 175 ГэВ, почти в 40 раз больше массы его партнера третьего поколения – прелестного кварка.

Помимо бозона Хиггса, еще оставалось открыть таунейтрино. О его открытии Фермилаб объявил через пять лет, 20 июля 2000 года. Тогда появилась возможность составить порядок слабых взаимодействий, меняющих один аромат кварка на другой (см. рис. 22).

Еще оставалась какая-то надежда, что Тэватрон или БЭП обнаружат бозон Хиггса, и потому они работали на пределе своих возможностей. Проблема была в том, что невозможно было точно предсказать массу бозона Хиггса. В отличие от частиц W и Z физики не очень понимали, где его искать.

В основном считалось, что бозон должен иметь массу порядка 100–250 ГэВ. Его можно было обнаружить по каналам распада, при котором, как полагали, образуются пары из прелестного кварка и антикварка в связи с истинным и прелестным кварками, двумя высокоэнергетическими фотонами, парами Z-частиц, которые бы, в свою очередь, распались на четыре лептона (электроны, мюоны и нейтрино), пары W-частиц и пары тау-лептонов.

БЭП был мощным и универсальным коллайдером, но его эксплуатационный срок подходил к концу, и его планировали остановить в сентябре 2000 года.

Рис. 22

Преобладают следующие пути распада слабого взаимодействия, меняющие аромат кварков: нижний→верхний, странный→верхний, очарованный→странный, нижний→очарованный и верх ний→нижний. Пунктиром также показаны два менее вероятных пути распада: очарованный→нижний и нижний→верхний. Верхние переходы происходят с испусканием частицы W—, которая распадается на лептон (например, электрон) и соответствующее антинейтрино. Нижние переходы происходят с испусканием частицы W+, которая распадается на антилептон (например, позитрон) и соответствующее нейтрино

В последней отчаянной попытке найти бозон Хиггса физики ЦЕРНа нагрузили коллайдер сверх его возможностей. Он достиг расчетной энергии пучка 45 ГэВ (что дает энергию электрон-позитронных столкновений 90 ГэВ) в августе 1989 года. Благодаря модернизации энергия столкновения возросла до 170 ГэВ, что дало возможность генерировать пары W-частиц. Летом 2000 года благодаря новым модификациям энергия столкновения превысила 200 ГэВ.

15 июня 2000 года физик ЦЕРНа Никос Константинидис изучал некое событие, зарегистрированное накануне детектором ALEPH[145]. Он показал четыре кварковых струи, две из которых возникли после распада Z-частицы. Другие две струи казались продуктом распада более тяжелой частицы с массой порядка 114 ГэВ.

В глазах всего мира она выглядела, как бозон Хиггса.

Конечно, одно событие еще не было открытием, но за ним вскоре последовало еще два события, зарегистрированные детектором ALEPH, и два события, зарегистрированные вторым детектором – DELPHI[146]. Этого по-прежнему не хватало, чтобы заявить об открытии, но хватило, чтобы убедить генерального директора ЦЕРНа Лучано Майани подождать с приговором БЭПу до 2 ноября. Когда L3, третий детектор, зарегистрировал событие иного рода, которое было похоже на распад бозона Хиггса на Z-частицу, распавшуюся затем на два нейтрино, казалось, что ЦЕРН стоит на пороге одного из величайших открытий физики высоких энергий с тех самых пор, как в 1964 году был предсказан бозон Хиггса.

Физики ЦЕРНа уговаривали дать БЭПу поработать еще полгода. Майани как будто склонялся выполнить их просьбу, но, встретившись несколько раз с главными исследователями и как следует все обдумав, он в конце концов решил, что данных недостаточно для того, чтобы оправдать возможную задержку строительства Большого адронного коллайдера. Невозможно было сделать плавный переход, легко переключиться с БЭПа на БАК, так как это требовало долгого времени. Чтобы построить БАК, туннель, где размещался БЭП, нужно было полностью опустошить. Майани считал, что у него нет иного выбора, кроме как закрыть БЭП. Сотрудники ЦЕРНа узнали о его решении из пресс-релиза.

Многие физики были убеждены, что они очень близки к эпохальному открытию, и то, как повел себя Майани в такой ситуации, у них оставило чувство горечи. Однако, когда они скрупулезно проанализировали события, вероятность, что они действительно свидетельствовали о бозоне Хиггса, стала еще меньше. «Я понимаю раздражение и печаль тех, кому казалось, что бозон Хиггса уже у них в руках, – писал Майани в феврале 2001 года, – и кто опасается, что пройдут годы, прежде чем их труд найдет подтверждение»[147].

Единственный вывод, который могли сделать физики, – это что масса бозона Хиггса должна быть больше 114,4 ГэВ, вероятно около 115,6 ГэВ.

После открытия истинного кварка и тау-нейтрино коллекция элементарных частиц, составляющих Стандартную модель, была собрана полностью. Физики оказались в беспрецедентной ситуации, когда у них не осталось экспериментальных данных, которые не укладывались бы в предсказания теорий. И тем не менее у теоретиков было еще много работы.

Большие недостатки Стандартной модели бросались в глаза с самого момента ее создания. Модель должна учитывать весьма настораживающее количество фундаментальных или элементарных частиц. Эти частицы соединяются в структуре, для которой требуются двадцать параметров, но их нельзя вывести из теории, а можно только измерять. Из этих двадцати параметров двенадцать должны точно указывать массы кварков и лептонов, а три – силу взаимодействия между ними.

Вдобавок есть проблема и с массой самого бозона Хиггса. Бозон приобретает массу через так называемые петлевые поправки, которые учитывают его взаимодействия с виртуальными частицами. Петлевые поправки с участием более тяжелых частиц, таких как виртуальный истинный кварк, означают, что бозон Хиггса гораздо массивнее, чем должен быть, чтобы нарушить электрослабую симметрию так, как от него требует теория. В итоге теория предсказывает гораздо более слабое взаимодействие, чем оно есть на самом деле. Это называют проблемой иерархии.

К тому же, несмотря на в общем успешное объединение слабого и электромагнитного взаимодействия, осуществленное Глэшоу, Вайнбергом и Саламом, теория структуры SU(3) × SU(2) × U(1) поля Янга – Миллса, составляющая Стандартную модель, отнюдь не является абсолютно единой теорией фундаментальных взаимодействий.

В отсутствие экспериментальных указаний у теоретиков не осталось выбора, кроме как руководствоваться красотой и следовать за своей интуицией в поиске теорий, которые бы вышли за рамки Стандартной модели и объяснили законы природы на еще более фундаментальном уровне.

Помимо теорий великого объединения типа теории Джорджи – Глэшоу, существует еще один подход к объединению, который в начале 1970-х предложили теоретики в Советском Союзе и независимо открыли в 1973 году физики ЦЕРНа Юлиус Весс и Бруно Зумино. Он называется суперсимметрией. Есть много разновидностей теорий суперсимметрии, но одна из самых простых, впервые предложенная в 1981 году и названная минимальной суперсимметричной Стандартной моделью (МССМ), включает в себя «супермультиплеты», соединяющие частицы материи (фермионы) с бозонами, частицами – переносчиками взаимодействия.

В теориях суперсимметрии уравнения инвариантны относительно замены фермионов на бозоны и наоборот. Сами разнообразные свойства и поведение фермионов и бозонов в физике, которые мы наблюдаем сегодня, должны в таком случае быть следствием нарушения или скрытия этой суперсимметрии.

Одним из следствий этой суперсимметрии более высокого порядка является увеличение числа частиц. На каждый фермион теория предсказывает соответствующий суперсимметричный фермион (который называется сфермион), который на самом деле бозон. Иными словами, на каждую частицу Стандартной модели теория требует существования массивного суперсимметричного партнера со спином, отличающимся на 1/2. Партнер электрона называется сэлектрон (сокращение от «скалярный электрон»). У каждого кварка есть партнер в виде соответствующего скварка.

Кроме того, у каждого бозона Стандартной модели есть соответствующий симметричный бозон, который называется бозино, и на самом деле он фермион. Суперсимметричные партнеры фотона и частиц W и Z называются фотино, вино и зино.

Одно из преимуществ МССМ заключается в том, что она решает проблему бозона Хиггса. В МССМ петлевые поправки, из-за которых раздувается масса бозона Хиггса, компенсируются отрицательными поправками, проистекающими из взаимодействий с участием виртуальных суперсимметричных частиц. Например, увеличение массы бозона Хиггса благодаря взаимодействию с виртуальным истинным кварком компенсируется взаимодействием с виртуальным истинным скварком. Эта компенсация стабилизирует массу Хиггса и, следовательно, слабое взаимодействие. Чтобы этот механизм работал, МССМ требуются пять бозонов Хиггса с разной массой. Три из них нейтральны, а два переносят электрический заряд.

МССМ устраняет и еще один недостаток Стандартной модели. Как показали Вайнберг, Джорджи и Куинн в 1974 го ду, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия Стандартной модели становятся почти равными на высоких энергиях. Однако они не становятся абсолютно равными, как можно было бы ожидать в полностью объединенной теории поля электроядерного взаимодействия. МССМ предсказывает, что силы трех взаимодействий сойдутся в одной точке (см. рис. 23).

Кроме того, суперсимметрия может решить давнишнюю проблему космологии. В 1934 году швейцарский астроном Фриц Цвикки обнаружил, что средняя масса галактик в скоплении Волос Вероники, вычисленная по их гравитационным эффектам, не соответствует средней массе, вычисленной по светимости галактик в ночном небе. Целых 90 процентов массы, необходимой для объяснения гравитационных эффектов, как будто отсутствовала или была невидима. Эту невидимую массу назвали темной материей.

Рис. 23 (а) Если экстраполировать силы взаимодействий в Стандартной модели, из этого следует уровень энергии (и время после Большого взрыва), при котором они одинаковы и объединены. Однако они не сливаются полностью в одной точке. (b) В минимальной суперсимметричной Стандартной модели (МССМ) дополнительные квантовые поля влияют на экстраполяцию, и взаимодействия сливаются

Проблема темной материи не ограничилась одним скоплением галактик. Темная материя – ключевой компонент современной Стандартной модели космологии Большого взрыва, модели Лямбда-CDM (сокращение от Cold Dark Matter, холодная темная материя). Последовательные наблюдения микроволнового фонового излучения, произведенные спутником COBE и в последнее время спутником WMAP, позволяют предположить, что темная материя составляет около 22 процентов массы-энергии Вселенной. Около 73 процентов – это темная энергия, связанная со всепроникающим энергетическим полем вакуума, и таким образом на долю «видимой» материи Вселенной – звезд, нейтрино и тяжелых элементов, то есть всего, что мы есть, и всего, что мы видим вокруг, – приходится меньше 5 процентов.

Суперсимметрия предсказывает существование суперчастиц, на которые не влияет ни сильное, ни электромагнитное взаимодействие. Поэтому суперчастицы, например нейтралино, являются кандидатами на роль так называемых «вимпов» – слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP), которые, как считается, составляют значительную часть темной материи[148].

Возможно, существование такого сонма суперсимметричных частиц кажется фантастическим, но история физики элементарных частиц сплошь состоит из фантастических открытий, основанных на теоретических прогнозах, от которых поначалу многие отмахиваются, считая их абсурдными. Если суперсимметричные частицы действительно существуют, то некоторые из них, как ожидается, проявятся на энергиях порядка тераэлектронвольт.

Когда в начале нового тысячелетия на глубине более 150 метров под швейцарской и французской землей началось строительство Большого адронного коллайдера, было очевидно, что у него гораздо более масштабная задача, чем обнаружение электрослабого бозона Хиггса или даже нескольких бозонов или суперсимметричных частиц, предсказанных МССМ. Смысл был в том, чтобы выйти за пределы Стандартной модели; в нашей способности разобраться, из чего состоит и как устроен мир.

В декабре 2000 года начался демонтаж БЭП. Пришлось вывезти 40 тысяч тонн материала. Полностью туннель освободили к ноябрю 2001 года, когда инженеры-геодезисты начали размечать первый из 7 тысяч участков, отведенных под компоненты БАКа.

Неизбежно возникали задержки. В октябре 2001 года Майани установил значительный перерасход средств сверх сметы, и из-за последующей нехватки бюджетных средств завершение проекта отодвинулось еще на год, с 2006 на 2007. Как и у американцев, которые обнаружили это на примере своего незаконченного проекта по строительству ССК, новая технология с использованием сверхпроводящих магнитов забирала гораздо больше денег, чем закладывалось в смету.

Сооружение крупнейшей в мире охладительной системы, способной охлаждать сверхпроводящие магниты до температуры –271,4 °C, закончилось в октябре 2006 года. Последний из 1746 сверхпроводящих магнитов БАКа был установлен в мае 2007 года.

Хотя под БАК отвели тот же 27-километровый туннель, в котором располагался БЭП, для размещения новых детекторных установок снова требовалось вынимать грунт.

В первоначальной планировке у БАКа предусматривалось четыре основные детекторные установки. Это ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus, тороидальный аппарат БАК), CMS (Compact Muon Solenoid, компактный мюонный соленоид), ALICE (A Large Ion Collider Experiment, большой ионный коллайдер) для изучения столкновений тяжелых ионов (ядер свинца) и LHCb (Large Hadron Collider beauty, большой адронный коллайдер b-кварков), специально предназначенный для изучения физики прелестных кварков.

Потом к ним добавились еще два детектора намного меньшего размера. TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement, измерение полного сечения упругого дифракционного рассеяния) предназначен для измерения исключительно высокоточных протонов и установлен недалеко от центра детектора CMS, где сталкиваются протоны. И наконец, это LHCf (Large Hadron Collider forward, большой адронный коллайдер «передний»), задача которого – изучать частицы, образующиеся в «передней» части протон-протонных столкновений, вылетающие в направлении почти совпадающем с направлением сталкивающихся пучков. Он расположен рядом с детектором ATLAS, недалеко от точки пересечения пучков.

Многоцелевые детекторы ATLAS и CMS предназначены для поиска бозона Хиггса и другой «новой физики», которая может продемонстрировать существование суперсимметричных частиц и разрешить загадку темной материи. Детектор ATLAS состоит из ряда все более увеличивающихся концентрических цилиндров, расположенных вокруг точки пересечения протонных пучков. Функция внутреннего детектора в том, чтобы отслеживать заряженные частицы, идентифицировать их и измерять импульс. Внутренний детектор окружен большим соленоидальным (в виде катушки) сверхпроводящим магнитом, который изгибает траекторию движения заряженных частиц.

Снаружи находятся электромагнитный и адронный калориметры, которые поглощают заряженные частицы – фотоны и адроны – и выводят их энергию из создаваемых ими потоков частиц. Мюонный спектрометр измеряет импульс мюонов, которые проходят сквозь другие элементы детектора. В нем используется тороидальное (в форме пончика) магнитное поле, создаваемое большими сверхпроводящими магнитами, образующими восемь баррелей и два торцевых тороида. Это самые крупные сверхпроводящие магниты в мире (см. рис. 24).

Рис. 24

Детектор ATLAS использует тороидальное (в форме пончика) магнитное поле, генерируемое огромными сверхпроводящими магнитами, которые образуют восемь цилиндрических баррелей и два торцевых тороида. Это крупнейшие сверхпроводящие магниты в мире. Источник: © copyright CERN

ATLAS не может распознавать нейтрино, и их присутствие приходится выводить из расхождения энергии между столкнувшимися и обнаруженными частицами. Поэтому детектор должен быть герметичным: ни одна частица, кроме нейтрино, не должна ускользнуть незамеченной.

Детектор ATLAS имеет около 45 метров в длину и 25 метров в высоту, примерно вдвое меньше собора Парижской Богоматери. Он весит около 7 тысяч тонн, как Эйфелева башня или сто «Боингов-747» без пассажиров. Коллаборацию ATLAS возглавляет итальянский физик Фабиола Джанотти, она включает 3 тысячи физиков из более чем 174 университетов и лабораторий 38 разных стран.

У детектора CMS другая конструкция, но аналогичные возможности. Внутренний детектор представляет собой трекинговую систему из кремниевых пиксельных и стриповых детекторов, которые измеряют положение заряженных частиц, что позволяет восстановить их путь. Как и в детекторе ATLAS, электромагнитный и адронный калориметры измеряют энергию заряженных частиц, фотонов и адронов. Мюонный спектрометр фиксирует данные о мюонах, проникающих сквозь калориметры.

Детектор CMS называется компактным, то есть в нем используется один крупный соленоидальный сверхпроводящий магнит, поэтому он меньше детектора ATLAS. Однако он не так уж мал: 21 метр в длину, 15 метров в ширину и 15 метров в высоту (см. рис. 25). На веб-сайте детектора можно узнать, что он расположен в подземной «пещере, где могли бы поместиться все жители Женевы, хотя и без удобства»[149]. Коллаборацию детектора CMS возглавляет итальянский физик Гвидо Тонелли, и она также включает 3 тысячи физиков и инженеров из 183 институтов 38 стран.

В 1997 и 1998 годах началась работа по строительству компонентов ATLAS и CMS и рытье котлованов под их размещение. Монтаж детекторов закончился в начале 2008 года.

Рис. 25

Питер Хиггс (слева) посещает детектор CMS во время строительства. Здесь он с официальным представителем CMS Теджиндером Верди.

Источник: © copyright CERN

В августе 2008 года все 27 километров Большого адронного коллайдера были охлаждены до рабочей температуры. Потребовалось более 10 тысяч тонн жидкого азота и 150 тонн жидкого гелия, чтобы целиком заполнить магниты.

БАК был готов к запуску.

«Это фантастический миг, – заявил 10 сентября 2008 года Линдонд Эванс, руководитель проекта БАК. – Наконец-то мы стоим на пороге новой эпохи знаний о происхождении и эволюции Вселенной»[150].

Как ни печально, восторг Эванса быстро улетучился. БАК заработал в 10:28 утра по местному времени. Физики сбились в тесном центре управления и подняли радостный шум, когда на экране мелькнула вспышка света, сообщив о том, что высокоскоростные протоны отправились в путь по 27-километровому кольцу коллайдера при рабочей температуре всего на два градуса выше абсолютного нуля. Вот такой скромной на вид (к некоторому разочарованию миллиарда зрителей, которые, как считается, следили за происходящим по телевизору) оказалась кульминация двух десятилетий неустанных трудов целой армии физиков, проектировщиков, инженеров и строителей.

В 3 часа того же дня второй пучок протонов отправился по кольцу в противоположном направлении. И вскоре начались проблемы. Всего через девять дней электрический контакт между двумя сверхпроводящими магнитами расплавился. Электрическая дуга пробила изоляцию гелиевой системы охлаждения магнитов. Гелий попал в сектор 3–4 туннеля БАКа, произошел взрыв, и 53 магнита были повреждены, а протонные трубы загрязнены сажей.

Не было никакой надежды восстановить коллайдер до его запланированной остановки на зиму, и повторный запуск предварительно назначали на весну 2009 года. Однако возникли новые осложнения, и на совещании в Шамони в феврале 2009 года руководство ЦЕРНа решило продолжить работы.

Дата повторного пуска отодвинулась на неопределенное будущее.

10

Шекспировский вопрос

Глава, в которой БАК работает так, как никто не ожидал (кроме Линдона Эванса), и за несколько месяцев выполняет годовой план, а у бозона Хиггса остается все меньше мест, где он может прятаться

Лишь в начале сентября 2009 года, почти через год после первого запуска, последний из восьми секторов БАКа начал процедуру охлаждения. К концу октября все восемь секторов снова были охлаждены до своей рабочей температуры, и в ноябре БАК снова заработал. Несмотря на то что в зимние месяцы электричество стоит дороже, коллайдер проработал всю зиму 2009/10 года, главным образом чтобы физики ЦЕРНа не дали обогнать себя соперникам на Тэватроне, который тоже дразняще близко подошел к обнаружению бозона Хиггса.

За первые несколько месяцев 2010 года пучки протонов, летящие по двум кольцам БАКа в противоположных направлениях, разогнались до 3,5 ТэВ, а после этого столкнулись лоб в лоб. Первые столкновения на 7 ТэВ были зарегистрированы 30 марта. Эта энергия столкновения сохранялась при постепенном увеличении интенсивности и светимости пучков. Детекторы ATLAS и CMS зарегистрировали события, которые можно было отнести на счет очень многих старых знакомцев, поскольку весь сонм частиц Стандартной модели, открытых за шестьдесят с лишним лет, был обнаружен всего за несколько месяцев. Среди них были нейтральный пион, впервые открытый в 1950 году, эта-, ро– и фи-мезоны (образованные разными комбинациями верхних, нижних и странных кварков), J/ψ-мезон, Y-мезона и W– и Z-бозоны (см. рис. 26). В июле физики собирали новые данные об истинном кварке.

μ+μ— масса (ГэВ/с^2)

Рис. 26

В 2010 году, в первые несколько месяцев работы на энергии 7 ТэВ, коллаборации ATLAS и CMS зарегистрировали события – кандидаты на весь спектр известных частиц Стандартной модели. На графике коллаборации CMS показаны данные для J/ψ-мезона, ипсилона (Y-мезона, образованного прелестным кварком и его антикварком) и Z^0-частицы, обнаруженные в результате образования мюон-антимюонных пар с разной энергией.

Источник: © copyright CERN, в интересах коллаборации CMS

8 июля 2010 года итальянский физик Томмазо Дориго написал у себя в блоге, что, по слухам, Тэватрон нашел свидетельство легкого бозона Хиггса. Слух быстро распространился по всему Интернету и попал в новости. Его почти сразу же опроверг Фермилаб в своем твиттере, пренебрежительно отозвавшись о «сплетнях, которые распространяют блогеры, ищущие славы»[151]. Потом Дориго пытался оправдаться тем, что «лучше намеками на возможные открытия держать физику элементарных частиц в новостях, которые потом утихнут, чем делать громкие и четкие заявления раз в десять лет, когда действительно случается прорыв, и молчать все остальное время»[152].

Правда или нет, но слухи были весьма показательны для соперничества между Фермилабом и ЦЕРНом, которое все усиливалось, и общего чувства, будто что-то вскоре может быть открыто. Ледерман уже раньше признавался, что возможное заявление ЦЕРНа о каком-то будущем открытии вызовет у него смешанные чувства: «Примерно как если бы теща упала в пропасть на твоем БМВ», – сказал он[153].

Дориго в блоге ссылался на слухи о данных с уровнем статистической достоверности 3 сигмы[154]. Данные с уровнем достоверности 3 сигмы соответствуют 99,7-процентной уверенности – иными словами, вероятность, что данные ошибочны, составляет 0,3 процента. Хотя такой уровень достоверности кажется очень убедительным, все же, чтобы физики могли уверенно объявить об «открытии», им требуются 5 сигм, или уровень достоверности 99,9999 процента.

Считалось, что такие типы столкновений, которые могли привести к образованию и распаду бозона Хиггса, случаются очень редко и, чтобы собрать достаточно данных для 5 сигм, потребовалось бы очень много событий-кандидатов. Поэтому ключевое значение приобретала светимость[155] пучка частиц. Чем выше светимость, тем больше количество столкновений за определенный промежуток времени и тем больше количество потенциальных кандидатов. Фактически интегральная светимость (сумма светимости за некоторое время) непосредственно связана с количеством столкновений-кандидатов.

Интегральная светимость измеряется в довольно непонятных единицах, которые называют обратными барнами. Интенсивность ядерных реакций характеризуется такой величиной, как эффективное поперечное сечение, выражаемое в квадратных сантиметрах. Можно считать, что сечение – это площадь гипотетического двухмерного «окна», в котором происходит реакция. Чем больше окно, тем более вероятна реакция. Чем более вероятна реакция, тем быстрее она произойдет. Измеренные сечения имеют размеры атомного порядка, обычно это некое число, умноженное на 10–24 см^2. Сечение реакций с атомами урана оказалось таким большим, что один физик из Манхэттенского проекта саркастически заметил, что оно «размером с амбар»[156]. Так амбар, или барн, стал единицей измерения. Поперечное сечение, выраженное в виде некоего числа, умноженного на 10–24 см^2, стали выражать этим числом в барнах. Пикобарн равен одной триллионной (10–12) барна, или 10–36 см^2. Фемтобарн равен одной квадриллионной (10–15) барна, или 10–39 см^2.

На заседании ЦЕРНа во французском городе Эвиан 8 декабря 2010 года Джанотти коротко обрисовала перспективы обнаружения бозона Хиггса и характер гонки между БАКом и Тэватроном. Исходя из простой статистики, даже при интегральной светимости до 10 обратных фемтобарнов (10 раз по 10^15 обратных барнов, или 10^40 см–2) до конца 2011 года, Тэватрон в поиске бозона Хиггса может добиться уверенности максимум в 3 сигмы в отдельных диапазонах энергии. Более мощный БАК в принципе способен генерировать данные с уровнем достоверности 3 сигмы в диапазоне 1–5 обратных фемтобарнов, в зависимости от массы хиггса.

17 января 2011 года Департамент энергетики США объявил, что не будет финансировать расширение программы Тэватрона после 2011 года. Это решение не означало конец гонки за бозоном Хиггса, но оно стало признанием того, что отныне не Фермилаб, а ЦЕРН будет находиться на переднем крае физики высоких энергий.

Первоначальный план выполнения работ для БАКа учитывал длительную остановку в 2012 году, необходимую для модернизации, которая позволит довести расчетную энергию столкновений протонного пучка до 14 ТэВ[157]. Но бозон Хиггса был уже так мучительно близок, что в январе 2011 года руководители ЦЕРНа согласились отложить закрытие и продолжить работы на БАКе с энергией 7 ТэВ до декабря 2012 года. Потенциальное повышение энергии столкновений до 8 ТэВ сочли слишком рискованным. Вместо этого было решено увеличить светимость пучка.

«Если природа к нам добра и частица Хиггса имеет массу в пределах теперешних возможностей БАКа, – сказал об этом решении генеральный директор ЦЕРНа Рольф Хойер, – то в 2011 году у нас будет достаточно данных, чтобы увидеть намеки, но недостаточно, чтобы сделать открытие. Если мы будем работать весь 2012 год, у нас будут все необходимые данные, чтобы превратить эти намеки в открытие»[158].

Сцена готова, занавес поднят.

Секретарь Эйнштейна Хелен Дюкас однажды спросила его, не мог бы он попроще объяснить ей принцип относительности, чтобы она могла отвечать на постоянные вопросы репортеров. Эйнштейн задумался и потом сказал так: «Час, проведенный на скамейке с красивой девушкой, пролетает как минута, а минута на горячей плите тянется как час»[159].

Напряжение и возбуждение, охватившее тысячи ученых в коллаборациях Фермилаба и ЦЕРНа, буквально витало в воздухе. Новых частиц не открывали уже больше 10 лет. Почти 11 лет прошло с тех пор, как коллайдер БЭП «мельком» заметил след Хиггса. И вот наконец новая физика подошла так отчаянно, мучительно близко. Сколько осталось? Полгода? Год? Два года? Это явно была не скамейка, а горячая плита.

Пожалуй, плотину не могло не прорвать.

Математический физик Колумбийского университета Питер Войт завел блог о физике высоких энергий, после того как в 2006 году с успехом вышла его книга Not Even Wrong с критикой современной теории струн. 21 апреля 2011 года кто-то оставил анонимный комментарий с кратким содержанием внутреннего документа коллаборации ATLAS. В нем говорилось, что найдены признаки бозона Хиггса с массой 115 ГэВ с достоверностью 4 сигмы.

Это была не утка. Документ составила небольшая группа американских физиков в университете Висконсин-Мэдисон, участвовавшая в эксперименте ATLAS. Во главе группы стояла У Саулянь, входившая в коллаборацию ALEPH, которая «мельком заметила» бозон в 2000 году перед закрытием БЭПа. То есть это не было совпадение, что У решила снова просмотреть диапазон энергий, в котором, как она считала, были замечены следы бозона Хиггса в прошлый раз.

Однако не обошлось без двух проблем. Первая была из области физики. Частица наблюдалась в так называемом двухфотонном канале распределения массы из общего количества данных примерно 64 обратных пикобарнов, собранных за 2010 год и в первой половине 2011.

Когда протон-протонные столкновения в БАКе происходят с энергией 7 ТэВ, в них происходят столкновения кварков и слияния глюонов, которые теоретически могут привести к образованию бозонов Хиггса. Какие каналы распада открыты для бозона Хиггса, зависит от его массы. Для массивного бозона Хиггса доступны каналы распада с образованием двух W-частиц или двух Z-частиц. Но в случае бозона с малой массой 115 ГэВ этой энергии недостаточно для таких каналов. Вместо них распад бозона происходит по-другому. Один из вариантов включает образование двух высокоэнергетических фотонов, этот процесс записывается в виде H→γγ.

Проблема в том, что наблюдаемый резонанс был примерно в 30 раз больше, чем предсказывала Стандартная модель для этого конкретного канала распада.

Распад бозона Хиггса на два фотона в Стандартной модели подавляют так называемые W-бозонные петли, подразумевающие образование и последующее уничтожение W-бозонов. В итоге такая форма распада прогнозируется как очень редкая, на долю которой приходится лишь около 0,2 процента всех возможных форм распада. Если это действительно бозон Хиггса, тогда его распад на два фотона по какой-то причине значительно усилен. Чтобы это объяснить, возможно, пришлось бы прибегнуть к новым частицам, например кваркам и лептонам четвертого и даже пятого поколения.

Вторая проблема касалась статуса находки. Просочившийся документ, так называемая информационная записка коллаборации ATLAS, предназначался для внутреннего пользования с целью быстрого информирования о еще не проанализированных и не утвержденных результатах и обсуждения их в рамках коллабораций. Его никак нельзя было назвать «официальной» точкой зрения коллектива ATLAS. Дальнейший анализ и изучение результатов могло полностью отвергнуть их, так что даже не понадобилось бы составлять никакого официального документа.

Блогеры подхватили новость о просочившемся документе незадолго до пасхальных каникул, и несколько дней обсуждение оставалось в рамках блогосферы, посвященной физике высоких энергий. В 2009 году Дориго предсказывал, что новость об открытии бозона Хиггса сначала появится в чьем-то блоге. Он считал, что его предсказание оправдывается, но все же сильно сомневался, что это бозон Хиггса, и сказал, что ставит 1000 долларов против 500, что дальнейшие исследования не покажут никаких новых частиц с энергией 115 ГэВ в двухфотонном канале распада.

24 апреля, в пасхальное воскресенье, известие подхватили главные британские СМИ. Джон Баттерворт, физик ATLAS из лондонского Университетского колледжа, сделал взвешенное сообщение в новостной программе британского канала Channel 4. Он сказал: «Случилось то, что несколько человек не спали четыре ночи. Они со ставили кое-какие графики и порядком перевозбудились [и] передали их во внутренней записке по коллаборации. И это совершенно нормально. Все взволнованы, но, к сожалению, информация просочилась наружу. В данный момент это очень беспокойное место»[160]. На следующий день историю широко обсуждали в газетах.

В своем блоге на сайте газеты «Гардиан» Баттерворт высказался подробнее: «Нам сейчас довольно трудно сохранять холодный научный подход. А если мы сами не всегда способны оставаться спокойными, неудивительно, что все вокруг тоже переволновались. Поэтому у нас и предусмотрен строгий внутренний анализ, который проводят разные группы, и внешние рецензенты, и повторные эксперименты, и тому подобное»[161].

Вскоре появились противоположные слухи. Французский блог, посвященный физике высоких энергий 28 апреля заявил, что, изучив дополнительные данные, физики ATLAS пришли к выводу, что признаков бозона Хиггса нет. 4 мая штатный репортер New Scientist Дэвид Шайга опубликовал на сайте новость, что он якобы видел документ, попавший к нему из коллаборации CMS, где говорилось, что анализ их данных «ничего не дал»[162]. Благодаря таким утечкам до заинтересованных наблюдателей долетали отголоски происходящего в коллаборациях ATLAS и CMS, которые кидало назад и вперед.

8 мая коллаборация ATLAS опубликовала официальный отчет. Дальнейший анализ 132 обратных пикобарнов данных за 2010 и 2011 годы действительно ничего не дал; двухфотонный канал распределения массы не показал избытка событий. В своем блоге Баттерворт позднее объяснил, что нулевой результат не должен удивлять: даже Стандартная модель предсказывала, что еще не на что смотреть, но «более-менее скоро» чего-то можно ожидать. «Поэтому не теряйте интереса к двухфотонному спектру масс, – написал он, – но подождите открывать шампанское, пока данные не подтвердятся»[163].

Казалось, ждать уже недолго. В полночь 22 апреля БАК установил новый мировой рекорд мгновенной светимости 4,67 × 10^32 см–2 с–1, или 467 обратных микробарнов (467 миллионных барна) в секунду. В тот вечер дежурным инженером была Лоретт Понс, которая бывала в ЦЕРНе еще ребенком и поступила в лабораторию в 1999 году для работы над докторской диссертацией. «Мне и не снилось, что однажды именно я буду нажимать кнопку пуска Большого адронного коллайдера», – сказала она[164].

Поскольку дело было в полночь, в центре управления находилось совсем немного очевидцев этого момента. Понс закричала, бросилась в пляс и замахала руками, как ребенок.

Такое резкое увеличение светимости произошло за счет инжекции все большего и большего количества протонных сгустков из ПСС в каждый летящий по коллайдеру пучок. 3 мая пиковая светимость увеличилась еще больше – до 880 обратных микробарнов в секунду, 768 сгустков на пучок. В конце мая была зарегистрирована пиковая светимость 1260 обратных микробарнов в секунду.

Чтобы было понятнее, поперечное сечение неупругих протон-протонных столкновений на энергии 7 ТэВ составляет около 60 миллибарнов, то есть 0,06 барна. Таким образом, мгновенная светимость 1260 обратных микробарнов в секунду означает 1260 × 10^6 × 0,06 = более 75 миллионов столкновений в секунду. Если взять сечение для получения бозона Хиггса на 7 ТэВ в размере 9 пикобарнов[165], то эта мгновенная светимость означает 1260 × 10^6 × 9 × 10–12 = 0,011 бозона Хиггса в секунду, или 1 бозон Хиггса в среднем каждые 90 секунд.

Шум, поднявшийся из-за утечки, вызвал интерес к процессу, который может привести к объявлению официального результата. Джеймс Гиллис, директор ЦЕРНа по связям с общественностью, объяснил изданию New Scientist, что любой результат сначала будет обсуждаться и согласовываться в самой коллаборации (ATLAS или CMS), которая его получила, прежде чем о нем сообщат генеральному директору ЦЕРНа. Затем результат передадут второй коллаборации, чтобы она его подтвердила или опровергла. Потом будут извещены руководители других лабораторий и представители стран, финансирующих работу ЦЕРНа. После этого в ЦЕРНе состоится семинар, на котором и будет оглашен результат. К тому времени о нем будут знать уже многие тысячи людей. Утечка представлялась не просто весьма возможной, а практически неизбежной.

Так где плотину прорвет в следующий раз?

К 17 июня БАК успел собрать 1 обратный фемтобарн данных по каждой из коллабораций – а ведь эту цель ставили на весь 2011 год. «Вряд ли наши цели были заниженными, – пояснил Хойер, выступая перед сотрудниками, что он делал раз в полгода. – Думаю, мы установили реальные, но не слишком оптимистичные цели. И за себя, прирожденного оптимиста, должен сказать, что машина работала лучше, чем мы ожидали»[166].

Однако Линдон Эванс не слишком удивился. «БАК работает гораздо лучше, чем ожидали все, кроме меня, – заявил он. – Я очень доволен»[167]. Эванс пришел в ЦЕРН в 1969 году и участвовал в проекте БАК с самого начала, еще с совещания в Лозанне в 1984 году. С 1993 года он возглавлял проект. Проделанный путь был весьма волнующим.

Когда обе коллаборации ATLAS и CMS получили такое количество данных, ожидания возросли, как никогда. Данных должно было хватить, чтобы свидетельствовать о бозоне Хиггса в диапазоне масс 135–475 ГэВ с уровнем достоверности 3 сигмы. Либо их должно было хватить, чтобы со 100-процентной уверенностью исключить его из диапазона 120–530 ГэВ. Если говорить о планах до конца 2012 года, казалось, что вопрос решится так или иначе.

«По-моему, ответ на шекспировский вопрос о бозоне Хиггса – быть или не быть – будет получен в конце следующего года», – сказал Хойер[168].

После этого всеобщее внимание обратилось к назначенной на 21 июля конференции по физике высоких энергий, которое проводило в Гренобле Европейское физическое общество.

На конференции ЕФО коллаборации ATLAS и CMS впервые получили возможность поделиться результатами анализа более чем 1 обратного фемтобарна данных. То, что коллаборации смогли представить их буквально за несколько недель после того, как собрали данные, свидетельствовало об упорном и ревностном труде сотен физиков, которые без устали – и почти без сна – работали над анализом.

Стало понятно, что бозон (или бозоны) Хиггса – если таковой существует – не будет «найден» как таковой. Вместо этого из исследований устранят диапазоны масс бозона, ограничивая поиск все более узкими диапазонами, пока наконец у бозона Хиггса не останется мест, где он мог бы прятаться.

Итак, коллаборация ATLAS могла с 95-процентной уверенностью исключить существование бозона Хиггса Стандартной модели с массой 155–190 ГэВ и 295–450 ГэВ. Сам по себе это уже был серьезный результат. Тот факт, что в таком широком диапазоне энергий ничего не нашлось, оставил лисе несколько гипотетических курятников; большинство из них относилось к физике вне Стандартной модели.

Но это еще не все. Данные эксперимента ATLAS также показали избыток событий над ожидаемым фоном между 120 и 145 ГэВ. Причины могли быть разные, например ошибки в анализе, фоновые флуктуации в событиях, которые не были должным образом спрогнозированы или рассчитаны, или системные неопределенности детектора. Либо это мог быть первый признак того, что нечто вроде бозона Хиггса Стандартной модели или, может быть, даже многих бозонов Хиггса прячется в этом диапазоне.

В избытке преобладали события, которые можно было отнести к двум разным каналам распада бозона Хиггса. Это был распад бозона на две W-частицы и затем на два заряженных лептона и два нейтрино (записывается в виде H → W+W— → l+ν l—ν)[169] и несколько более редкий канал, в котором бозон Хиггса распадается на две Z^0-частицы и потом на четыре заряженных лептона (записывается в виде H → Z^0Z^0 → l+ l— l+ l—)[170]. Ожидалось, что первый канал будет преобладающим каналом распада бозона Хиггса Стандартной модели с достаточной массой, но, разумеется, нейтрино и антинейтрино, получаемые подобным образом, приходилось выводить логически, так как их невозможно обнаружить, а всем известно, как тяжело отличить истинные события с бозоном Хиггса от фоновых. Поэтому данные для этого канала позволяли только вывести диапазон масс бозона.

Второй канал гораздо чище. На самом деле этот канал называют «золотым», потому что в нем почти отсутствуют фоновые события и таким образом он обеспечивает потенциально очень точную оценку массы бозона Хиггса. Он, кроме того, встречается очень редко, примерно один на тысячу бозонов Хиггса распадается таким образом.

Наблюдаемый избыток событий в объединенных данных коллаборации ATLAS составил в целом 2,8 среднеквадратичного отклонения, или 2,8 сигмы выше фона. Это было не вполне 3 сигмы и далеко не 5 сигм, которые требовались, чтобы объявить об открытии. Тем не менее это весьма прозрачный намек. Что же нашел CMS?

Коллаборация CMS объявила, что можно с 95-процентной уверенностью исключить диапазоны 149–206 ГэВ, большую часть диапазона 200–300 ГэВ и диапазон 300–440 ГэВ. Объединенные данные CMS также показали любопытный избыток событий в районе 120–145 ГэВ, со статистической значимостью, которую оказалось трудно определить, но которая была чуть меньше, чем у коллаборации ATLAS.

Все это очень будоражило. ATLAS и CMS, которые до конференции работали по отдельности, втайне и соревнуясь, обнаружили почти одно и то же.

Но впереди по-прежнему лежал еще очень долгий путь. После презентации несколько членов коллабораций ATLAS и CMS собрались поднять по бокалу шампанского за новости и обсудить дальнейшие шаги. Предстояло создать небольшую рабочую группу, чтобы соединить результаты обеих групп, обновить их в соответствии с последними данными и представить более точную оценку.

Коллайдер продолжал бить собственные рекорды. 30 июля он достиг пиковой светимости 2030 обратных микробарнов в секунду (более 120 миллионов протон-протонных столкновений в секунду). Несмотря на некоторые проблемы со стабильностью, к 7 августа обе коллаборации собрали более 2 обратных фемтобарнов данных. Это уже вдвое больше данных, чем было проанализировано и представлено на конференции ЕФО.

ЦЕРН успел бы подготовить объединенные и обновленные результаты к следующей крупной конференции – XV международному симпозиуму по лептон-протонным взаимодействиям с высокими энергиями, который должен был начаться 22 августа в Институте фундаментальных исследований Тата в Мумбаи, Индия.

Казалось, что ответ на шекспировский вопрос будет получен в ближайшие месяцы.

Эйнштейн однажды заявил: «Господь Бог изощрен, но не злонамерен»[171]. И даже если новая глава эпоса о поиске бозона Хиггса и не говорит о кознях особо злонамеренного божества, но все-таки развитие событий намекает, что у Господа Бога по крайней мере довольно хулиганское чувство юмора.

За несколько недель до Мумбайской конференции блогосфера наполнилась слухами, что объединенные данные ATLAS и CMS уже гораздо менее неопределенно говорят о бозоне Хиггса с энергией около 135 ГэВ. Объединенные данные двух коллабораций как будто предполагали избыток событий распада бозона Хиггса с гораздо более высокой статистической значимостью, чем 3 сигмы. Ожидание становилось все напряженнее. Хотя 3 сигмы еще не соответствовали открытию, по уверенности физиков, прямо связанной с результатами, можно было бы судить о том, верят ли они, что это действительно «оно».

Я встретился с Питером Хиггсом дождливым четвергом в Эдинбурге, за несколько дней до начала Мумбайской конференции. Хиггс ушел на пенсию в 1996 году, но оставался в Эдинбурге и поддерживал связь с университетской кафедрой, где впервые стал преподавателем математической физики в 1960 году. Сейчас это был 82-летний бодрячок. Мы сидели в кофейне с его коллегой и другом Аланом Уокером и разговаривали о его жизни и надеждах на ближайшее будущее.

Статью, которая навеки связала его имя с названной в честь его частицей, Хиггс опубликовал в 1964 году[172]. Он 47 лет ждал хоть какого-то подтверждения. Мы говорили о том, чего ждать от Мумбайской конференции, и какие основания у нас есть для оптимизма, и стоит ли ожидать сообщения о чем-то эпохальном. «Я с трудом вспоминаю того человека, которым я был тогда [в 1964 году], – сказал Хиггс. – Но я рад, что дело идет к концу. Будет здорово, если после всех этих лет я окажусь прав»[173].

После обнаружения бозона Хиггса открывателей механизма Хиггса непременно будет ждать Нобелевская премия, и споры велись как раз из-за того, кого из них признает Нобелевский комитет: Энглера, Хиггса, Гуральника, Хейгена или Киббла[174]. Мы говорили о том, что вокруг уверенного подтверждения из Мумбаи и всех последующих заявлений Шведской академии, скорее всего, поднимется большая шумиха. Придется высказаться и пресс-службе Эдинбургского университета. И если шумиха зайдет слишком далеко, Хиггс просто отключит телефон и не будет открывать дверь.

Однако пока что в таких экстремальных мерах не было необходимости. Когда в следующий понедельник, 22 августа, открылась Мумбайская конференция, Джеймс Гиллис из ЦЕРНа опубликовал пресс-релиз. Там не упоминались объединенные данные ATLAS и CMS, обещанные в Гренобле. После поправок в соответствии с новым обратным фемтобарном данных по столкновениям, собранных в период между конференциями, статистическая значимость избытка событий, который наблюдали ATLAS и CMS в нижнем диапазоне масс около 135 ГэВ, фактически уменьшилась. «После анализа дополнительных данных значимость этих флуктуаций существенно понизилась», – уныло гласил пресс-релиз[175].

Трудно было не разочароваться. То, на что намекали представленные в Гренобле результаты, потеряло значимость в результатах, представленных в Мумбаи. Необычайная производительность БАКа, собравшего более двух обратных фемтобарнов данных по каждому детектору к августу 2011 года, создала ожидание, что ответ на «шекспировский вопрос» появится скорее рано, чем поздно. Господь Бог, как видно, решил попроказничать – легко не будет.

Хотя на тот момент каждая из двух коллабораций зарегистрировала данные по более чем 140 триллионам протон-протонных столкновений, физики по-прежнему имели дело всего лишь с горсточкой избыточных событий. А при недостатке данных статистические оценки могут очень сильно колебаться. Мелкие изменения могут показаться громадными.

Например, статистика подбрасывания монеты кажется простой донельзя. Мы знаем, что у орла и решки одинаковые шансы выпасть – 50 на 50. Но если взять лишь несколько подбрасываний, нам вполне может попасться последовательность, в которой преобладают либо орлы, либо решки. Это не значит, что монета «врет». Дело всего лишь в том, что мы наблюдали недостаточное количество подбрасываний, чтобы доказать теорию. Можно ожидать, что по мере накопления данных избыток постепенно исчезнет.

Представленные в Мумбаи результаты еще не означали, что бозона Хиггса Стандартной модели не существует. В диапазоне энергии 115–145 ГэВ еще оставались избыточные события, но именно этот диапазон энергий всегда считался довольно проблематичным для БАКа.

Оставалось только одно. Сохранять терпение и ждать новых результатов. Хиггс ждал 47 лет. Можно подождать и еще пару месяцев.

БАК все лето и осень 2011 года работал лучше всяких ожиданий, и его пиковая светимость достигла 3650 обратных микробарнов в секунду. Протонные пучки остановились 31 октября, и к тому времени обе коллаборации собрали более 5 обратных фемтобарнов данных из 350 триллионов протон-протонных столкновений.

Но времена были тревожные и непонятные. Мумбайская конференция подорвала уверенность. После нее ЦЕРН не делал никаких заявлений о бозоне Хиггса и не собирался. Давно обещанные сводные данные коллабораций ATLAS и CMS в конце концов были опубликованы, но они не сказали ничего нового и повторили только июльские выводы из двух обратных фемтобарнов данных. В тот момент общий объем данных был уже в пять с лишним раз больше.

Но вместо ЦЕРНа 23 октября 2011 года возбужденный шум вызвала новость, что группа физиков эксперимента OPERA^1, глубоко в горе Гран-Сассо Центрально-Итальянских Апеннин, готова сообщить о результатах кропотливого измерения скорости мюонных нейтрино, которые генерировали в ЦЕРНе, в 730 километрах оттуда. Результаты говорили о том, что нейтрино прошли сквозь землю и пришли в пункт назначения со сверхсветовой скоростью.

Пока бушевали споры о сверхсветовых нейтрино, другие физики ЦЕРНа занимались тем, что пытались объяснить, почему необнаружение бозона Хиггса все-таки будет представлять собой важный шаг вперед для физики высоких энергий. Безусловно, его необнаружение подорвет Стандартную модель и заставит теоретиков снова вернуться к мелу и доске. Но, несмотря на всю целеустремленность поисков, не найти ничего – это совсем не то же самое, что и найти что-то.

При этих мрачноватых перспективах объявленная советом ЦЕРНа конференция с представителями странучастниц для обсуждения последних событий не вызвала особого интереса. Первый день конференции, 12 декабря 2011 года, будет закрытым. На следующий день были назначены публичные обсуждения с Джанотти и Тонелли, которые казались несколько более обещающими. В конце концов, может быть, у них найдется что-нибудь интересное?

OPERA – сокращение от Oscillation Project with Emulsion-Tracking Apparatus (проект изучения осцилляций в эмульсионном аппарате), коллаборация ЦЕРНа и Национальной лаборатории Гран-Сассо (LNGS), Италия.

Журналисты со всего мира собрались в ЦЕРНе во вторник 13 декабря. Конечно, их несколько обескуражила сухая и техническая презентация, которую они просмотрели, но выводы тем не менее звучали вполне убедительно.

Объединив данные по нескольким возможным каналам распада бозона Хиггса, коллаборация ATLAS зафиксировала избыток событий, который соответствовал 3,6 сигмы над ожидаемым фоном для бозона Хиггса с массой 126 ГэВ. Коллаборация CMS сообщила об общем избытке событий с чуть более низкой статистической значимостью 2,4 сигмы для бозона Хиггса с массой около 124 ГэВ.

Физики тем не менее призывали к осторожности. «Возможно, причина избытка в отклонениях, – сказала Джанотти. – Но может быть, это и нечто более интересное. На этом этапе мы не можем делать выводов. Нам нужны дополнительные исследования и дополнительные данные. При условии такой же превосходной работы БАКа в этом году нам не придется долго ждать, и мы можем надеяться на разрешение этой головоломки до конца 2012 года»[176].

Хойер пояснил: «[Данные показывают] интересные признаки в нескольких каналах распада в обоих экспериментах, но прошу вас не делать поспешных выводов. Мы пока его не нашли. Мы пока его не исключили. Оставайтесь с нами и в следующем году»[177]. Джон Баттерворт сказал в новостях британского канала Channel 4: «Мы все очень волнуемся, потому что все выглядит весьма многообещающе и, как сказал Рольф Хойер, его заметили сразу в нескольких местах. Но нам все равно придется рискнуть еще пару раз»[178].

Сам Хиггс высказался в соответствии с «линией партии»: «Ну ладно, я не буду дома топить горе на дне бутылки виски, но и шампанское я тоже погожу открывать!»[179]

В тот же день Дориго сделал запись в блоге, где заявил, что результаты представляют собой «убедительное свидетельство» в пользу бозона Хиггса Стандартной модели с массой около 125 ГэВ[180]. Потом разразилась короткая, но яростная словесная баталия в блогосфере, когда американский физик-теоретик Мэтт Стрэсслер высказался более консервативно, в том смысле, что Дориго поторопился объявить свидетельство «убедительным»: «Если бы он сказал «некоторые предварительные данные», к нему не было бы претензий. Но так, по-моему, он перешел границу»[181].

На самом деле физики хором призывали не делать поспешных выводов, но по отдельности многие были готовы рискнуть, как сказал мне Баттерворт: «Нам действительно нужны данные для уверенности, но сам бы я сделал ставку. [Все] зависит от того, насколько ты азартен»[182].

По меньшей мере для оптимизма были хорошие основания. Новый запуск БАКа был назначен на апрель 2012 года, и в центре внимания снова окажутся большие летние конференции.

Параметры предстоящего запуска определил семинар в Шамони в феврале 2012 года. Через год необычайно успешной работы инженеры были гораздо увереннее в возможностях коллайдера и согласились довести энергию протон-протонных столкновений до 8 ТэВ. С такой более высокой энергией можно было ожидать до 30-процентного увеличения скорости образования бозонов Хиггса, что с учетом увеличенного фона все же давало увеличение чувствительности на 10–15 процентов. Цель состояла в том, чтобы за 2012 год собрать 15 обратных фемтобарнов данных с высокой энергией столкновений. Этого, безусловно, должно было хватить, чтобы в конце концов закончить поиск Хиггса.

22 февраля стало известно, что сверхсветовая скорость нейтрино, установленная экспериментом OPERA, оказалась ошибкой. Из-за неисправного оптоволоконного кабеля произошла небольшая задержка, и время прохождения нейтрино сократилось примерно на 73 миллиардные доли секунды. Когда ошибку исправили, измерение полностью соответствовало нейтрино, движущимся со скоростью света.

Несмотря на столь нелепую развязку, физики повсюду вздохнули с облегчением в уверенности, что специальной теории относительности Эйнштейна ничто не угрожает. Несколько руководителей коллаборации OPERA ушли со своих постов. Это был отрезвляющий момент, напомнивший (если кто-то забыл), что может случиться, если коллектив сложного эксперимента по физике сделает какие-то громкие заявления, которые впоследствии окажутся неверными.

Коллайдер возобновил работу 12 марта и восемь дней спустя достиг энергии 8 ТэВ. Обычный режим работы с протонными пусками начался в середине апреля. Мгновенная светимость дошла до пикового значения 6760 обратных микробарнов в секунду. Несмотря на небольшую задержку в сборе данных из-за технических проблем с охлаждением, к концу мая БАК уже поставлял впечатляющий объем данных: 1 обратный фемтобарн в неделю на каждую коллаборацию.

Складывались все условия для того, чтобы объявление состоялось на 36-й международной конференции по физике высоких энергий (ICHEP), которая должна была открыться 4 июля в Мельбурне, Австралия. Окончательная дата, когда должен был прекратиться сбор данных, чтобы успеть проанализировать их и представить на конференции, была назначена на 10 июня, и к тому моменту БАК позволил собрать данные объемом около 5 обратных фемтобарнов по обоим детекторам ATLAS и CMS, то есть столько же, сколько они собрали за весь 2011 год.

Разумеется, среди блогеров, пишущих о физике высоких энергий, поползли слухи. Питер Войт передал слух, что якобы снова появились уверенные признаки бозона Хиггса и данные 2011 года плюс около половины данных, собранных за 2012, свидетельствуют об избытке событий в канале Н → γγ со статистической значимостью 4 сигмы. Обсуждение становилось все более бурным. Все как будто говорило о том, что ATLAS и CMS собираются сообщить о данных, показывающих избыток, которым лишь чутьчуть не хватает до 5 сигм, чтобы заявить об открытии. Если это действительно правда, то можно было не сомневаться, что результат объединения данных обеих коллабораций, скорее всего, будет говорить в пользу бозона Хиггса или чего-то в этом роде.

Но пойдут ли коллаборации на этот шаг? А если нет, вопрос останется официально незакрытым до получения новых данных. Тогда у блогеров будет возможность свободно публиковать свои весьма логичные, но, разумеется, неофициальные интерпретации данных. Может быть, они даже заявили бы об «открытии», которое официально никто не подтверждал. За всю историю науки еще никогда не складывалась подобная ситуация.

И вдруг, всех удивив, ЦЕРН заявил о том, что 4 июля в Женевской лаборатории будет проходить специальный семинар в преддверии конференции ICHEP. На семинаре будут представлены последние данные по поиску бозона Хиггса от коллабораций ATLAS и CMS, после чего состоится пресс-конференция. Приглашены Хиггс, Энглер, Гуральник, Хейген и Киббл[183].

Неужели это был знак, что одна или обе коллаборации добились статистической значимости 5 сигм, которая требовалась, чтобы объявить открытие состоявшимся? Все бросились строить догадки пуще прежнего. Чтобы не отставать, физики Фермилаба напомнили, что обе коллаборации Тэватрона – D0 и CDF – накопили почти 10 обратных фемтобарнов данных на низких энергиях столкновения. На мартовской конференции во французском Морионе физики Фермилаба продемонстрировали результат, предполагавший избыток в диапазоне 115–135 ГэВ с уровнем достоверности 2,2 сигмы и преобладанием распада до двух нижних кварков, то есть того канала, который трудно наблюдать в БАКе из-за высокого фона. 2 июля, за два дня до церновского заявления, состоялся семинар, на котором физики Фермилаба заявили, что благодаря усовершенствованию анализа довели значимость до 2,9 сигмы. Конечно, этого не хватало, чтобы заявить об открытии, но такой результат был бы убедительным подтверждением любого последующего заявления об открытии.

4 июля я смотрел онлайн-трансляцию из ЦЕРНа, удобно устроившись у себя в кабинете, и следил за реакцией зрителей по записям в блоге, которые в режиме реального времени выдавал присутствовавший на семинаре Дориго.

Сегодня особый день, объявил Хойер, и по нескольким причинам. В конце концов, он открывает собой международную конференцию по физике, первую в истории, которая транслируется по видео на разные континенты.

Первым взял слово Джо Инкандела, профессор физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, он выступал как представитель CMS. Инкандела казался нервным, видимо, он осознавал всю важность этого исторического момента. Но по мере выступления он начал говорить все увереннее.

В своей презентации он по праву подчеркнул поразительную сложность экспериментов. Просто сложить данные и получить один результат – ответ на вопрос «быть или не быть бозону Хиггса» – это не уважать труд всех тех, кто обеспечивает работу БАКа, оперирует детекторами и триггерами, отбирает события, рассчитывает фон, управляет международной вычислительной сетью, производит детальный анализ и практически не спит. Инкандела уделил некоторое время этим техническим аспектам, как будто чтобы уверить слушателей в том, что не может быть никакого сомнения в результатах, о которых он собирается рассказать.

Когда он в конце концов дошел до дела, главный тезис его выступления вызвал всеобщий трепет. Объединив данные по столкновениям с энергией 7 ТэВ за 2011 год и с энергией 8 ТэВ за 2012 год, коллаборация установила избыток событий в районе 125 ГэВ в канале Н → γγ со значимостью 4,1 сигмы. Аналогичное объединение данных для канала H → Z^0Z^0 → l+ l— l+ l— показало избыток событий со значимостью 3,2 сигмы. После сопоставления данных по обоим каналам статистическая значимость составила 5,0 сигм. Для избытка, который ожидался для бозона Хиггса Стандартной модели с такой массой, достаточно было 4,7 сигмы. «Приятно получить пятерку», – сказал Инкандела[184].

Зал взорвался овацией.

Оставалось еще сообщить о некоторых других результатах по другим каналам распада, но они мало что добавили к общей картине. Объединенный результат показан на рис. 27, a на примере p-значения – мере статистической значимости результатов – в сравнении с массой бозона Хиггса.

После этого, учитывая нехватку времени, семинар сразу же перешел к второй детекторной коллаборации. Фабиола Джанотти представила результаты эксперимента ATLAS. Она выступила примерно в том же духе, подчеркнув важные технические аспекты эксперимента. Меня поразил один необычайный факт: при целых 10,7 обратного фемтобарна данных количество избыточных событий с энергией 126 ГэВ, которое прогнозировалось в канале Н → γγ, было оценено всего в 170. Количество фоновых событий с той же энергией прогнозировалось на уровне 6340, таким образом, отношение сигнал – фон составляло всего 3 процента.

Главный вывод у Джанотти был примерно такой же, что и у ее коллеги по CMS. Объединив данные за 2011 и 2012 годы, они получили избыток энергии 126,5 ГэВ в канале Н → γγсо значимостью 4,5 сигмы, что несколько больше (вдвое), чем предсказывает Стандартная модель. Соответствующие данные для канала H → Z^0Z^0 → l+ l— l+ l— показали избыток на 125 ГэВ со значимостью 3,4 сигмы. Соединив данные по двум каналам распада, коллаборация получила избыток со значимостью 5,0 сигмы, тогда как Стандартная модель предсказывала 4,6 сигмы. Итог изображен на рис. 27, в. Обе коллаборации получили данные со статистической значимостью 5 сигм, достаточной, чтобы заявить об открытии. Снова аплодисменты.

Хойер заявил: «Как неспециалист, я бы сказал, что, помоему, у нас получилось. Вы согласны?»[185] Бесспорно, ученые открыли нечто очень похожее на бозон Хиггса Стандартной модели, и на взгляд неспециалиста это действительно был он. Но физики оперируют более точными критериями. Они решили не распространяться, о каком именно открытии только что объявили, и под мягким нажимом журналистов на последующей пресс-конференции предпочли говорить, что новая частица совпадает с бозоном Хиггса. Они не захотели втягиваться в рассуждения о том, действительно ли это тот самый бозон Хиггса или нет.

Рис. 27

Предварительные результаты, о которых 4 июля 2012 года сообщили коллаборации CMS и ATLAS. Графики показывают варианты p-значения – величины статистической значимости – в сравнении с массой бозона Хиггса. (a) Результаты CMS показывают избыток событий для каналов Н → γγ и H → Z^0Z^0 → l+ l— l+ l— и их сочетания, которое достигает решающего уровня 5 сигм. Пунктирной линией показан избыток, который предсказывает для бозона Хиггса Стандартная модель. (b) Аналогичный график коллаборации ATLAS показывает примерно такой же результат. Источник: © copyright CERN

Очевидные факты были таковы: новый бозон имел массу в пределах 125–126 ГэВ и взаимодействовал с другими частицами Стандартной модели именно таким образом, который прогнозировался для бозона Хиггса. Помимо наблюдаемого превышения в канале распада H →γγ, формы распада нового бозона на другие частицы так же соотносятся друг с другом, как это ожидается от бозона Хиггса в Стандартной модели. Хотя оба эксперимента, ATLAS и CMS, ясно показывают, что это бозон, ни тот ни другой не могут точно определить его спин, который может иметь значение 0 или 2. Однако единственная частица с ожидаемым спином 2 – это гравитон, гипотетический переносчик гравитационного взаимодействия. Поэтому спин 0 был гораздо более вероятен. Перефразируя Руббиа, есть соблазн сказать, и не без оснований: «Он выглядит как бозон Хиггса Стандартной модели, он пахнет как бозон Хигг са Стандартной модели, значит, это и есть бозон Хигг са Стандартной модели».

В действительности эти результаты открывают врата в новое долгое путешествие. Открыт бозон, который в глазах всего мира выглядит как бозон Хиггса. Но какой бозон Хиггса? Стандартной модели нужен только один, чтобы нарушалась электрослабая симметрия. Минимальной суперсимметричной Стандартной модели нужно пять. У других теоретических моделей другие требования. Единственный способ выяснить, какая именно частица открыта, – это исследовать ее свойства и поведение в дальнейших экспериментах.

В пресс-релизе ЦЕРНа говорилось так[186]: «Чтобы уверенно установить характеристики новой частицы, требуется значительное время и усилия. Но каков бы ни оказался характер частицы Хиггса, вскоре мы сделаем большой шаг вперед в понимании фундаментальной структуры материи».

После заслуженных поздравлений и одобрительных похлопываний по спине семинар закончился. Когда у Питера Хиггса спросили, что он думает, он поздравил лабораторию с потрясающим успехом и сказал: «Это поистине невероятно, что такое событие случилось еще при моей жизни»[187].

Важный этап в наших попытках понять фундаментальную природу материи подходит к концу. Вскоре начнется новый увлекательный путь.

Эпилог

Конструкция массы

Из чего сделан мир?

В середине 1930-х мы могли бы сказать, что вся материальная субстанция в мире состоит из химических элементов, а каждый элемент состоит из атомов. Каждый атом, в свою очередь, состоит из ядра, а ядро – из разного числа положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Окружают ядро отрицательно заряженные электроны, связанные силой электрического притяжения. Электрон может иметь ориентацию спин вверх или спин вниз, а на каждой атомной орбитали может находиться два электрона при условии, что у них спаренные спины. Электроны могут перейти с одной орбитали на другую за счет поглощения или испускания электромагнитного излучения в виде фотонов.

Мы бы сказали, что вес 18-граммового кубика замерзшей воды состоит из общей массы 10 800 миллиардов триллионов протонов и нейтронов.

В наши дни ответ стал гораздо точнее.

Протоны и нейтроны в ядре в действительности не являются элементарными частицами. Они состоят из кварков с дробными зарядами. Протон состоит из трех кварков с разными «ароматами» – двух верхних и одного нижнего.

Кварки также различаются «цветом»: красным, синим и зеленым. Два верхних кварка и нижний кварк в протоне имеют разные цвета, и получившаяся комбинация называется «белой». Нейтрон состоит из одного верхнего кварка и двух нижних, и все кварки в нем тоже разных цветов.

Цветовое взаимодействие между кварками переносят восемь разных видов силовых частиц, которые называются общим термином «глюоны». Это взаимодействие становится сильнее не по мере приближения кварков друг к другу, как можно было бы ожидать, но по мере их разделения. Сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами – всего лишь остаток, «пережиток» цветового взаимодействия между составляющими их кварками.

Открытие новой частицы в ЦЕРНе позволяет уверенно предположить, что массы кварков возникают благодаря взаимодействию с полем Хиггса. Это взаимодействие преображает безмассовые кварки в частицы с массой. Взаимодействие придает частицам глубину и заставляет их замедляться. Такое сопротивление ускорению мы называем массой.

Но массы кварков очень малы, и на их долю приходится только 1 процент массы протона или нейтрона. Остальные 99 процентов – это энергия, переносимая безмассовыми глюонами, которые движутся между кварками и связывают их.

В Стандартной модели концепция массы как неотъемлемого свойства или количественной характеристики исчезает. Масса полностью состоит из энергии взаимодействий между элементарными квантовыми полями и их частицами.

Бозон Хиггса – часть механизма, объясняющего, откуда берется масса всех частиц Вселенной. Все вещество в мире может состоять из кварков и лептонов, но самой своей вещественностью оно обязана энергии, происходящей из взаимодействия с полем Хиггса и обмена глюонами.

Без этих взаимодействий материя была бы так же эфемерна и невещественна, как свет, и не было бы ничего.

Словарь терминов

ATLAS. Сокращение от A Toroidal LHC Apparatus, тороидальный аппарат БАК, одна из двух детекторных коллабораций, занимающихся поисками бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.

CMS. Сокращение от Compact Muon Solenoid, компактный мюонный соленоид, одна из двух детекторных коллабораций, участвующих в поисках бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа.

g-фактор. Коэффициент пропорциональности между (квантованным) моментом импульса элементарной или составной частицы и ее магнитным моментом, то есть направлением, которое приобретает частица в магнитном поле. У электрона есть три g-фактора: один связан со спином, другой с моментом импульса орбитального движения электрона в атоме и третий, связанный с суммой спина и орбитального момента импульса. Релятивистская квантовая теория электрона, сформулированная Дираком, предсказывает g-фактор 2 для электронного спина. В 2006 году комитет CODATA Международного совета по науке рекомендовал g-фактор 2,0023193043622. Разница объясняется квантовыми электродинамическими эффектами.

W-, Z-частицы. Элементарные частицы, переносящие слабое ядерное взаимодействие. W-частицы – бозоны со спином 1 с единичным положительным или отрицательным зарядом (W+, W—) и массами 80 ГэВ. Z^0 – электрически нейтральный бозон со спином 1 и массой 91 ГэВ. W– и Z-частицы приобретают массу посредством механизма Хиггса и могут считаться «тяжелыми» фотонами.

Адрон. От греческого hadros, толстый или тяжелый. Адроны образуют класс частиц, испытывающих сильное ядерное взаимодействие. Они состоят из разных сочетаний кварков. К ним относятся барионы, состоящие из трех кварков, и мезоны, состоящие из кварка и антикварка.

Античастица. Идентична по массе «обычной» частице, но имеет противоположный заряд. Например, античастица электрона (e—) – позитрон (e+). Античастица красного кварка – красный антикварк. В Стандартной модели у каждой частицы есть античастица. Частицы с нулевым зарядом являются своими собственными античастицами.

Аромат. Свойство, которое, помимо цветного заряда, отличает один тип кварков от другого. Различаются шесть ароматов кварков, относящихся к трем поколениям: верхний, очарованный и истинный кварки с электрическим зарядом +2/3, спином 1/2 и массами 1,7–3,3 МэВ, 1,27 и 172 ГэВ соответственно и нижний, странный и прелестный кварки с электрическим зарядом —1/3, спином 1/2 и массами 4,1–5,8 МэВ, 101 МэВ и 4,19 ГэВ соответственно. Термин «аромат» также применяется к лептонам, при этом электрон, мюон, тау и соответствующие нейтрино различаются лептонным ароматом. См. Лептон.

Асимптотическая свобода. Свойство сильного цветового взаимодействия между кварками. Цветовое взаимодействие становится слабее, чем ближе кварки друг к другу, и в асимптотическом пределе нулевого разделения ведут себя так, как если бы были совершенно свободны (см. рис. 17(b).

Атом. От греческого atomos, неделимый. Первоначально слово обозначало мельчайшую составную часть материи, а в наше время это фундаментальный компонент химических элементов. Так, вода состоит из молекул H2O, которые, в свою очередь, состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Сам атом состоит из протонов и нейтронов, которые связаны вместе и образуют центральное ядро, и электронов, которые образуют характерные волновые функции, вращаясь вокруг ядра по атомным орбиталям.

БАК. Большой адронный коллайдер, самый высокоэнергетический в мире ускоритель частиц, способный производить протон-протонные столкновения с энергией 14 ТэВ. БАК расположен в ЦЕРНе в кольцевом туннеле длиной 27 км, в 175 метрах под землей у швейцарско-французской границы у Женевы. С помощью БАКа, работавшего с энергией протон-протонных столкновений 7 ТэВ и затем 8 ТэВ, были получены данные, позволившие в июле 2012 года заявить об открытии бозона, соответствующего бозону Хиггса.

Барион. От греческого barys, тяжелый. Барионы входят в класс адронов. Это более тяжелые частицы, которые испытывают сильное ядерное взаимодействие, к ним относятся протоны и нейтроны. Барионы состоят из триплетов кварков.

Бета-радиоактивность/бета-распад. Впервые открыта французским физиком Анри Беккерелем в 1896 году. Название изобрел Эрнест Резерфорд в 1899 году. Один из видов распада слабого взаимодействия, при этом нижний кварк в нейтроне преобразуется в верхний кварк, превращая нейтрон в протон с испусканием W—-частицы. W—-частица распадается на высокоскоростной электрон (бета-частицу) и электронное антинейтрино.

Бета-частица. Высокоскоростной электрон, испускаемый ядром атома при бета-распаде. См. Бета-радиоактивность.

Бозон Намбу – Голдстоуна. Безмассовая частица со нулевым спином, образуется вследствие спонтанного нарушения симметрии. Концепция открыта Ёитиро Намбу в 1960 году и разработана Джеффри Голдстоуном в 1961. В механизме Хиггса бозоны Намбу – Голдстоуна придают третью степень свободы квантовым частицам, которые в ином случае не имели бы массы (см. рис. 14, с. 100).

Бозон Хиггса. Назван в честь британского физика Питера Хиггса. У любого поля Хиггса есть характерные частицы, которые называются бозонами Хиггса. Обычно бозоном Хиггса называют частицу поля Хиггса электрослабой теории, впервые использованной в 1967–1968 годах Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, чтобы объяснить нарушение электрослабой симметрии. 4 июля 2012 года на Большом адронном коллайдере была обнаружена частица, очень напоминающая электрослабый бозон Хиггса. Это нейтральная частица со спином 0 и массой 125 ГэВ.

Бозон. Назван в честь индийского физика Шатьендраната Бозе. У бозонов целочисленные спины (1, 2, …), вследствие этого на них не распространяется принцип Паули. Бозоны участвуют в передаче взаимодействий между материальными частицами, к ним относятся фотоны (электромагнитное взаимодействие), W– и Z-частицы (слабое взаимодействие) и глюоны (цветовое взаимодействие). Частицы с нулевым спином также называются бозонами, но они не участвуют в переносе взаимодействий. К ним относятся пионы, куперовские пары (которые также могут иметь спин 1) и бозон Хиггса. Гравитон, гипотетическая частица гравитационного поля, считается бозоном со спином 2.

Большой взрыв. Этим термином называется космический «взрыв» пространства-времени и материи в первые мгновения после возникновения Вселенной около 13,7 миллиарда лет назад. Название придумал независимый физик Фред Хойл в качестве пренебрежительного прозвища, однако впоследствии были получены убедительные свидетельства в пользу происхождения Вселенной в результате Большого взрыва. Эти свидетельства включают обнаружение космического реликтового излучения – остывшего когда-то горячего излучения, которое, согласно современным данным, отделилось от материи примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва.

БЭП. Большой электрон-позитронный коллайдер, предшественник Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе.

Волновая функция. Математическое описание частиц материи, таких как электроны, в качестве «материальных волн» дает уравнения, характерные для волнового движения. Такие волновые уравнения имеют волновую функцию, амплитуда и фаза которой изменяются во времени и пространстве. Волновые функции электрона в атоме водорода образуют характерные трехмерные паттерны вокруг ядра, которые называются орбиталями. Волновая механика – волновое выражение квантовой механики – была впервые объяснена Эрвином Шредингером в 1926 году.

Восьмеричный путь. Схема классификации известных на 1960 год частиц в виде двух октетов, разработанная независимо Марри Гелл-Манном и Ювалем Неэманом. В ее основе лежит глобальная симметрия SU(3) и классификация частиц в соответствии с их электрическим зарядом или общим изоспином по отношению к странности (см. рис. 10, с. 82). В конечном итоге восьмеричный путь получил объяснение в рамках кварковой модели (рис. 12, с. 95).

Гига. Приставка, означающая миллиард. Гигаэлектронвольт (ГэВ) – миллиард электронвольт, 10^9 эВ или 1000 МэВ.

Глубоко неупругое рассеяние. Вид рассеяния частиц при столкновении, в котором большая часть энергии ускоренной частицы (например, электрона) переходит в уничтожение частицы-мишени (например, протона). Ускоренная частица выходит из столкновения с гораздо меньшим количеством энергии, а частица-мишень рассыпается на множество разных адронов.

Глюон. Переносчик сильного цветового взаимодействия между кварками. Квантовая хромодинамика требует восемь безмассовых глюонов цветового взаимодействия, переносящих цветной заряд. Глюоны также принимают участие во взаимодействии, а не просто переносят его от одной частицы к другой. Считается, что энергия, переносимая глюонами, составляет 99 процентов массы протонов и нейтронов.

Гравитация. Сила притяжения между массой-энергией. Гравитация чрезвычайно слаба и не участвует во взаимодействиях между атомами, субатомными и элементарными частицами, которыми управляют цветовое взаимодействие, слабое ядерное и электромагнитное. Гравитация описана в Общей теории относительности.

Гравитон. Гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие, в теории квантовой гравитации. Несмотря на многочисленные попытки разработать такую теорию, до сих пор ни одна не признана успешной. Если гравитон существует, это безмассовый бозон, не имеющий заряда, со спином 2.

Группа симметрии SU(2). Специальная унитарная группа преобразований с двумя комплексными переменными. Янг Чжэньнин и Роберт Миллс установили, что на этой группе симметрии следует основывать квантовую теорию поля для сильного ядерного взаимодействия, и впоследствии она была отождествлена со слабым взаимодействием и после объединения с электромагнитной теорией поля U(1) составляет теорию поля SU(2) × U(1) для электрослабого взаимодействия.

Группа симметрии SU(3). Специальная унитарная группа преобразований с тремя комплексными переменными. Использована Марри Гелл-Манном и Ювалем Неэманом в качестве глобальной группы симметрии, на которой основан восьмеричный путь. Впоследствии использована ГеллМанном, Гаральдом Фрицшем и Генрихом Лейтвилером в качестве локальной группы симметрии, на которой основана квантовая теория поля для сильного ядерного взаимодействия (цветового) между кварками и глюонами.

Группа симметрии U(1). Унитарная группа преобразований с одной комплексной переменной, эквивалентна (научный термин «изоморфна») группе круга. Мультипликативная группа всех комплексных чисел с абсолютным значением единицы (иными словами, это единичная окружность в комплексной плоскости). Она также изоморфна SO(2) специальной ортогональной группе, которая описывает преобразования симметрии при вращении объекта в двух измерениях. В квантовой электродинамике U(1) отождествляется с фазовой симметрией волновой функции электрона (см. рис. 7, с. 49).

Дециллион. Миллион октиллионов, 10^33 или единица с 33 нулями.

Закон сохранения. Физический закон, согласно которому некое поддающееся измерению свойство изолированной системы не меняется при изменениях системы во времени. Такие свойства, для которых сформулированы законы сохранения, включают энергию, импульс и момент импульса, электрический и цветной заряд, изоспин и т. д. Согласно теореме Нетер, каждый закон сохранения можно отследить до какой-либо непрерывной симметрии системы.

Значение вакуумного ожидания. В квантовой теории величины наблюдаемых количеств, например энергии, выражаются в так называемых ожидаемых (или средних) значениях квантовомеханических операторов, которые соответствуют наблюдаемым объектам. Операторы – это математические функции, которые действуют на волновые функции и изменяют их. Ожидаемое значение вакуума – это ожидаемое значение оператора в вакууме. Из-за формы потенциальной кривой энергии поля Хиггса оно имеет ненулевое значение вакуумного ожидания, которое нарушает симметрию электрослабого взаимодействия (см. рис. 13, с. 99).

Изоспин. Изотопический или изобарический спин. Введен Вернером Гейзенбергом в 1932 году для объяснения симметрии между недавно открытым нейтроном и протоном. Изоспиновая симметрия сегодня считается подклассом более общей симметрии ароматов в адронных взаимодействиях. Изоспин частицы можно рассчитать по числу составляющих ее верхних и нижних кварков (см. с. 93).

Инфляция. См. Космическая инфляция.

Истинный кварк. Также топ-кварк или t-кварк. Кварк третьего поколения с зарядом +2/3, спином 1/2 (фермион) и массой 172 ГэВ. Открыт в Фермилабе в 1995 году.

Калибровочная симметрия. Термин, изобретенный немецким математиком Германом Вейлем. Применительно к теории квантовых полей выбирается «калибровка», уравнения которой инвариантны – то есть ее произвольные изменения не влияют на ожидаемые результаты. Калибровочная симметрия связана с законами сохранения (см. Законы сохранения и Теорема Нетер), и таким образом правильный выбор калибровочной симметрии помогает сформулировать теорию поля, в которой соблюдается сохранение изучаемого свойства.

Калибровочная теория. Калибровочная теория основана на калибровочной симметрии (см. Калибровочная симметрия). Общая теория относительности – калибровочная теория, инвариантная произвольным изменениям в координатной системе пространства-времени (калибровке). Квантовая электродинамика (КЭД) – квантовая теория поля, инвариантная фазе волновой функции электрона. В 1950-х работа над квантовыми теориями поля для сильного и слабого ядерного взаимодействий свелась к установлению сохраняемого количества и затем соответствующей калибровочной симметрии.

Каон. Группа мезонов со нулевым спином, состоящих из верхних, нижних и странных кварков и их антикварков. Это K+ (верхний кварк + странный антикварк), K— (странный кварк + верхний антикварк) и K^0 (смесь нижний кварк + странный антикварк и странный кварк + нижний антикварк) с массами 494 МэВ (K±) и 498 МэВ (K^0).

Квант. Фундаментальная, неделимая единица физических свойств, например энергии и момента импульса. В квантовой теории такие свойства считаются не непрерывно изменяющимися, но организованными в дискретные пакеты, которые называются квантами. Также квантами называются частицы. Так, фотон – квант электромагнитного поля. Концепцию можно расширить за пределы частиц – переносчиков взаимодействий и включить в нее материальные частицы. То есть электрон – квант электронного поля и т. д. Иногда это называют второй квантизацией.

Квантовая хромодинамика (КХД). Квантовая теория поля для сильного цветового взаимодействия между кварками, переносимого системой восьми цветных глюонов. Основана на группе симметрии SU(3).

Квантовая электродинамика (КЭД). Квантовая теория поля для электромагнитного взаимодействия между электрически заряженными частицами, переносимого фотонами. Основана на группе симметрии U(1).

Квантовое поле. В классической теории силовое поле имеет значение в каждой точке пространства-времени и может быть скалярным (со значением, но без направления) или векторным (со значением и направлением). «Силовые линии», которые проявляются, если насыпать на лист бумаги железные опилки и подержать его над магнитом, дают наглядное представление о таком поле. В квантовой теории поле взаимодействия переносит «рябь» на полях, образующую волны и – поскольку волны также можно интерпретировать как частицы – квантовые частицы. Концепцию можно расширить за пределы переносчиков взаимодействия (бозонов) и включить в нее материальные частицы (фермионы). Так, электрон – квант электронного поля и т. д.

Квантовое число. Описание физического состояния квантовой системы требует конкретизации его свойств в отношении энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда и т. п. Вследствие квантизации таких свойств в описании появляются постоянные величины соответствующих квантов. Например, момент импульса, связанный со спином электрона, имеет постоянную величину 1/2 h/2π, где h – постоянная Планка. Повторяющиеся целые и полуцелые числа, на которые умножаются величины квантов, называются квантовыми числами. В магнитном поле спин электрона может быть ориентирован по силовым линиям поля или в противоположном направлении, то есть электрон может иметь ориентацию спин вверх и спин вниз с квантовыми числами +1/2 и —1/2. Среди других квантовых чисел – главное квантовое число n, обозначающее энергетический уровень и характеризующее энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень.

Кварк. Элементарная составляющая адронов. Все адроны состоят из триплетов кварков со спинами 1/2 (барионы) или комбинаций кварков и антикварков (мезоны). Кварки образуют три поколения с разными ароматами. Верхний и нижний кварки с электрическими зарядами +2/3 и —1/3 и массами 1,7–3,3 МэВ и 4,1–5,8 МэВ соответственно относятся к первому поколению. Из верхних и нижних кварков состоят протоны и нейтроны. Ко второму поколению относятся очарованный и странный кварки с зарядами +2/3 и —1/3 и массами 1,27 ГэВ и 101 МэВ соответственно. Третье поколение включает прелестный и истинный кварки с электрическими зарядами +2/3 и —1/3 и массами 4,19 и 172 ГэВ соответственно. Кварки также переносят цветной заряд, и кварки каждого аромата обладают красным, зеленым или синим зарядом.

Квинтиллион. Миллион триллионов, 10^18 или 1 000 000 000 000 000 000.

Комплексное число. Комплексное число образовано умножением реального числа на квадратный корень из –1, который записывается в виде i. Квадрат комплексного числа, таким образом, является отрицательным числом, например, квадрат 5i равен –25. Комплексные числа широко применяются в математике для решения проблем, которые невозможно решить с помощью обычных чисел.

Корпускулярно-волновой дуализм. Фундаментальное свойство всех квантовых частиц, которое проявляется одновременно в делокализованном волновом поведении (например, дифракции и интерференции) и локализованном поведении частицы в зависимости от аппарата, которым производится измерение. Впервые предложен Луи де Бройлем в 1923 году как свойство частиц материи, таких как электроны.

Космическая инфляция. Быстрое экспоненциальное расширение Вселенной, которое, по современным данным, произошло между 10–3 и 10–32 секундами после Большого взрыва. Открытая в контексте теорий великого объединения американским физиком Аланом Гутом в 1980 году, инфляция позволяет объяснить крупномасштабную структуру Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня.

Космические лучи. Потоки высокоэнергетических заряженных частиц из космоса, которые непрерывно изливаются в верхние слои атмосферы Земли. Термин «лучи» появился в первые годы исследования радиоактивности, когда направленные потоки заряженных частиц назывались лучами. У космических лучей разные источники, в том числе высокоэнергетические процессы, происходящие на поверхности Солнца и других звезд, а также неизвестные процессы в других областях Вселенной. Энергия космических частиц обычно находится в диапазоне между 10 МэВ и 10 ГэВ.

Космологическая постоянная. В 1922 году российский теоретик Александр Фридман нашел решения уравнений гравитационных полей Эйнштейна, описывающих Вселенную, в которой происходит расширение пространствавремени. Сначала Эйнштейн не принимал мысли, что пространство-время может расширяться или сжиматься, и ввел космологическую постоянную в свои уравнения, чтобы они допускали однородное статическое решение. Эйнштейна беспокоило, что под действием гравитации Вселенная должна коллапсировать, и он прибег к космологической постоянной – своего рода отрицательной или отталкивающей форме гравитации, – чтобы нейтрализовать этот эффект. Когда появились данные о том, что Вселенная в самом деле расширяется, Эйнштейн пожалел о сделанном и называл это своей самой большой ошибкой в жизни. Однако дальнейшие открытия 1998 года позволили предположить, что расширение Вселенной фактически ускоряется. В сочетании с измеренным спутниками фоновым излучением эти результаты привели к предположению, что Вселенную пронизывает темная энергия, на которую приходится около 73 процентов массы-энергии Вселенной. Одна из форм темной энергии требует повторного введения космологической постоянной Эйнштейна.

Куперовская пара. При охлаждении ниже критической температуры электроны в сверхпроводнике испытывают слабое взаимное притяжение. Электроны с противоположными спинами и импульсами образуют куперовские пары, которые совместно движутся по металлической решетке, и вибрация решетки способствует их движению. Такие пары электронов имеют спин 0 или 1 и потому являются бозонами. Вследствие этого количество пар, которые могут занимать одно квантовое состояние, не ограничено, и при низких температурах они могут «сгущаться», приобретая макроскопические размеры. Куперовские пары в таком состоянии не испытывают сопротивления, проходя по решетке, так возникает явление сверхпроводимости.

Лептон. От греческого leptos, маленький. Лептоны образуют класс частиц, которые не подвержены сильному ядерному взаимодействию. Их сочетания с кварками образуют материю. Как и кварки, лептоны относятся к трем поколениям и включают в себя электрон, мюон и тау с электрическим зарядом –1, спином 1/2 и массами 0,51 МэВ, 106 МэВ и 1,78 ГэВ и соответствующие нейтрино. Электронное, мюонное и тау-нейтрино не переносят электрический заряд, имеют спин 1/2 и обладают очень малой массой (необходимой, чтобы объяснить феномен нейтринной осцилляции, квантовомеханического смешения ароматов нейтрино, то есть со временем ароматы могут изменяться).

Лэмбовский сдвиг. Небольшая разница между энергией двух электронов атома водорода, открытая Уиллисом Лэмбом и Робертом Резерфордом в 1947 году. Лэмбовский сдвиг подтолкнул физиков к решению проблемы перенормировки и в конечном итоге созданию квантовой электродинамики.

Лямбда-CDM, ΛCDM. Аббревиатура CDM означает «холодная темная материя». Также известна как Стандартная модель космологии Большого взрыва. Модель ΛCDM объясняет крупномасштабную структуру Вселенной, реликтовое микроволновое излучение, ускоряющееся расширение Вселенной и распространение таких элементов, как водород, гелий, литий и кислород. Согласно модели ΛCDM, 73 процента массы-энергии Вселенной приходится на долю темной энергии (которая отражается в размере космологической постоянной Λ), 22 процента – холодной темной материи, и таким образом на долю видимой Вселенной – галактик, звезд и известных планет – остается всего 5 процентов.

Мега. Приставка, означающая миллион. Мегаэлектронвольт (МэВ) – это миллион электронвольт, 10^6 эВ или 1 000 000 эВ.

Мезон. От греческого mesos, средний. Мезоны – подкласс адронов. Они испытывают сильное ядерное взаимодействие и состоят из кварков и антикварков.

Механизм Хиггса. Назван в честь британского физика Питера Хиггса, но также часто называется по именам других физиков, независимо открывших механизм в 1964 году. Вариант названия: механизм Браута – Энглера – Хиггса– Хейгена – Гуральника – Киббла, в честь физиков Роберта Браута, Франсуа Энглера, Питера Хиггса, Карла Хейгена, Джеральда Гуральника и Тома Киббла. Механизм описывает, каким образом фоновое поле – называемое полем Хиггса – нарушает симметрию в квантовой теории поля. В 1967–1968 годах Стивен Вайнберг и Абдус Салам независимо друг от друга использовали этот механизм в работе над теорией поля для электрослабого взаимодействия.

Миллиард. Тысяча миллионов, 10^9 или 1 000 000 000.

МИТ. Массачусетский институт технологий.

Молекула. Фундаментальная единица химического вещества, образованная из двух или более атомов. Молекула кислорода O2 состоит из двух атомов кислорода. Молекула воды H2O состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Моль. Стандартная единица измерения количества вещества, равная его атомному или молекулярному весу в граммах. Моль содержит 6,022 × 10^23 частиц. Название происходит от слова «молекула».

МССМ. Минимальная суперсимметричная Стандартная модель – минимальное расширение обычной Стандартной модели физики элементарных частиц, которое учитывает суперсимметрию. Разработана в 1981 году Ховардом Джорджи и Саввасом Димопулосом.

Мюон. Лептон второго поколения, эквивалентный электрону, с зарядом –1, спином 1/2 (фермион) и массой 106 МэВ. Впервые открыт в 1936 году Карлом Андерсоном и Сетом Неддермейером.

Нарушение симметрии. Спонтанное нарушение симметрии происходит каждый раз, когда самое низкоэнергетическое состояние физической системы имеет более низкую симметрию, чем высокоэнергетические состояния. Когда система теряет энергию и находится в самом низкоэнергетическом состоянии, симметрия спонтанно уменьшается, то есть нарушается. Например, карандаш, идеально сбалансированный и установленный на острие, симметричен, однако он падает и ложится в некоем определенном направлении в менее симмтеричном, но более стабильном, низкоэнергетическом состоянии.

Нейтральные токи (слабое взаимодействие). Взаимодействие между элементарными частицами, при котором не происходит изменение электрического заряда. Это может быть обмен виртуальными Z^0-частицами или одновременный обмен частицами W+ и W— (см. рис. 15 и 16, с. 111 и 135).

Нейтрино. От итальянского «нейтрончик». Нейтрино не заряжены, имеют спин 1/2 (фермион), это спутники отрицательно заряженных электронов, мюонов и тау-частиц. Считается, что нейтрино обладают очень малой массой, что необходимо для объяснения феномена нейтринной осцилляции, то есть квантовомеханического смещения ароматов нейтрино, таким образом, что аромат может со временем измениться. Нейтринная осцилляция решает проблему солнечных нейтрино – количество нейтрино, которые в соответствии с измерениями проходят сквозь Землю, не соответствует количеству электронных нейтрино, ожидаемому в результате происходящих в ядре Солнца реакций. В 2001 году было показано, что лишь 35 процентов солнечных нейтрино являются электронными нейтрино, а оставшаяся часть приходится на мюонные и тау-нейтрино. Это свидетельствует о том, что ароматы нейтрино меняются по мере их движения от Солнца к Земле.

Нейтрон. Электрически нейтральная субатомная частица, открытая в 1932 году Джеймсом Чедвиком. Нейтрон – это барион, состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков со спином 1/2 и массой 940 МэВ.

Общая теория относительности, ОТО. Разработанная Эйнштейном в 1915 году, общая теория относительности включает в себя специальную теорию относительности и ньютоновский закон всемирного тяготения в геометрической теории гравитации. Эйнштейн заменил «действие на расстоянии» из теории всемирного тяготения Ньютона движением массивных тел в искривленном пространствевремени. В ОТО материя говорит пространству-времени, как искривляться, а искривленное пространство-время говорит материи, как двигаться.

Октиллион. Миллиард квинтиллионов, 10^27 или единица с 27 нулями.

Очарованный кварк. с-кварк, кварк второго поколения с зарядом +2/3, спином 1/2 (фермион) и массой 1,27 ГэВ. Открыт одновременно в Брукхейвенской национальной лаборатории и Стэнфордском центре ускорителей во время «ноябрьской революции» 1974 года при наблюдении за J/ψ-мезоном, состоящим из с-кварка и с-антикварка.

Партон. Слово, придуманное Ричардом Фейнманом в 1968 году для описания точечных частиц, составляющих протоны и нейтроны. Партоны впоследствии оказались кварками и глюонами.

Перенормировка. Одно из следствий введения частиц в качестве квантов поля состоит в том, что частицы могут испытывать самодействие, то есть взаимодействовать со своими собственными полями. Это значит, что такие методы, как теория возмущения, используемые для решения управлений поля, не подходят, когда в качестве бесконечных поправок появляются самодействующие члены. Математический метод перенормировки создан для устранения таких самодействующих членов за счет переопределения параметров (например, массы и заряда) самих частиц поля.

Пион. Группа мезонов со спином 0, образованных верхним и нижним кварками и их антикварками. Это π+ (верхний кварк + нижний антикварк), π— (нижний кварк + верхний антикварк) и π^0 (смесь верхний кварк + верхний антикварк и нижний кварк + нижний антикварк), с массами 140 МэВ (π±) и 135 МэВ (π^0).

Позитрон. Античастица электрона, обозначается e+, с зарядом +1, спином 1/2 (фермион) и массой 0,51 МэВ. Первая обнаруженная античастица, открыта Карлом Андерсоном в 1932 году.

Поле Хиггса. Названо в честь британского физика Питера Хиггса. Этим общим термином называется любое фоновое поле, внесенное в квантовую теорию поля для нарушения симметрии посредством механизма Хиггса. Существование поля Хиггса, нарушающего симметрию в квантовой теории поля для электрослабого взаимодействия, убедительно подкрепляется открытием новой частицы в ЦЕРНе.

Постоянная Планка. Обозначается буквой h. Открыта Максом Планком в 1900 году. Постоянная Планка – фундаментальная физическая константа, отражающая величину квантов в квантовой теории. Например, энергия фотонов определяется их частотой излучения, согласно уравнению E = hv, то есть энергия равна произведению постоянной Планка на частоту излучения. Постоянная Планка имеет значение 6,626 × 10–34 Дж·c.

Прелестный кварк. Также бьюти-кварк, боттом-кварк или b-кварк. Кварк третьего поколения с зарядом —1/3, спином 1/2 (фермион) и массой 4,19 ГэВ. Открыт в Фермилабе в 1977 году при наблюдении за ипсилон-мезоном, состоящим из b-кварка и b-антикварка.

Принцип неопределенности. Открыт Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Принцип неопределенности утверждает, что есть некий окончательный предел точности, с которой можно измерить пары «сопряженных» наблю даемых объектов, таких как положение и момент, энергия и время. В основе принципа фундаментальный корпускулярно-волновой дуализм поведения квантовых объектов.

Принцип Паули, принцип запрета. Открыт Вольфгангом Паули в 1925 году. Утверждает, что два фермиона не могут занимать одно квантовое состояние (то есть обладать таким же набором квантовых чисел) одновременно. Для электронов это означает, что лишь два электрона могут находиться на одной атомной орбитали, при условии что они обладают противоположными спинами.

Протон. Положительно заряженная субатомная частица, открытая и названная Эрнестом Резерфордом в 1919 году. Резерфорд установил, что ядро атома водорода (которое представляет собой единственный протон) – фундаментальная составная часть ядер других атомов. Протон – это барион, состоящий из двух верхних и одного нижнего кварка со спином 1/2 и массой 938 МэВ.

Реликтовое излучение, также фоновое микроволновое излучение. Примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная достаточно расширилась и охладилась, чтобы произошла рекомбинация ядер водорода (протонов) и ядер гелия (состоящих из двух протонов и двух нейтронов) с электронами и, следовательно, образование нейтральных атомов водорода и гелия. В тот момент Вселенная стала «прозрачной» для остаточного горячего излучения. При дальнейшем расширении это горячее излучение охладилось до микроволнового диапазона с температурой всего 2,7 K (–270,5 °C), на несколько градусов выше абсолютного нуля. Это реликтовое излучение было предсказано несколькими теоретиками и случайно открыто Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1964 году. В дальнейшем оно было подробно исследовано с помощью спутников COBE и WMAP.

Сверхпроводимость. Открыта Хейке Камерлинг-Оннесом в 1911 году. При охлаждении ниже определенной критической температуры некоторые кристаллические материалы теряют электрическое сопротивление и становятся сверхпроводниками. Электрический ток беспрерывно течет по сверхпроводящему проводу без дополнительной энергии. Сверхпроводимость – квантовомеханический феномен, объясняемый при помощи механизма БКШ, названного так в честь Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера.

Светимость. Светимость пучка частиц в ускорителе – это количество частиц на единицу площади на единицу времени, умноженное на непрозрачность второго пучка (показатель непроницаемости мишени для частиц). Особенно интересна интегрированная светимость, сумма светимости за период времени, обычно выражается в единицах на квадратный сантиметр (см–2) или обратных барнах (10^24 см–2). Количество столкновений, приводящих к конкретной реакции, представляет собой интегрированную светимость, умноженную на поперечное сечение (в см^2) реакции, что является показателем ее вероятности.

Сильное взаимодействие. Сильное ядерное взаимодействие, или цветовое взаимодействие, связывает кварки и глюоны внутри адронов и описывается квантовой хромодинамикой. Взаимодействие, связывающее протоны и нейтроны внутри атомного ядра (также называемое сильным ядерным взаимодействием), считается «пережитком» цветового взаимодействия, связывающего кварки внутри нуклонов. См. Цветовое взаимодействие.

Синхротрон. Тип ускорителя частиц, в котором электрическое поле используется для разгона частиц, а магнитное для направления их по кольцу, при этом они тщательно синхронизируются с пучком частиц.

Слабое ядерное взаимодействие. Данный тип взаимодействия называется слабым потому, что оно существенно слабее сильного и электромагнитного взаимодействий. Слабое взаимодействие влияет на кварки и лептоны и может менять аромат кварков и лептонов, например превратить верхний кварк в нижний и электрон в электронное нейтрино. Впервые было установлено, что слабое взаимодействие является фундаментальным, на основании исследований бета-радиоактивного распада. Переносчики слабого взаимодействия – частицы W и Z. Слабое взаимодействие объединено с электромагнитным в квантовой теории поля SU(2) × U(1) для электрослабого взаимодействия Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом в 1967–1968 годах.

Слабый нейтральный ток. Слабое взаимодействие с обменом виртуальным Z^0-бозоном или сочетанием виртуальных W+ и W— частиц (см. рис. 15 и 16, с. 111 и 135).

Специальная теория относительности. Разработанная Эйнштейном в 1905 году, специальная теория относительности утверждает, что все движение относительно и не существует единой или главной системы отсчета, относительно которой можно измерить движение. Все инерциальные системы отсчета эквивалентны – наблюдатель, неподвижно находящийся на Земле, получит такие же результаты таких же физических измерений, как и наблюдатель, движущийся с равномерной скоростью в космическом корабле. Теория положила конец классическим понятиям абсолютного пространства и времени, абсолютного покоя и одновременности. Формулируя теорию, Эйнштейн исходил из того, что ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. Теория называется специальной в том смысле, что она не объясняет движения с ускорением; движение с ускорением учитывается в Общей теории относительности.

Спин. Свойство всех элементарных частиц, вид момента импульса. Хотя сначала спин электрона понимался как его «самовращение» (вращение электрона вокруг своей оси, вроде волчка), спин представляет собой релятивистский феномен и не имеет аналога в классической физике. Частицы характеризуются спиновыми квантовыми числами. Частицы с полуцелым спином называются фермионами. Частицы с целым спином называются бозонами. Частицы материи – фермионы. Частицы взаимодействий – бозоны.

ССК. Сокращение от сверхпроводящий суперколлайдер, проект строительства крупнейшего в мире ускорителя частиц в Ваксахачи, округ Эллис, Техас. Предполагалось, что ССК сможет достигнуть энергии протон-протонных столкновений 40 ТэВ. Проект закрыт конгрессом США в октябре 1993 года.

Стандартная модель в космологии. См. Лямбда-CDM.

Стандартная модель в физике элементарных частиц. Принятая в современной физике теоретическая модель, описывающая частицы материи и их взаимодействия между собой, за исключением гравитации. Стандартная модель состоит из квантовых теорий поля с локальными симметриями SU(3) (цветовое взаимодействие) и SU(2) × U(1) (слабое ядерное и электромагнитное взаимодействие). В Стандартную модель входят три поколения кварков и лептонов, фотон, W– и Z-частицы, глюоны – переносчики цветового взаимодействия и бозон Хиггса.

Степень свободы. Количество измерений, доступных для системы или в которых система свободно движется. Классическая частица может свободно двигаться в трех пространственных измерениях. Однако фотоны, будучи безмассовыми частицами со спином 1, ограничены лишь двумя измерениями, которые проявляются в виде левой и правой круговой поляризации или вертикальной и горизонтальной поляризации. В механизме Хиггса безмассовые бозоны получают третью степень свободы, поглощая бозон Намбу – Голдстоуна (см. рис. 14, с. 100).

Странность. Характерное свойство таких частиц, как нейтральные лямбда-частицы, нейтральные и заряженные сигма– и кси-частицы и каоны. Марри Гелл-Манн и Юваль Неэман использовали странность наряду с электрическим зарядом и изоспином для классификации частиц согласно восьмеричному пути (см. рис. 10, с. 82). Позднее это свойство было объяснено присутствием в этих частицах странного кварка (см. рис. 12, с. 95).

Странный кварк. Кварк второго поколения с зарядом —1/3, спином 1/2 (фермион) и массой 101 МэВ. Странность как характеристика относительно низкоэнергетических (низкомассовых) частиц была открыта в 1940 и 1950 годах Марри Гелл-Манном и независимо Кадзухико Нисидзимой и Тадао Накано. Позднее Гелл-Манн и Джордж Цвейг объяснили странность частиц присутствием в них странного кварка (см. рис. 12, с. 95).

Суперсимметрия. Альтернатива Стандартной модели физики элементарных частиц, в которой асимметрия между частицами материи (фермионами) и силы (бозонами) объясняется на основании нарушенной суперсимметрии. При высоких энергиях (например, таких, какие преобладали на самых ранних этапах после Большого взрыва) суперсимметрия не нарушена, то есть существует идеальная симметрия между фермионами и бозонами. Кроме асимметрии между фермионами и бозонами, нарушенная суперсимметрия предсказывает класс массивных суперпартнеров со спинами, отличающимися на 1/2. Суперсимметричные партнеры фермионов называются сфермионами. Партнер электрона называется сэлектроном; каждый кварк имеет партнера в виде соответствующего скварка. У каждого бозона есть бозино. Суперсимметричные партнеры фотона, W– и Z– частиц и глюонов – это фотино, вино, зино и глюино. Суперсимметрия решает многие проблемы Стандартной модели, но данные в пользу существования суперпартнеров еще не найдены.

Темная материя. Открытая в 1934 году швейцарским астрономом Фрицем Цвикки как аномалия при измерении масс галактик в скоплении Волос Вероники (в созвездии Волосы Вероники). Он сравнил массы, полученные на основе наблюдаемых движений галактик у края скопления, и массы на основе количества наблюдаемых галактик и общей яркости скопления. Результаты отличались в 400 раз. Казалось, целых 90 процентов массы, необходимой, чтобы объяснить гравитационные эффекты, отсутствовали или не поддавались наблюдению. Эта отсутствующая масса получила название темной материи. Дальнейшие исследования свидетельствуют в пользу формы темной материи, которую называют холодной темной материей. См. Холодная темная материя.

Теорема Нетер. Разработанная Амалией Эмми Нетер в 1918 году, теорема соединяет законы сохранения с непрерывными симметриями физических систем и описывающих их теорий, что используется как инструмент при разработке новых теорий. Сохранение энергии отражает тот факт, что управляющие энергией законы инвариантны изменениям или так называемым трансляциям во времени. Что касается импульса, то законы инвариантны трансляциям в пространстве. Что касается момента импульса, то законы инвариантны углу направления, измеренного от центра вращения.

Теория великого объединения. Любая теория, которая старается объединить электромагнитное, сильное и слабое ядерное взаимодействия в единой структуре, является примером теории великого объединения. Первую теорию такого типа разработали Шелдон Глэшоу и Ховард Джорджи в 1974 году. ТВО не учитывают гравитацию; теории, которые учитывают гравитацию, обычно называются теориями всего.

Теория возмущения. Математический метод нахождения приблизительных решений для уравнений, которые нельзя решить точно. Уравнение преобразуется в виде разложения возмущения – суммы потенциально бесконечного ряда членов, которые начинаются с выражения нулевого порядка, имеющего точное решение. К нему прибавляются дополнительные члены (возмущения), представляющие поправки первого порядка, второго порядка, третьего порядка и т. д. В принципе каждый член разложения представляет собой все меньшую и меньшую поправку к результату нулевого порядка, что постепенно подводит ответ все ближе к фактическому результату. Точность окончательного результата зависит от количества возмущающих членов, участвующих в расчете. Хотя структурно это совсем другой пример, тем не менее можно представить себе, как действует разложение возмущения, если посмотреть на разложение степенного ряда простой тригонометрической функции, например sin x. Первые несколько членов разложения таковы: sin x = x – x^3/3! + x^5/5! – x^7/7! + … Для x = 45° (0,785398 радиана) первый член дает 0,785398, из чего мы вычитаем 0,080745, потом прибавляем 0,002490, потом вычитаем 0,000037. Каждый последующий член дает небольшую поправку, и всего через четыре члена мы получаем результат 0,707106, сравнимый с sin (45°) = 0,707107.

Теория Янга – Миллса. Квантовая теория поля, основанная на калибровочной инвариантности, разработана в 1954 году Янгом Чжэньнином и Робертом Миллсом. Теория Янга – Миллса включает все компоненты современной Стандартной модели физики элементарных частиц.

Тера. Приставка, означающая триллион. Тераэлектронвольт (ТэВ) – триллион электронвольт, 10^12 эВ или 1000 ГэВ.

Триллион. Тысяча миллиардов или миллион миллионов, 10^12 или 1 000 000 000 000.

Фермион. Назван в честь итальянского физика Энрико Ферми. У фермионов полуцелые спины (1/2, 3/2 и т. д.), к ним относятся кварки, лептоны и многие составные частицы, образованные разными комбинациями кварков, например барионы.

Фотон. Элементарная частица, участвующая во всех видах электромагнитного излучения, включая видимый свет. Безмассовый бозон со спином 1, переносчик электромагнитного взаимодействия.

Холодная темная материя (Cold Dark Matter, CDM). Ключевой компонент Современной модели космологии Большого взрыва, называемой ΛCDM. По современным данным, на долю темной материи приходится около 22 процентов массы-энергии Вселенной. Состав темной материи неизвестен, но считается, что она в основном состоит из небарионной материи, то есть материи, образованной не протонами и нейтронами, а, скорее всего, частицами, пока еще неизвестными Стандартной модели. Среди кандидатов также слабовзаимодействующие массивные частицы, «вимпы» (WIMPs). Они обладают многими свойствами нейтрино, однако они должны быть гораздо более массивными и потому двигаться гораздо медленнее. Суперсимметричные расширения Стандартной модели предполагают, что такими частицами могут быть нейтралино.

Цветной заряд. Свойство кварков, помимо аромата (верхний, нижний, странный и т. д.). В отличие от электрического заряда, который бывает двух видов – положительный и отрицательный, у цветного заряда три вида: красный, зеленый, синий. Разумеется, эти названия не означают, что кварки в самом деле имеют цвет в привычном смысле слова. Цветовое взаимодействие между кварками переносят цветные глюоны.

Цветовое взаимодействие. Сильное взаимодействие, которое удерживает кварки и глюоны внутри адронов. В отличие от более привычных взаимодействий, таких как гравитационное и электромагнитное, цветовому взаимодействию свойственна асимптотическая свобода – на асимптотическом пределе нулевого разделения кварки ведут себя так, будто они совершенно свободны. Сильное ядерное взаимодействие, которое связывает протоны и нейтроны в ядре атома, считается «остатком» цветового взаимодействия, связывающего кварки внутри нуклонов.

ЦЕРН. Сокращение от Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Европейский совет по ядерным исследованиям), основан в 1954 году. После роспуска временного совета и учреждения организации она получила название Европейская организация по ядерным исследованиям, однако сокращение решили оставить. ЦЕРН находится на северо-западной окраине Женевы недалеко от швейцарско-французской границы.

Электрический заряд. Свойство, которым обладают кварки и лептоны (и более привычные протоны и электроны). Электрический заряд бывает двух видов – положительный и отрицательный, а отрицательно заряженный ток лежит в основе электроэнергетической промышленности.

Электромагнитное взаимодействие. Благодаря трудам нескольких физиков-экспериментаторов и теоретиков, главным образом английского физика Майкла Фарадея и шотландского теоретика Джеймса Кларка Максвелла, электричество и магнетизм считаются компонентами единого фундаментального взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие связывает электроны с ядром внутри атома, а также сами атомы, образующие огромное разнообразие молекул и веществ.

Электрон. Открыт в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном. Электрон – лептон первого поколения с зарядом –1, спином 1/2 (фермион) и массой 0,51 МэВ.

Электронвольт (эВ). Электронвольт – количество энергии, приобретаемое одним отрицательно заряженным электроном при ускорении в одновольтном электрическом поле. 100-ваттная электрическая лампа сжигает энергию со скоростью 600 миллиардов миллиардов электронвольт в секунду.

Электрослабое взаимодействие. Несмотря на большую разницу в масштабе между электромагнитным и слабым ядерным взаимодействием, когда-то они составляли единое электрослабое взаимодействие, которое, как считается, существовало в электрослабую эпоху в период с 10–3 по 10–12 секунд после Большого взрыва. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в теории поля SU(2) × U(1) впервые осуществил Стивен Вайнберг и независимо Абдус Салам в 1967–1968 годах.

Элемент. Философы Древней Греции считали, что вся материальная субстанция состоит из четырех элементов – земля, воздух, огонь и вода. Аристотель ввел пятый элемент, называемый эфиром или квинтэссенцией, чтобы описать неизменные небеса. На сегодняшний день античная концепция элементов сменилась системой химических элементов. Химические элементы имеют фундаментальный характер в том отношении, что не могут быть преобразованы друг в друга химическими способами, иными словами, они состоят только из одного вида атомов. Элементы организованы в периодическую таблицу от водорода до урана и дальше.

Ядро. Плотная область в центре атома, в которой сконцентрирована большая часть массы атома. Атомные ядра состоят из различного числа протонов и нейтронов. Ядро атома водорода состоит из одного протона.

Библиография

Baggott J. Beyond Measure: Modern Physics, Philosophy and the Meaning of Quantum Theory. Oxford University Press, 2003.

Baggott J. The Quantum Story: A History in 40 Moments. Oxford University Press, 2011.

Cashmore R. Maiani, Luciano, and Revol, Jean-Pierre (eds.). Prestigious Discoveries at CERN. Berlin: Springer, 2004.

Crease R.P., Mann Ch.C. The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics. Rutgers University Press, 1986.

Dodd J.E. The Ideas of Particle Physics. Cambridge University Press, 1984.

Enz Ch.P. No Time to be Brief: a Scientific Biography of Wolfgang Pauli. Oxford University Press, 2002.

Evans L. (ed.). The Large Madron Collider: A Marvel of Technology. CRC Press London, 2009.

Farmelo G. (ed.). It Must be Beautiful: Great Equations of Modern Science. London: Granta Books, 2002.

Feynman R.P. QED: The Strange Theory of Light and Matter. London: Penguin, 1985.

Gell-Mann M. The Quark and the Jaguar. London: Little, Brown & Co., 1994.

Gleick J. Genius: Richard Feynman and Modern Physics. London: Little, Brown & Co., 1992.

Greene B. The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions and the Quest for the Ultimate Theory. London: Vintage Books, 2000.

Greene B. The Fabric of the Cosmos: Space, Time and the Texture of Reality. London: Allen Lane, 2004.

Gribbin J. Q is for Quantum: Particle Physics from A to Z. London: Weidenfeld & Nicholson, 1998.

Guth A.H. The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins. London: Vintage, 1998.

Halpern P. Collider: The Search for the World’s Smallest Particles. New Jersey: John Wiley, 2009.

Hoddeson L., Brown L., Riordan M., Dresden M. The Rise of the Standard Model: Particle Physics in the 1960s and 1970s. Cambridge University Press, 1997.

Johnson G. Strange Beauty: Murray Gell-Mann and the Revolution in Twentieth-Century Physics. London: Vintage, 2001.

Kane G. Supersymmetry: Unveiling the Ultimate Laws of the Universe. Cambridge, MA: Perseus Books, 2000.

Kragh H. Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton University Press, 1999.

Lederman L. (with Dick Teresi). The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question? London: Bantam Press, 1993.

Mehra J. The Beat of a Different Drum: The Life and Science of Richard Feynman. Oxford University Press, 1994.

Nambu Y. Quarks. Singapore: World Scientific, 1981.

Pais A. Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press, 1982.

Pais A. Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World. Oxford University Press, 1986.

Pickering A. Constructing Quarks: A Sociological History of Particle Physics, University of Chicago Press, 1984.

Riordan M. The Hunting of the Quark: A True Story of Modern Physics. New York: Simon & Shuster, 1987.

Sambursky S. The Physical World of the Greeks, 2nd Ed. London: Routledge & Kegan Paul, 1963.

Sample I. Massive: The Hunt for the God Particle. London: Virgin Books, 2010.

Schweber S.S. QED and the Men Who Made It: Dyson, Feynman, Schwinger, Tomonaga. Princeton University Press, 1994.

Stachel J. (ed.). Einstein’s Miraculous Year: Five Papers that Changed the Face of Physics. Princeton University Press, 2005.

’t Hooft G. In Search of the Ultimate Building Blocks. Cambridge University Press, 1997.

Veltman M. Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics. London: World Scientific, 2003.

Weinberg S. Dreams of a Final Theory: The Search for the Fundamental Laws of Nature. London: Vintage, 1993.

Weyl H. Symmetry. Princeton University Press, 1952.

Wilczek F. The Lightness of Being: Big Questions, Real Answers. London: Allen Lane, 2009.

Woit P. Not Even Wrong. London: Vintage Books, 2007.

Zee A. Fearful Symmetry: The Search for Beauty in Modern Physics. Princeton University Press, 2007 (first published 1986).

Примечания

1

Фермилаб – сокращенное название Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми, США. (Примеч. пер.)

2

Для краткости я буду называть их работами 1964 года. (Примеч. Стивена Вайнберга.)

3

См. Платон, Тимей и Критий. По Платону, воздух, огонь и вода состоят из одного вида треугольников, а земля из другого. Поэтому, как утверждал Платон, землю невозможно преобразить в другие элементы.

4

Существуют элементы тяжелее урана, но они не встречаются в природе. Они нестабильны, поэтому их приходится искусственно производить в лаборатории или ядерном реакторе. Самый известный пример – это, пожалуй, плутоний.

5

Плотность чистого льда при 0 °C равна 0,9167 грамма на кубический сантиметр. Объем кубика около 19,7 кубического сантиметра, таким образом, его масса чуть больше 18 граммов.

6

Конечно, нельзя путать вес и массу. Кубик льда весит 18 граммов на Земле, гораздо меньше на Луне и вообще ничего на околоземной орбите. Однако его масса не меняется. Условно мы считаем массу равной его весу на Земле.

7

На самом деле формула E = mc^2 не встречается в таком виде в статье Эйнштейна.

8

Это не является дешевым способом трансформировать неблагородные металлы в золото, так что мировым запасам золота ничто не угрожает.

9

Я катался на таком аттракционе, когда в начале 1980-х работал старшим научным сотрудником в Калифорнии. По-моему, он назывался «Прилив».

10

Приват-доцент – лицо, получившее право читать лекции в университете и готовящееся к званию профессора, примерно соответствует доценту в современной России. (Примеч. пер.)

11

Dick A. Emmy Noether 1882–1935. Boston: Birkhäuser, 1981. P. 32.

12

Есть данные, которые позволяют предположить, что женское тело становится более симметричным за 24 часа до овуляции. См.: Bates B., Cleese J. The Human Face. London: BBC Books, 2001. P. 149.

13

Здесь нужно объяснить, что имеется в виду под «полями». Поле, связанное с силой, например, притяжения или электромагнетизма, имеет величину и направление в каждой точке пространства, которое окружает генерирующий поле объект. Поле можно обнаружить, поместив в него еще один объект, восприимчивый к его воздействию. Возьмите любой предмет (лучше что-нибудь покрепче) и уроните его. Реакция предмета зависит от величины и направления гравитационного поля в точке, где вы отпускаете его из рук. На предмет действует сила, и он падает на землю.

14

Письмо Альберта Эйнштейна Герману Вейлю, 8 апреля 1918. Цит. по: Pais. Subtle is the Lord. P. 341.

15

Оно «мнимое» только в том смысле, что невозможно извлечь квадратный корень из –1. При возведении в квадрат любое положительное или отрицательное число всегда дает положительный результат. Но даже если квадратного корня из –1 не существует, это не мешает математикам его использовать. Таким образом, квадратный корень любого отрицательного числа можно выразить при помощи i. Например, квадратный корень из –25 – это 5i, и такое число называется комплексным или мнимым.

16

Эйнштейн в 1905 году назвал их квантами света. Сегодня мы называем их фотонами.

17

Известный пример фазовой волны – так называемая «мексиканская» волна, которую «делают» на стадионах. Волна создается движениями отдельных зрителей, которые поочередно встают с поднятыми руками (высшая точка) и снова садятся на свои места (низшая точка). Фазовая волна – результат координированных движений зрителей, и она может пробежать по стадиону гораздо быстрее, чем ее отдельные участники.

18

Broglie L. de. Recherches sur la Théorie des Quanta // PhD Thesis. Faculty of Science, Paris University, 1924. P. 10.

19

Эта связь записывается в виде λ = h/p, где λ – длина волны (обратная частоте), h – постоянная Планка, а p – импульс. Это значит, что p = hc/ν, где c – скорость света, а ν – частота.

20

New York Times от. May 5. 1935.

21

Лос-Аламосская национальная лаборатория – одна из двух лабораторий США, занимающихся секретными разработками ядерного оружия. (Примеч. пер.)

22

Интервью Джулиана Швингера Роберту Кризу и Чарльзу Манну, 4 марта 1983. Цит. по: Crease and Mann. P. 127.

23

Не уверены? Попробуйте вот что. Очевидно, что сумма бесконечного ряда целых чисел 1 + 2 + 3 + 4 + … бесконечна. Но так же бесконечна и сумма бесконечного ряда четных целых чисел 2 + 4 + 6 + 8 + … Итак, вычтем бесконечность из бесконечности, то есть ряд четных чисел из ряда целых чисел. У нас останется бесконечный ряд нечетных чисел 1 + 3 + 5 + 7 + …, который также дает в сумме бесконечность, но это тем не менее абсолютно «осмысленный» результат. Пример взят из Gribbin. P. 417.

24

Интервью Ричарда Фейнмана Роберту Кризу и Чарльзу Манну, 22 февраля 1985. Цит. по: Crease and Mann. P. 139.

25

Письмо Фримена Дайсона родителям, 18 сентября 1948. Цит. по: Schweber. P. 505.

26

Эти значения постоянно уточняются, как экспериментально, так и теоретически. Приведенные числа даны по: Coughlan G.D., Dodd J.E. The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists. Cambridge University Press, 1991. P. 34.

27

Feynman. P. 7.

28

Эту стипендию выплачивали США из части средств, выплаченных Китаем в качестве контрибуции за Боксерское восстание в конце XIX века.

29

Массы субатомных частиц обычно выражаются в виде энергии в соответствии с эйнштейновской формулой m = E/c^2. Масса протона 938,3 МэВ/c^2, где МэВ означает мегаэлектронвольт (миллион электронвольт). Масса нейтрона 939,6 МэВ/c^2. Часть c^2 обычно опускают (то есть она подразумевается), и массы выражаются в виде 938,3 и 939,6 МэВ соответственно. Один электронвольт равен количеству энергии, которое приобретает один отрицательно заряженный электрон при движении в электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов 1 вольт.

30

Yang Ch.N. Selected Papers with Commentary. New York: W.H. Freeman, 1983. Цит. по: Sutton Ch., Farmelo (ed.). It Must be Beautiful. P. 241.

31

Телефонное интервью Роберта Миллса Роберту Кризу и Чарльзу Манну 7 апреля 1983. Цит. по: Crease and Mann. P. 193.

32

Об этом случае Янг рассказал на Международном симпозиуме по истории физики частиц в Батавии, штат Иллинойс, май 1985. Цит. по: Riordan. P. 198.

33

Цит. по: Enz. P. 481.

34

Yang Ch.N. Selected Papers with Commentary. Цит. по: Sutton Ch., Farmelo (ed.). It Must be Beautiful. P. 243.

35

Yang Ch.N., Mills R.L. Physical Review. 96, 1. 1954. P. 195.

36

Segre E., Fermi E. Physicist. University of Chicago Press, 1970. P. 72.

37

Тому, кто интересуется еще более глубоким следствием слабого взаимодействия, достаточно посмотреть на стандартную солнечную модель – современную теорию, описывающую процессы в Солнце. Слияние протонов (ядер водорода) для образования ядер гелия в центре Солнца означает превращение двух протонов в два нейтрона через слабое взаимодействие, сопровождаемое испусканием двух позитронов и двух нейтрино.

38

На самом деле их грузовик не добрался до шлагбаума, и остаток пути их пришлось тащить на буксире. Бюджет для этих экспериментов был очень скудный, но ученым повезло встретить по дороге вице-президента «Дженерал моторс», который испытывал в горах новый грузовик «шевроле». Он любезно устроил так, чтобы грузовик с детектором довезли до нужного места, и оплатил замену двигателя.

39

В действительности отношение масс покоя у протона и электрона (масс, которыми эти частицы обладали бы при нулевой скорости) равно 1836.

40

Rabi I. Цит. по: Kragh H. Quantum Generations. P. 204.

41

Lamb W. Nobel Lectures, Physics 1942–1962. Amsterdam: Elsevier, 1964. P. 286.

42

Это было время большой путаницы. Как вскоре выяснилось, мюмезон на самом деле не относится к классу частиц, которые стали называться собирательным термином мезоны.

43

Цит. по: Kragh H. Quantum Generations. P. 321.

44

Примерно такую же идею высказали в то время японские физики Кадзухико Нисидзима и Тадао Накано, которые назвали странность «η-зарядом».

45

Gell-Mann M., Rosenbaum E. Scientific American. 1957. July. P. 72–88. Идею странности примерно в то же время разрабатывали японские физики Кадзухико Нисидзима и Тадао Накано, которые назвали ее «η-зарядом». Хотя термин «странность» вошел в употребление, теорию иногда называют теорией Гелл-Манна – Нисидзимы.

46

Glashow Sh. Harvard University PhD thesis, 1958. P. 75. Цит. по: Glashow. Nobel Lectures. Physics 1971–1980 / Ed. by St. Lundqvist // Singapore: World Scientific. 1992. P. 496.

47

Глэшоу сначала назвал нейтральную частицу В по аналогии с Янгом и Миллсом, но теперь ее обычно называют Z^0.

48

Интервью Марри Гелл-Манна Роберту Кризу и Чарльзу Манну, 3 марта 1983. Цит. по: Crease and Mann. P. 225.

49

Gell-Mann M., Caltech Report CALT-68—1214. P. 22–23. Цит. по: Crease and Mann. P. 264–265.

50

Ступени следующие: правильное воззрение, правильное намерение, правильная речь, правильное поведение, правильный образ жизни, правильное усилие, правильное размышление и правильное сосредоточение.

51

Лазер – пример такого рода конденсации с участием фотонов.

52

Nambu. P. 180.

53

Телефонное интервью Роберта Сербера Роберту Кризу и Чарльзу Манну, 4 июня 1983. Цит. по: Crease and Mann. P. 281.

54

Интервью Марри Гелл-Манна Роберту Кризу и Чарльзу Манну, 3 марта 1983. Цит. по: Crease and Mann. P. 281.

55

В настоящее время величина заряда электрона принята равной приблизительно 1,602176487(40) × 10–19 Кл, где число в скобках означает неопределенность последних двух знаков.

56

Каприз, причуда (англ.). (Примеч. пер.)

57

Перевод по изд.: Джойс Д. Стихотворения. М.: Радуга, 2003.

58

Интервью Марри Гелл-Манна Роберту Кризу и Чарльзу Манну, 3 марта 1983. Цит. по: Crease and Mann. P. 282.

59

Отношение несколько более сложное. На самом деле изоспин равен 1/2 × (количество верхних кварков минус количество верхних антикварков) минус (количество нижних кварков минус количество нижних антикварков).

60

И снова взаимоотношение несколько более сложное. Странность выражается как минус (количество странных кварков минус количество странных антикварков).

61

Zweig G. An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry и its Breaking // CERN Preprint 8419/TH.412. 1964. February 21. P. 42.

62

Anderson P.W. Physical Review. 1963. P. 441 // Farhi E., Jackiw R. (eds.). Dynamical Gauge Symmetry Breaking: A Collection of Reprints. Singapore: World Scientific, 1982. P. 50.

63

Все три статьи вышли в одном и том же номере (13) журнала Phy sical Review Letters в 1964 году на с. 321–323, 508–509 и 585–587 соответственно.

64

В отличие от других квантовых полей, с которыми мы до сих пор имели дело в книге, поле Хиггса является скалярным полем – оно имеет значение в каждой точке пространства-времени, но не имеет направления. Иными словами, оно не «притягивает» и не «отталкивает» ни в каком конкретном направлении.

65

Обратите внимание, что помехи возникают при движении с ускорением. Частицы, движущиеся на постоянной скорости, не поддаются действию поля Хиггса. Поэтому поле Хиггса не противоречит специальной теории относительности.

66

Higgs P. Hoddeson et al. P. 508.

67

Higgs P. // Physical Review Letters. 13, 509. 1964.

68

Coleman S. Цит. по: Higgs P. My Life as a Boson: the Story of the «Higgs». Прочитано на конференции, посвященной инаугурации Мичиганского центра теоретической физики, 21–25 мая 2001.

69

Higgs P. // Hoddeson et al. P. 510.

70

Weinberg S. Nobel Lectures. P. 548.

71

Интервью Стивена Вайнберга Роберту Кризу и Чарльзу Манну, 7 мая 1985. Цит. по: Crease and Mann. P. 245.

72

Со слов Иоанниса Илиопулоса в интервью Майклу Риордану, 4 июня 1985. Цит. по: Riordan. P. 211.

73

Glashow Sh. Nobel Lectures. P. 500.

74

’t Hooft G. In Search of the Ultimate Building Blocks. Cambridge University Press, 1997. P. 58.

75

Мартинус Велтман в личном разговоре с Эндрю Пикерингом. Цит. по: Pickering. P. 178.

76

Непосредственно влияя на космологическую постоянную, впервые введенную в качестве поправочного множителя Эйнштейном в его уравнениях гравитационных полей. В космологической модели Большого взрыва ΛCDM космологическая постоянная (лямбда) управляет скоростью расширения пространства-времени

77

Это голландская морская команда, которая значит, что надо убрать беспорядок. Позднее Велтман заявил, что это название он выбрал специально для того, чтобы досадить всем неголландцам.

78

Герард ’т Хоофт, интервью Роберту Кризу и Чарльзу Манну, 26 сентября 1984. Цит. по: Crease and Mann. P. 325–326.

79

Weltman M. // Hoddeson et al. P. 173.

80

Шелдон Глэшоу, процитировано Дэвидом Политцером, интервью Роберту Кризу и Чарльзу Манну, 21 февраля 1985. Цит. по: Crease and Mann. P. 326.

81

Hooft G. // Hoddeson, et al. P. 192.

82

На веб-сайте Nobelprize.org просто говорится, что «профессор Гелл-Манн прочел Нобелевскую лекцию [11 декабря 1969 года], но не представил рукопись для издания в данном сборнике».

83

Gell-Mann M. // Hoddeson et al. P. 629.

84

Сначала Гелл-Манн, Фрицш и Бардин решили, что это будут красный, белый и синий (в честь государственного флага Франции). Однако вскоре стало ясно, что три цвета будут хорошо работать вместе, если при смешении дадут белый цвет. Чтобы не путать читателя, я решил сразу же пользоваться общепринятой терминологией.

85

Буквы b, r, g означают цвета: blue, синий; red, красный; green, зеленый.

86

Bardeen W.A., Fritzsch H., Gell-Mann M. Proceedings of the Topical Meeting on Conformal Invariance in Hadron Physics. Frascati, 1972. Цит. по: Crease and Mann. P. 328.

87

Конфайнмент – невозможность нахождения кварков в свободном состоянии. От англ. confine – заключать. (Примеч. пер.)

88

Gell-Mann M. // Hoddeson et al. Р. 631.

89

Энергия частиц в космических лучах обычно находится в пределах между 10 МэВ и 10 ГэВ, но очень редко регистрируются частицы с высокой энергией. 15 октября 1991 года в Юте была обнаружена частица с энергией около 300 миллионов ТэВ. Ее назвали Oh-My-God – О-боже-мой-частицей. Считается, что это протон, разогнанный до скорости очень близкой к скорости света.

90

Их довольно неточно назвали экспериментами по «расщеплению атома».

91

Использовалась не только техника электромагнитного разделения. В Оук-Ридже также был построен огромный газодиффузионный (K-25) и термодиффузионный заводы.

92

После роспуска временного совета его переименовали в Европейскую организацию по ядерным исследованиям (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire). Однако сокращение ОЕРН сочли менее благозвучным, чем ЦЕРН, и решили оставить прежнее название.

93

Интервью Ричарда Фейнмана Майклу Риордану, 14–15 марта 1984. Цит. по: Riordan. P. 152.

94

Интервью Ричарда Фейнмана Полу Цаю, 3 апреля 1984. Цит. по: Riordan, P. 150.

95

Партоны не впечатлили Гелл-Манна, который придумал им насмешливое прозвище. На самом деле партоны – не просто кварки. Они могут быть кварками и глюонами, переносящими цветовое взаимодействие.

96

Ричард Фейнман, процитировано Джеромом Фридманом в интервью Майклу Риордану, 24 октября 1985. Цит. по: Riordan. P. 151.

97

Perkins D. // Hoddesson et al. P. 430.

98

В честь матери великана Гаргантюа из книги французского писателя XVI века Франсуа Рабле «Гаргантюа и Пантагрюэль».

99

В 1974 году ее переименовали в Национальную ускорительную лабораторию имени Энрико Ферми (Фермилаб).

100

Физики ЦЕРНа к тому времени нашли единственное «драгоценное» событие со слабым нейтральным током среди старых фотографий из Гаргамеля, а именно взаимодействие мюонного антинейтрино с электроном, что случается гораздо реже, но не имеет фонового загрязнения. Это было однозначное свидетельство, но все же это была всего лишь фотография. В конце концов, просмотрев почти полтора миллиона фотографий, физики нашли только три таких события.

101

Карло Руббиа, письмо Андре Лагарригу, 17 июля 1973. Цит. по: Crease and Mann. P. 352.

102

Отношение мюонных нейтрино и антинейтрино в экспериментах Национальной ускорительной лаборатории было порядка 2:1. Следовательно, средневзвешенное значение ЦЕРНа для мюонных нейтрино и антинейтрино 0,29.

103

Perkins D. // CERN Courier. 2003. June 1.

104

Cline D. Цит. по: Crease and Mann. P. 357.

105

Вспомните, как в детстве вы приставляли магниты друг к другу северными полюсами. Сопротивление, которое вы чувствовали, становилось тем сильнее, чем ближе вы приставляли магниты.

106

На самом деле ’т Хоофт уже пришел к выводу, что калибровочные те ории Янга – Миллса могли проявлять подобное неочевидное поведение, но в то время он занимался перенормировкой и не пошел дальше.

107

Безмассовые глюоны? А как же утверждения Гейзенберга и Юкавы, что переносчики сильного взаимодействия должны быть большие, массивные частицы? Это действительно было бы так, если бы сильное взаимодействие походило на гравитацию или электромагнетизм, но оно не такое. Асимптотически свободное цветовое взаимодействие вполне могут переносить безмассовые частицы. Как и кварки, они заключены внутри адронов, вот почему они не так вездесущи, как фотоны.

108

Bardeen W.A., Fritzsch H., Gell-Mann M. Proceedings of the Topical Meeting on Conformal Invariance in Hadron Physics // Frascati. 1972. May. Цит. по: Crease and Mann. P. 328.

109

Подобные аналогии очень интересны, но остаются умозрительными. По сей день конфайнмент остается проблемой КХД, которую еще предстоит решить.

110

Данные о массе кварков взяты из: Amsler C. et al. // Physics Letters B, 667. 2008. P. 1.

111

Wilczek F. // MIT Physics Annual 2003. P. 35.

112

Если взять массу протона равной 938 МэВ, то эти массы соответственно в 88 и 100 раз больше массы протона.

113

От англ. collide – сталкиваться. (Примеч. пер.)

114

Darriulat P. // Cashmore et al. P. 57.

115

Van der Mer. // Southworth B., Fraser G. // CERN Courier. 1983. November.

116

Alitalia – крупнейшая итальянская авиакомпания.

117

Мартинус Велтман написал о Руббиа: «Когда он был директором ЦЕРНа, он раз в три недели менял секретарей. Даже матросы на подводной лодке или эсминце во время Второй мировой задерживались дольше…» (см.: Veltman. P. 74).

118

Уилсон столкнулся с проблемами финансирования Фермилаба и в раздражении ушел в отставку. Как выяснилось позднее, Ледерман, досконально изучив все варианты в ноябре 1978 года, рассудил, что риски, связанные с использованием имеющихся установок в качестве протонантипротонного коллайдера, слишком велики. Он был не готов рисковать, в отличие от ван Хове, и решил использовать весь свой авторитет, чтобы снова попытаться получить финансирование для Тэватрона.

119

Darriulat P. // Cashmore et al. P. 57.

120

Rubbia K. // Southworth B., Fraser G. // CERN Courier. 1983. November.

121

Lederman. P. 357.

122

По последним расчетам, энергия находилась в пределах 200 триллионов ГэВ.

123

Хотя они и называются теориями Великого объединения, они не включают в себя гравитационное взаимодействие. Теории, учитывающие гравитацию, обычно называются теориями всего.

124

Georgi H., Glashow Gh. // Physical Review Letters. 32. 1974. P. 438.

125

Интервью Ховарда Джорджи Роберту Кризу и Чарльзу Манну, 29 января 1985. Цит. по: Crease and Mann. P. 400.

126

Воду в жидком состоянии можно сверхохладить до температуры на 40 градусов ниже температуры замерзания.

127

Guth. P. 176.

128

Эксперименты состояли в поиске единственного события распада протона из большого объема протонов, экранированных от космических лучей. Как объяснил Карло Руббиа: «Возьмите полдесятка аспирантов, посадите их километра на три под землей, и пусть пять лет разглядывают большую лужу воды» (цит. по: Woit. P. 104).

129

Эти мельчайшие изменения температуры впоследствии еще точнее измерил анизотропический зонд Уилкинсона (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP). Данные, поступившие в феврале 2003, марте 2006, феврале 2008 и январе 2010 года, помогли подтвердить и уточнить стандартную модель Вселенной, так называемую ΛCDM (модель холодной темной материи), в которой инфляция играет важную роль. Согласно последним данным WMAP, возраст Вселенной 13,75±0,11 миллиарда лет.

130

New York Times. 1983. June 6.

131

От слова desert – пустыня (англ.). (Примеч. пер.)

132

Полная цитата звучит так: «Лучше пусть я буду пеплом, чем пылью; пусть лучше иссякнет моя искра в ослепительной вспышке, чем плесень задушит ее; лучше быть роскошным метеором, каждый атом которого излучает великолепное сияние, чем сонной и вечной планетой» (London J. // Halpern. P. 151.

133

Приписывается Кену Стэблеру. Цитату использовал журналист Джордж Уилл в заголовке статьи, посвященной поддержке Рейганом суперколлайдера, которая позднее вышла в Washington Post.

134

Эту короткую речь из фильма «Кнут Рокне – стопроцентный американец» можно найти на веб-сайте American Rhetoric по адресу: http://www.americanrhetoric.com/

MovieSpeeches/moviespeechknuterockneallamerican.html.

135

Weinberg. P. 220.

136

Lederman. P. 406.

137

Kasper R. // Dallas Morning News. 2005. July 23.

138

Wouk H. A Hole in Texas. New York: Little, Brown & Company, 2004, Author’s Note.

139

Rubbia K. // Lederman. P. 381.

140

Waldegrawe W. // Sample. P. l63.

141

Строго говоря, это не совсем так. Класс «техницветовых» теорий вводит новые экстрасильные взаимодействия, которые также могут производить нарушение электрослабой симметрии. Они могут объяснить массы частиц W и Z, но плохо предсказывают массы кварков. Поэтому механизм Хиггса пользуется большей популярностью (Стивен Уайнберг, из личной переписки, 24 февраля 2011).

142

Заявку Дэвида Миллера можно увидеть по адресу: http://www.hep. ucl.ac.uk/~djm/higgsa.html. Цитируется с разрешения.

143

Дэвид Миллер, из личной переписки, 4 октября 2010.

144

Чтобы представить себе, о каких суммах идет речь, поясню, что в 2011 году Великобритания перечислила ЦЕРНу 15 процентов, или 109 миллионов фунтов (174 миллиона долларов), что менее 2 фунтов в год на душу британского населения. «Это настоящие гроши, – сказал физик ATLAS и телеведущий Брайан Кокс. – На самом деле мы больше тратим на какие-то мелочи, чем на БАК» (Sunday Times. 2011. February 27).

145

Сокращение от Apparatus for LEP Physics, аппарат физики БЭП.

146

Сокращение от Detector with Lepton, Photon, and Hadron Identification, детектор с лептонной, фотонной и адронной идентификацией.

147

Maiani L. // CERN Courier. 2001. February 26.

148

Нейтралино образуются из комбинаций фотино, зино и нейтральных хиггсино. См.: Kane. P. 158.

149

http://cms.web.cern.ch/news/detector-overview.

150

Evans L. // CERN Bulletin 37–38. 2008.

151

Твиттер Fermilab Today. Цит. по: Chivers T. // The Telegraph. 2010. July 13.

152

Dorigo T. Rumours About a Light Higgs // A Quantum Diaries Survivor. Запись в блоге от 8 июля 2010 года. www.science20.com/quantum_ diaries_survivor/

153

Leodermam L. // Chivers T. The Telegraph. 2010. July 13.

154

Очевидно, уровень достоверности самого слуха никто не измерял…

155

Светимость – параметр, означающий количество частиц в точке столкновения и, следовательно, количество потенциальных столкновений. Не все частицы в точке столкновения столкнутся на самом деле. Тем не менее светимость означает вероятность, что произойдет определенное количество столкновений.

156

Амбар по-английски barn. (Примеч. пер.)

157

Закрыть коллайдер было необходимо, чтобы добраться до 27 тысяч контактов между главными сверхпроводящими магнитами, починить их и замкнуть, так чтобы они обеспечили увеличение силы тока, необходимого для создания энергии пучка 7 ТэВ.

158

Рольф Хойер, цитата по бюллетеню ЦЕРНа от понедельника 31 января 2011.

159

Einstein A. // Calaprice A. (ed.). The Ultimate Quotable Einstein. Princeton University Press, 2011. P. 409.

160

Телеинтервью Джона Баттерворта и Кришнану Гуру-Мерти, Channel 4 News, 24 апреля 2011.

161

Butterworth J. Rumours of the Higgs at ATLAS // Life and Physics, Guardian. Запись в блоге за 24 апреля 2011. www.guardian.co.uk/science/ life-and-physics

162

Shiga D. Elusive Higgs Slips from Sight Again // New Scientist. 2011. May 4.

163

Butterworth J. Told You So… Higgs Fails to Materialise // Life and Physics, Guardian. Запись в блоге за 11 мая 2011. www.guardian.co.uk/ science/life-and-physics

164

Интервью Лоретт Понс автору, 21 июня 2011.

165

Основано на рекомендациях энергии столкновений 7 ТэВ по расчетам рабочей группы БАКа по сечению бозона Хиггса. Расчетное сечение для получения бозона Хиггса в процессе глюон-глюонного слияния варьируется в зависимости от массы бозона, примерно от 18 пикобарнов на 115 ГэВ до примерно 3 пикобарнов на 250 ГэВ. Среднее значение в этом диапазоне масс составляет около 9 пикобарнов.

166

Heuer R. DG’s Talk to Staff // CERN. 2011. July 4.

167

Интервью Линдона Эванса автору, 22 июня 2011.

168

Heuer R. DG’s Talk to Staff.

169

Лептоны и нейтрино образуются в комбинациях. Например, частица W— распадается на электрон или мюон и соответствующее антинейтрино, а частица W+ распадается на позитрон или антимюон и соответствующее нейтрино.

170

И опять-таки лептоны образуются в комбинациях: электроны с позитронами, мюоны с антимюонами.

171

В память об Эйнштейне фраза «Raffiniert ist der Herrgott, aber boshaft ist er nicht» вырезана в камне над камином зала Файн-Холл Принстонского университета.

172

Хотя предсказанная им частица прославилась под именем бозона Хиггса лишь в 1972 году.

173

Интервью Питера Хиггса автору, 18 августа 2011.

174

К несчастью, Роберт Браут умер после продолжительной болезни в мае 2011 года. Нобелевская премия не вручается посмертно, и ее могут разделить не более чем три человека.

175

Пресс-релиз ЦЕРНа, 22 августа 2011.

176

Фабиола Джанотти, цитата по пресс-релизу ЦЕРНа от 13 декабря 2011.

177

Рольф Хойер, заключительное слово на публичном семинаре ЦЕРНа l3 декабря 2011.

178

Телевизионное интервью Джона Баттерворта Джону Сноу, Channel 4 News, 13 декабря 2011.

179

Питер Хиггс со слов Алана Уокера, из личной переписки с автором, 13 декабря 2011.

180

Dorigo T. Firm Evidence of a Higgs Boson at Last! // A Quantum Diaries Survivor. Запись в блоге за 13 декабря 2011, www. science20xom/ quantum_diaries_survivor/.

181

Strassler М. Higgs Update Today: Inconclusive, as Expected // Of Particular Significance, комментарий к записи в блоге за 13 декабря 2011. profmattstrassler.com/2011/12/13/.

182

Джон Баттерворт, из личной переписки с автором, 23 декабря 2011.

183

У Киббла на тот день были другие планы. Хиггс, Энглер, Гуральник и Хейген приехали на семинар.

184

Incandela J. Latest update in the search for the Higgs boson // семинар ЦЕРНа. 4 июля 2012.

185

Heuer R. Latest update in the search for the Higgs boson.

186

Пресс-релиз ЦЕРНа, 4 июля 2012.

187

Higgs P. Latest update in the search for the Higgs boson.

Content

Джим Бэгготт
Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

От автора

Предисловие

Пролог Форма и субстанция

Часть первая Изобретение

1 Поэзия логических идей

2 Слабое оправдание

3 В этом никто ничего не поймет

4 Верные идеи для неверных задач

5 Это я могу

Часть вторая Открытие

6 Переменные нейтральные токи

7 Значит, это и есть W-частицы

8 Глубокий пас

9 Фантастический миг

10 Шекспировский вопрос

Эпилог Конструкция массы

Словарь терминов

Библиография

Примечания