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

– 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 - Об этом случае Янг рассказал на Международном симпозиуме по истории физики частиц в Батавии, штат Иллинойс, май 1985. Цит. по: Riordan. P. 198.].

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 - Цит. по: Enz. P. 481.].

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 - Yang Ch.N. Selected Papers with Commentary. Цит. по: Sutton Ch., Farmelo (ed.). It Must be Beautiful. P. 243.].

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 - Yang Ch.N., Mills R.L. Physical Review. 96, 1. 1954. P. 195.].

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 - Segre E., Fermi E. Physicist. University of Chicago Press, 1970. P. 72.].

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 - 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.].

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 - 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.]. 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 - В действительности отношение масс покоя у протона и электрона (масс, которыми эти частицы обладали бы при нулевой скорости) равно 1836.].

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 - Rabi I. Цит. по: Kragh H. Quantum Generations. P. 204.] 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 - Lamb W. Nobel Lectures, Physics 1942–1962. Amsterdam: Elsevier, 1964. P. 286.].

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 - Это было время большой путаницы. Как вскоре выяснилось, мюмезон на самом деле не относится к классу частиц, которые стали называться собирательным термином мезоны.]. 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 - Цит. по: Kragh H. Quantum Generations. P. 321.].

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 - Примерно такую же идею высказали в то время японские физики Кадзухико Нисидзима и Тадао Накано, которые назвали странность «?-зарядом».]. Позднее он обессмертил термин цитатой из Фрэнсиса Бэкона: «Не бы вает великой красоты без некоторой странности в пропорциях»[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 «?-зарядом». Хотя термин «странность» вошел в употребление, теорию иногда называют теорией Гелл-Манна – Нисидзимы.].

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 (?

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.