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

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. Λ0и Σ0 состоят из верхних, нижних и странных кварков, но отличаются изоспином. У Λ0 изоспин равен нулю, а у Σ0 – единице. Эту разницу можно проследить до различных возможных комбинаций волновых функций верхнего и нижнего кварков. У Λ0 антисимметричная (ud – du) комбинация, у Σ0 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.