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

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 Z0, 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 Z0 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.