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

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.

Оставалась проблема слабых нейтральных токов – взаимодействий с нейтральными частицами Z0, 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 Z0 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, Z0-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 Z0. 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 Z0-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 Z0-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 Z0-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.