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

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 Z0-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.