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

Протонный и антипротонный пучки с энергией 270 ГэВ соединятся в ПСС и придут в столкновение, достигнув общей энергии 540 ГэВ, что гораздо больше, чем требуется для обнаружения частиц W и Z.

В октябре 1982 года, после некоторых задержек, UA1 и UA2 наконец начали регистрировать данные. Ожидалось, что столкновения, в которых могут образоваться W– и Z-частицы, будут очень редкими, поэтому оба детектора были сконфигурированы так, чтобы реагировать только на определенные столкновения, удовлетворяющие запрограммированным критериям. Коллайдер должен был производить по нескольку тысяч столкновений в секунду в течение двух месяцев. При этом ожидалось лишь несколько событий, способных произвести W и Z.

Детекторные установки были запрограммированы так, чтобы регистрировать события с выбросом высокоэнергетических электронов или позитронов под большим углом к направлению движения пучка. Электроны с энергией до половины массы W будут признаком распада W—-частиц. Высокоэнергетические позитроны будут свидетельствовать о распаде W+-частиц. Измеренное расхождение энергии (различие между энергией частиц, входящих в столкновение, по сравнению с энергией выходящих) будет сигналом одновременного образования нейтрино и антинейтрино, которые невозможно было обнаружить непосредственно.

Предварительные результаты были представлены на симпозиуме в Риме в начале января 1983 года. Руббиа, нервничая против обыкновения, объявил о том, что из нескольких тысяч миллионов наблюденных столкновений коллаборация UA1 установила шесть событий – кандидатов на распад W-частиц. Коллаборация UA2 установила четыре кандидата. Руббиа был несколько осторожен, но убежден: «Они выглядят как W-частицы и пахнут как W-час тицы, значит, это и есть W-частицы»[120]. «Он выступил эффектно, – писал Ледерман. – У него были все карты на руках, и он сумел выложить их страстно и логично»[121].

20 января 1983 года физики ЦЕРНа набились в аудиторию, где Руббиа проводил семинар по UA1, а Луиджи ди Лелла – по UA2. 25 января прошла пресс-конференция. Коллаборация UA2 предпочитала не торопиться с выводами, но выводы не заставили себя долго ждать. W-частицы найдены, их энергия близка к предсказанным 80 ГэВ.

Об открытии частицы Z0 с массой около 95 ГэВ группой UA1 объявили 1 июня 1983 года. Оно основывалось на наблюдении пяти событий – четырех с образованием электрон-позитронных пар и одного с образованием мюонной пары. Коллаборация UA2 к тому времени накопила несколько событий-кандидатов, но предпочитала подождать итогов другого круга экспериментов, прежде чем объявить о них во всеуслышание. В конце концов UA2 сообщила о восьми событиях с образованием электрон-позитронных пар.

К концу 1983 года UA1 и UA2 в сумме зарегистрировали сотню W±-событий и дюжину Z0-событий, установив массы порядка 81 ГэВ и 93 ГэВ соответственно.

Руббиа и ван дер Мер разделили Нобелевскую премию по физике за 1984 год.

Это был долгий путь, начавшийся с эпохальной работы Янга и Миллса 1954 года по квантовой теории поля SU(2) для сильного взаимодействия. Эта теория предсказала безмассовые бозоны, которые так раздосадовали Паули. В 1957 году Швингер размышлял о том, что слабое ядерное взаимодействие переносят три частицы поля, и потом его студент Глэшоу обратился к теории поля Янга – Миллса SU(2), чтобы учесть в ней все три частицы.

Открытие механизма Хиггса в 1964 году показало, каким образом безмассовые бозоны могут приобретать массу. Вайнберг и Салам пошли дальше и в 1967–1968 годах применили механизм Хиггса к нарушению электрослабой симметрии. В 1971 году было показано, что получившаяся теория поддается перенормировке. И теперь переносчики слабого взаимодействия найдены именно там, где их и ждали увидеть.

Само существование W– и Z-частиц с предсказанными массами дало довольно убедительное свидетельство, что электрослабая теория SU(2) × U(1) в сути своей верна. А если теория верна, то взаимодействие с вездесущим энергетическим полем (полем Хиггса) отвечает за сообщение массы переносчикам слабого взаимодействия. А если поле Хиггса существует, значит, должен существовать и бозон Хиггса.

Однако, чтобы найти бозон Хиггса, требовался коллайдер еще мощнее.

8

Глубокий пас

Глава, в которой Рональд Рейган горой стоит за сверхпроводящий суперколлайдер, но, когда шесть лет спустя конгресс закрывает проект, от него остается только яма в Техасе

Опыт, который приобрели физики, работая над объединением теорий электрослабого взаимодействия, они могли применить к более грандиозной задаче. Из теории электрослабого взаимодействия вытекало, что вскоре после Большого взрыва температура Вселенной была так высока, что слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия были неразличимы. Вместо этого существовало единое электрослабое взаимодействие, переносчиком которого были безмассовые бозоны.

Это так называемая электрослабая эпоха. Когда температура Вселенной снизилась, фоновое поле Хиггса «кристаллизовалось», и более высокая калибровочная симметрия электрослабого взаимодействия была нарушена (или, вернее сказать, скрыта). Безмассовые бозоны электромагнитного взаимодействия (фотоны) беспрепятственно продолжали движение, но бозоны слабого взаимодействия вступили во взаимодействие с полем Хиггса, приобрели массу и стали W– и Z-частицами. И вследствие этого слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия сейчас совсем не похожи друг на друга ни силой, ни масштабом.

В 1974 году Вайнберг, американский теоретик Ховард Джорджи и австралийка Хелен Куинн показали, что силы всех трех взаимодействий становятся почти равными при энергии между сотней миллиардов и сотней триллионов ГэВ[122]. Эти энергии, соответствующие температуре примерно 10 октиллионов (1028) градусов, преобладали в течение примерно одной стодециллионной (10–35) доли секунды после Большого взрыва.

Разумно предположить, что в эту эпоху Великого объединения сильное ядерное и электрослабое взаимодействия были также неразличимы и представляли собой единое электроядерное взаимодействие. Все переносчики взаимодействия были идентичны, и не было ни массы, ни электрического заряда, ни аромата кварков (верхних, нижних), ни цвета (красного, зеленого, синего). Чтобы нарушить эту симметрию еще более высокого порядка, требовались хигг совские поля, кристаллизующиеся при более высоких температурах и таким образом приводящие к отделению кварков, электронов и нейтрино друг от друга, а также разделению взаимодействия на сильное и электрослабое.

Один из первых примеров такой теории великого объединения[123] (ТВО) разработали Глэшоу и Джорджи в 1974 году. В ее основе лежала группа симметрии SU(5), по их словам «калибровочная группа мира»[124]. Одним из следствий симметрии более высокого порядка было то, что все элементарные частицы были гранями друг друга. Теория Глэшоу и Джорджи позволяла преобразования между кварками и лептонами. То есть кварк внутри протона мог трансформироваться в лептон. «Тогда я понял, что это делает протон, базовый элемент атома, нестабильным, – сказал Джорджи. – У меня сразу испортилось настроение, и я пошел спать»[125].

Поскольку теории великого объединения оперируют с таким уровнем энергии, которого никогда не удастся достичь в коллайдерах, построенных на Земле, возникает желание усомниться в их ценности. Однако ТВО предсказывают существование новых частиц, которые в принципе могут быть открыты в экспериментах со столкновениями. И хотя эпоха Великого объединения закончилась миллиарды лет назад, ее последствия для современной Вселенной мы можем наблюдать и по сей день.

По крайней мере, так рассуждал молодой американский физик Алан Гут, недавно защитивший докторскую диссертацию. Он подтвердил, что среди предсказанных ТВО новых частиц есть магнитный монополь – гипотетическая элементарная частица, обладающая ненулевым магнитным «зарядом», равного отдельно взятому полюсу магнита, северному или южному. В мае 1979 года Гут вместе с таким же молодым доктором физики, американцем китайского происхождения Генри Таем начал работать над определением количества магнитных монополей, которые, скорее всего, возникли в результате Большого взрыва. Они стремились объяснить, почему, если магнитные монополи действительно образовались в начале существования Вселенной, сегодня мы их не наблюдаем.

Гут и Тай поняли, что можно подавить образование монополей, изменив характер фазового перехода от эпохи Великого объединения к электрослабой эпохе. Для этого нужно было вмешаться в свойства полей Хиггса. Гут и Тай открыли, что монополя исчезают, если вместо гладкого фазового перехода или «кристаллизации» при температуре перехода Вселенная, напротив, претерпевает сверхохлаждение. В таком случае температура падает так быстро, что Вселенная «застревает» в состоянии Великого объединения при температуре гораздо ниже температуры перехода[126].