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

В письме Лагарригу Руббиа заявил, что они накопили «около ста однозначных событий» [с нейтральными токами] [101] . Дальше он предложил обеим группам опубликовать данные о своих находках одновременно. Лагарриг вежливо отказался. Физики ЦЕРНа установили истинно безмюонные события в столкновениях мюонных нейтрино с нуклонами и оценили отношение событий с нейтральными токами к событиям с заряженными как 0,21. Для столкновений с мюонными антинейтрино отношение составило 0,45. После этого физики объявили, что наконец-то нашли слабые нейтральные токи, и отправили статью в журнал Physics Letters. Журнал опубликовал ее в сентябре.

101

Карло Руббиа, письмо Андре Лагарригу, 17 июля 1973. Цит. по: Crease and Mann. P. 352.

По расчетам группы Национальной ускорительной лаборатории, отношение нейтральных к заряженным токам для столкновений с мюонным нейтрино и антинейтрино составляло 0,29, что вполне согласовалось с результатами ЦЕРНа [102] .

В этот критический момент у Руббиа истекла американская виза, и, хотя он был профессором в Гарварде, ему грозила депортация. На апелляционном слушании в Службе иммиграции и натурализации США он вышел из себя. Не прошло и суток, как он уже был на борту самолета, улетающего из страны.

102

Отношение мюонных нейтрино и антинейтрино в экспериментах Национальной ускорительной лаборатории было порядка 2:1. Следовательно, средневзвешенное значение ЦЕРНа для мюонных нейтрино и антинейтрино 0,29.

Без Руббиа сотрудники Национальной лаборатории пошли на попятную. Их статью, представленную в журнал Physical Review Letters в августе, отвергли рецензенты, озабоченные тем, что не была как следует решена проблема исключения ошибочных безмюонных событий. Тогда Клайн и Манн перестроили детектор, намереваясь решить вопрос так или иначе.

Истинные безмюонные события сразу же исчезли, а отношение нейтральных к заряженным токам упало всего до 0,05. Физики Национальной ускорительной лаборатории убедились, что предыдущие результаты были заблуждением.

Руббиа был также заметной фигурой в ЦЕРНе и решил поднять шум. Он сказал генеральному директору ЦЕРНа Виллибальду Йенчке, что коллектив Гаргамеля совершил большую ошибку. ЦЕРН по-прежнему был в глубокой тени по сравнению с более известными американскими соперниками, и его репутация в мире пострадала из-за предыдущих промахов. Многие европейские физики склонялись к мнению, что результаты Гаргамеля ошибочны, и даже один из ведущих физиков ЦЕРНа поставил половину своего винного погреба на неверность результатов. Йенчке пришел в ужас при мысли, что репутация ЦЕРНа снова пострадает, и созвал физиков Гаргамеля на совещание. Оно было похоже на допрос в инквизиции.

Однако физики Гаргамеля, хотя их и потрясло такое развитие событий, упорно стояли на своем. Они не собирались отказываться от своих выводов. Перкинс столкнулся с Йенчке в церновском лифте и подбодрил его. «Я знал, что группа много раз проверяла анализ событий, и почти целый год мы искали другое объяснение для наблюдаемых событий, но безуспешно, – сказал Перкинс. – Поэтому я считал, что результат абсолютно надежен и [Йенчке] надо просто не обращать внимания на слухи из-за Атлантики. Не знаю, успокоили его мои слова или нет, но из лифта он вышел с улыбкой» [103] .

103

Perkins D. // CERN Courier. 2003. June 1.

Руббиа вернулся в Национальную ускорительную лабораторию в начале ноября, и тамошняя группа стала работать над совсем другой статьей, где заявлялось, что, вопреки последним отчетам ЦЕРНа и предсказаниям электрослабой теории, слабые нейтральные токи не найдены.

Дальше случился довольно неуклюжий разворот на 180 градусов. В середине декабря 1973 года физики Национальной ускорительной лаборатории поняли, что их детекторы ошибочно установили пионы, образующиеся в других столкновениях с нейтрино, как мюоны. Из-за этого количество безмюонных событий буквально свелось на нет. Слабые нейтральные токи вернулись. Клайну пришлось признать, что «вполне возможно, что данные говорят о безмюонном сигнале порядка 10 процентов» [104] . Он не мог найти, что бы заставило эти события исчезнуть. Группа Национальной ускорительной лаборатории решила снова отправить в журнал свою первоначальную статью, внеся в нее соответствующие изменения. Статья вышла в Physical Review Letters в апреле 1974 года.

104

Cline D. Цит. по: Crease and Mann. P. 357.

Некоторые физики в шутку называли открытие «переменными нейтральными токами».

В середине 1974 года другие лаборатории подтвердили результат, и путаница рассеялась. Слабые нейтральные токи стали экспериментальным фактом.

Однако следствия этого открытия оказались даже еще важнее. Слабые нейтральные токи подразумевали существование «тяжелых протонов», ответственных за перенос слабого взаимодействия. И если при распаде странных частиц нельзя было установить нейтральных токов, то причиной должно было быть то, что их подавляет механизм ГИМ.

Иными словами, должен существовать четвертый кварк.

7 Значит, это и есть W-частицы

Глава, в которой физики формулируют квантовую хромодинамику, открывают очарованный кварк и находят W– и Z-частицы именно там, где и предсказывали

Наконец-то фрагменты головоломки стали складываться. Оказалось, что загадка существования точечных частиц, свободно движущихся внутри нуклонов, что обнаружилось в экспериментах по глубоко неупругому рассеянию в Стэнфордском центре ускорителей, совсем не загадка, а прямое следствие природы сильного ядерного взаимодействия, которое ведет себя вопреки очевидному.

Представляя себе характер взаимодействия между двумя частицами, чаще всего мы вспоминаем о таких примерах, как гравитация и электромагнетизм, в которых чем ближе частицы друг к другу, тем взаимодействие между ними сильнее [105] . Но сильное ядерное взаимодействие ведет себя совсем по-другому. Его сила проявляется в так называемой асимптотической свободе. В асимптотическом пределе нулевого разделения между двумя кварками они перестают взаимодействовать и становятся полностью «свободными». Однако чем больше они отделяются друг от друга, подходя к границам нуклона, тем крепче их держит сильное взаимодействие и не пускает наружу.

105

Вспомните, как в детстве вы приставляли магниты друг к другу северными полюсами. Сопротивление, которое вы чувствовали, становилось тем сильнее, чем ближе вы приставляли магниты.

Рис. 17

(a) Сила электромагнитного притяжения между двумя электрически заряженными частицами увеличивается, когда частицы приближаются. Однако сила цветового взаимодействия, связывающая кварки внутри адронов, ведет себя совсем по-другому, как в варианте (b). При нулевом разделении между кварком и антикварком (например) оно падает до нуля. Оно увеличивается, чем дальше кварки друг от друга

Похоже, будто кварки привязаны к концам прочной резинки. Когда кварки находятся на близком расстоянии внутри нуклона, резинка не натянута и между ними нет или почти нет взаимодействия. Оно возникает, только когда мы пытаемся отдалить кварки друг от друга и натягиваем резинку (см. рис. 17).

В конце 1972 года принстонский теоретик Дэвид Гросс решил показать, что асимптотическая свобода просто невозможна в квантовой теории поля. Вместо этого с помощью своего студента Фрэнка Вильчека он умудрился доказать прямо противоположное. Квантовые теории полей, основанные на локальных калибровочных симметриях, могут создавать условия для асимптотической свободы. Молодой гарвардский аспирант Дэвид Политцер независимо пришел к такому же открытию. Их статьи вышли бок о бок в июньском номере Physical Review Letters [106] .

106

На самом деле ’т Хоофт уже пришел к выводу, что калибровочные те ории Янга – Миллса могли проявлять подобное неочевидное поведение, но в то время он занимался перенормировкой и не пошел дальше.