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

В июне Гелл-Манн опять поехал в Аспенский центр, сжимая в руке препринты статей Гросса – Вильчека и Политцера. К нему присоединился Фрицш и Генрих Лейтвилер, швейцарский теоретик из Бернского университета, который в то время находился в Калтехе. Вместе они разработали квантовую теорию поля Янга – Миллса для трех цветных кварков и восьми цветных безмассовых глюонов [107] . Чтобы объяснить асимптотическую свободу, глюоны должны были переносить цветной заряд. Никаких трюков с участием механизма, подобного хиггсовскому, не требовалось.

107

Безмассовые глюоны? А как же утверждения Гейзенберга и Юкавы, что переносчики сильного взаимодействия должны быть большие, массивные частицы? Это действительно было бы так, если бы сильное взаимодействие походило на гравитацию или электромагнетизм, но оно не такое. Асимптотически свободное цветовое взаимодействие вполне могут переносить безмассовые частицы. Как и кварки, они заключены внутри адронов, вот почему они не так вездесущи, как фотоны.

Новой теории нужно было имя. В 1973 году Гелл-Манн и Фрицш назвали ее квантовой адронной динамикой, но следующим летом Гелл-Манн решил, что придумал название получше. «У теории было много достоинств и не было ни одного известного недостатка, – объяснил он. – Следующим летом в Аспене я придумал назвать теорию квантовой хромодинамикой, или КХД, и настойчиво предлагал его Хайнцу Пагельсу и другим» [108] .

Великий синтез, объединивший теории сильного и электрослабого взаимодействия в единой структуре SU(3) x SU(2) x U(1), казалось, наконец-то близок.

108

Bardeen W.A., Fritzsch H., Gell-Mann M. Proceedings of the Topical Meeting on Conformal Invariance in Hadron Physics // Frascati. 1972. May. Цит. по: Crease and Mann. P. 328.

Но хотя асимптотическая свобода могла объяснить, почему кварки очень слабо взаимодействуют в адронах, она не объясняла, почему кварки всегда заключены внутри. Физики изобретали разные живописные модели. В одной окружающие кварки глюонные поля представлялись в виде узких трубок или струн цветного заряда, которые натягиваются между кварками по мере их разделения. Когда кварки расходятся в разные стороны, струна напрягается, потом растягивается, и сопротивление дальнейшему напряжению растет, чем больше она растягивается.

В конце концов струна рвется, но на таких энергиях, которых хватило бы для спонтанного возникновения пар кварк – антикварк из вакуума. Таким образом, например, нельзя вытянуть кварк из нуклона без возникновения антикварка, который тут же спарится с кварком и образует мезон, и другого кварка, который займет его место внутри нуклона. В конечном итоге энергия канализируется в спонтанное создание мезона, и отдельные кварки не наблюдаются. Кварки не столько заключены внутри нуклона, сколько никогда, просто никогда, не встречаются без компаньона [109] .

109

Подобные аналогии очень интересны, но остаются умозрительными. По сей день конфайнмент остается проблемой КХД, которую еще предстоит решить.

Энергия изолированного, так сказать, «голого» цветного заряда велика. В принципе энергия одного изолированного кварка бесконечна. Кварк быстро накапливает оболочку из виртуальных глюонов, стремясь замаскировать цветной заряд, и энергия возрастает. Требуется гораздо меньше энергии, чтобы замаскировать заряд либо за счет спаривания с антикварком того же цвета, либо сочетания с двумя другими кварками разных цветов, так чтобы общий цветной заряд был равен нулю и получившаяся в результате целая частица была «белой».

Однако заряд кварка нельзя полностью замаскировать. Для этого нужно было бы каким-то образом сложить кварки в кучу. Но кварки похожи на электроны – это квантовые частицы со свойствами одновременно волны и частицы. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, установление положения кварков приведет к бесконечной неопределенности их импульсов. Таким образом, возникает возможность бесконечного импульса, что тоже требует огромных ресурсов.

Природа соглашается на компромисс. Цветной заряд не может быть полностью замаскирован, но энергия связанных глюонных полей может уменьшиться до управляемой величины. Тем не менее это существенная величина. Как оказалось, (гипотетические) массы верхних и нижних кварков довольно малы, в интервале между 1,5 и 3,3 МэВ и между 3,5 и 6,0 МэВ соответственно [110] . Измеренная масса протона составляет 938 МэВ, масса нейтрона – около 940 МэВ. Суммарная масса двух верхних кварков и одного нижнего кварка составит около 4,5–9,9 МэВ. Так откуда же берется остальная масса протона? Она берется из энергии глюонных полей внутри протона.

110

Данные о массе кварков взяты из: Amsler C. et al. // Physics Letters B, 667. 2008. P. 1.

«Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?» – спрашивал Эйнштейн в 1905 году. Ответ: да. Около 99 процентов массы протонов и нейтронов – это энергия, переносимая безмассовыми глюонами, которые удерживают кварки внутри нуклонов. «Масса, казалось бы неразложимое свойство материи, синоним ее инертности и сопротивления переменам, – писал Вильчек, – оказывается проявлением гармоничного взаимодействия симметрии, неопределенности и энергии» [111] .

Глэшоу посетил Брукхейвенскую лабораторию в августе 1974 года, чтобы опять уговорить экспериментаторов начать поиск очарованного кварка. Его услышал американский физик Сэмюэл Тинг. Он готовился исследовать высокоэнергетические протон-протонные взаимодействия на 30-гигаэлектронвольтном сильнофокусирующем синхротроне и как следует поискать электрон-позитронные пары в неразберихе образующихся адронов.

111

Wilczek F. // MIT Physics Annual 2003. P. 35.

Когда данные показали, что электрон-позитронные пары накапливаются в узком «резонансе» при энергии около 3 ГэВ, экспериментаторы даже не знали, что об этом подумать. Они хотели устранить очевидные источники ошибок и перепроверить анализ. Безрезультатно. Пик упорно фиксировался на 3,1 ГэВ и упорно оставался узким. Возникло подозрение, что они напали на какое-то новое физическое явление.

Тинг предпочитал не рисковать. У него была репутация человека, который находит ошибки в экспериментах других физиков, и ему не хотелось, чтобы кто-то нашел ошибки у него. Его убеждали опубликовать результаты, но он отказывался, пока они не смогут подтвердить свои данные.

Тем временем на Западном побережье США у физика Стэнфордского университета Роя Швиттерса возникла одна проблема. В середине 1973 года в Стэнфордском центре ускорителей вступил в строй Стэнфордский асимметричный накопитель позитронного и электронного пучков (сокращенно SPEAR), в котором начали сталкивать разогнанные электроны и позитроны. Швиттерс нашел ошибку в одной из компьютерных программ, которые использовались для анализа данных, полученных в ходе экспериментов на SPEAR. Исправив ошибку, он снова проанализировал данные экспериментов за июнь 1974 года и увидел некоторую упорядоченность – маленькие бугорки на энергиях 3,1 и 4,2 ГэВ. Руководитель проекта американский физик Бертон Рихтер в конце концов распорядился реконфигурировать SPEAR для энергии столкновений около 3,1 ГэВ, так чтобы экспериментаторы вернулись и посмотрели еще раз.

К ноябрю 1974 года стало ясно, что и группа Тинга в Брукхейвене, и группа Рихтера в Стэнфордском центре открыли одну и ту же новую частицу, мезон, образованный очарованным кварком и очарованным антикварком. Группа Тинга решила назвать ее J-частицей, а группа Рихтера назвала ее (пси). Это совместное открытие позднее окрестили ноябрьской революцией.

После этого случилась небольшая неразбериха из-за первенства. Обе группы не хотели уступать право первенства и признавать название мезона, которое ему дала другая группа, и его до сих пор называют J/-мезоном. Тинг и Рихтер разделили Нобелевскую премию по физике за 1976 год.

Открытие ^J/– мезона стало триумфом теоретической и экспериментальной физики. Кроме того, оно помогло привести в порядок структуру фундаментальных частиц – основу того, что быстро превращалось в современную Стандартную модель физики элементарных частиц.

Она состояла уже из двух поколений фундаментальных частиц, каждое из которых включало два лептона и два кварка, а также частицы – переносчики взаимодействий между ними. Электрон, электронное нейтрино, верхний кварк и нижний кварк входят в первое поколение. Мюон, мюонное нейтрино, странный кварк и очарованный кварк – во второе поколение, они отличаются от первых прежде всего массами. Фотон переносит электромагнитное взаимодействие, W– и Z-частицы переносят слабое ядерное взаимодействие, а восемь цветных глюонов – сильное ядерное или цветовое взаимодействие между цветными кварками.