Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

В своей знаменитой статье они рассмотрели два вида полей: калибровочное поле, носителем которого является калибровочный бозон, и набор из двух нарушающих симметрию скалярных полей, которые в пустом пространстве принимают ненулевое значение. Похожая постановка содержалась и в работе Голдстоуна по нарушению глобальной симметрии, но с добавлением калибровочного поля, необходимого для локальной симметрии. В статье авторы не уделили большого внимания свойствам скалярных полей, сфокусировавшись вместо этого на том, что происходит с калибровочным полем. Используя диаграммы Фейнмана, они показали, что калибровочные бозоны получают массу, не нарушая основной симметрии, – в полном соответствии с требованиями теории относительности и вопреки опасениям Гилберта. Всю эту теорию они построили, видимо, ничего не зная о статье Андерсона, опубликованной годом раньше.

1964 год. Хиггс

В 1960 году Питер Хиггс вернулся в родную Шотландию после получения докторской степени в Университетском колледже в Лондоне и занял место преподавателя в университете Эдинбурга. Он знал о работе Андерсона и заинтересовался вопросом о том, как в релятивистской теории можно избежать выполнения условий теоремы Голдстоуна. В июне 1964 года Хиггс открыл последний выпуск главного в США физического журнала Physical Review Letters и наткнулся на статью Гилберта. Позднее он вспоминал: «В первую минуту мне захотелось сказать, что все это ерунда, поскольку автор, казалось, опровергал теорию Намбу». Но тут Хиггс вспомнил, что Швингер нашел лазейку в существующих представлениях о том, что калибровочные бозоны должны быть безмассовыми из соображений симметрии, и подумал, что, может, удастся расширить лазейку на случай спонтанно нарушенных симметрий. Понимая, что это важный вопрос, Хиггс быстро написал короткую статью, которая была опубликована в Physics Letters – европейском аналоге Physical Review Letters. В ней впервые было явно показано, что условия теоремы Голдстоуна могут не выполняться в случае калибровочной симметрии, даже когда теория относительности играет важную роль.

Чего в той первой статье Хиггса не было, так это конкретной модели, в которой безмассовым бозонам фактически не было места. Но уже во второй своей работе он именно это и сделал: он исследовал поведение пары нарушающих симметрию скалярных полей голдстоуновского типа, взаимодействующих с калибровочным полем – источником силы, и показал, что калибровочное поле съедает бозон Намбу-Голдстоуна, рождая один массивный калибровочный бозон. Он послал эту вторую статью снова в Physics Letters – и там ее сразу отклонили. Это удивило Хиггса – он не мог понять, почему журнал публикует статью, в которой говорится о «возможности рождения массивных калибровочных бозонов», но отказывается публиковать статью, посвященную «реальной модели массивных калибровочных бозонов». Но Хиггс не сдался. Он добавил пару абзацев, разъясняющих физические следствия предложенной модели, и послал статью в американский журнал Physical Review Letters, где она и была принята. Референтом был Намбу, о чем Хиггс узнал позже, и именно он, Намбу, предложил Хиггсу добавить ссылку на только что вышедшую статью Энглера и Браута.

В той паре абзацев, которые Хиггс написал в дополнение к своей статье, содержалось замечание о том, что его модель не только делает калибровочные бозоны массивными, но также предсказывает существование массивного скалярного бозона. Это было первое точное упоминание об известном теперь и любимом нами «бозоне Хиггса». Вспомним, что модель Голдстоуна нарушения глобальной симметрии предсказала не только ряд безмассовых бозонов Намбу-Голдстоуна, но и один массивный скалярный бозон. В случае локальной симметрии предполагаемые безмассовые скалярные бозоны съедаются калибровочными полями, которые становятся массивными. Но массивный скалярный бозон и соответствующее поле из теории Голд-стоуна по-прежнему остаются в теории Хиггса. Энглер и Браут не обсуждали эту частицу, хотя в ретроспективе мы видим, что она неявно присутствует в их уравнениях (как и в работе Андерсона).

Забегая немного вперед, скажем, что при реальном применении механизма Хиггса в Стандартной модели, прежде чем симметрия нарушится, существует четыре скалярных бозона и три безмассовых калибровочных бозона. Когда симметрия нарушается, три из четырех скалярных бозонов поедаются калибровочными бозонами. Таким образом у нас остается три массивных калибровочных бозона – два W-бозона, один Z-бозон и один массивный скалярный бозон – бозон Хиггса. Еще один калибровочный бозон – безмассовый в начале – таким же и остается. Это фотон. (Фотон на самом деле – смесь из нескольких калибровочных бозонов, но это уже слишком сложно объяснить.) В каком-то смысле мы уже обнаружили три четверти бозонов Хиггса в 1980-е годы, когда нашли массивные W– и Z-бозоны.

Вот что случается при спонтанном нарушении локальной (калибровочной) симметрии, и это кардинально отличается от разобранного ранее случая нарушения глобальной симметрии. Теперь в симметричной ситуации есть безмассовые калибровочные бозоны и массивные скалярные бозоны. Те бозоны, которые были бы безмассовыми при нарушении глобальной симметрии, съедаются калибровочными бозонами, которые становятся массивными. Остается один массивный скалярный бозон – это бозон Хиггса.

Можно спорить о том, кто – Андерсон, Энглер с Браутом или Хиггс – первым предложил механизм Хиггса, с помощью которого калибровочные бозоны становятся массивными, но сам Хиггс точно имеет право претендовать на первенство в упоминании о бозоне Хиггса – частицы, которую мы в настоящее время сделали символом нашего понимания того как работает природа. В следующей своей статье в 1966 году Хиггс обсудил свойства этого бозона более подробно. Но кто знает – возможно, если бы его предыдущая статья не была сначала отклонена журналом Physics Letters, он бы никогда вообще не обратил внимания на этот бозон.

Хиггс хорошо знал о работе Андерсона с 1963 года. Он стремился отдать должное Андерсону, но утверждал, что тот остановился на полдороге: «Андерсон должен был сделать две основные вещи, но он их не сделал, зато сделал я. Он должен был показать прореху в условиях теоремы Голд-стоуна и предложить простую релятивистскую модель, которая бы показывала, как это работает. Тем не менее всякий раз, когда я читаю лекцию о так называемом механизме Хиггса, я начинаю с Андерсона, который на самом деле сделал все правильно, но его никто не понял».

1964 год. Гуральник, Хаген и Киббл

Гуральник, Хаген и Киббл (ГХК) завершили свою собственную статью вскоре после того, как были опубликованы статьи Энглера с Браутом и Хиггса. Статья ГХК выросла из давних дискуссий Гуральника с Хагеном еще тех времен, когда они оба были студентами в Массачусетском технологическом институте. Они написали свою первую совместную статью после того, как Хаген остался в аспирантуре в Массачусетском технологическом институте, а Гуральник переехал чуть вверх по реке – в Гарвард. Эти обсуждения возобновились после того, как Гуральник уехал в постдокторантуру в Имперский колледж в Лондон, где преподавал Абдус Салам, и, естественно, спонтанное нарушение симметрии там горячо обсуждалось. Киббл тоже преподавал в этом колледже, и они с Гуральником часто размышляли вместе, как обойти теорему Голдстоуна. Визит Хагена в Лондон побудил троицу изложить свои результаты в статье.

В октябре 1964 года, как вспоминали участники этой истории, «буквально в тот самый момент, когда Хаген и Гуральник запечатывали конверт с рукописью для отправки в Physical Review Letters, в офис вошел Киббл, держа в руке две статьи Хиггса и одну Энглера и Браута». Энглер и Браут представили статью 26 июня 1964 года, и она была опубликована в августе, две работы Хиггса были представлены 27 июля и 31 августа и вышли в сентябре и октябре соответственно, а статья ГХК была послана 12 октября и появилась в ноябре. В первый момент им не пришло в голову, что их «обошли» в открытии, хотя они поняли, что эти работы, о которых они до тех пор не подозревали, затрагивали похожую тему. ГХК рассудили, что Энглер с Браутом и Хиггс успешно решили вопрос о том, как калибровочные бозоны могли бы получить массу при спонтанном нарушении симметрии, но обошли вопрос о том, что в условиях теоремы Голдстоуна неправильно, а это было центральным пунктом обсуждения в статье англо-американского триумвирата. Они чувствовали, что рассуждения Энглера и Браута по поводу того, что случается с различными колеблющимися полями, были несколько туманными, а статьи Хиггса имели тот недостаток, что были написаны не на языке квантовой механики.

И тогда ГХК вынули свою статью из конверта и добавили ссылку на эти работы: «Предмет нашего рассмотрения – теория, которая была частично сформулирована Энглером и Браутом и имеет некоторое сходство с теорией Хиггса». Поскольку почти одновременное рождение идей – не слишком редкое явление, в физической литературе принята следующая процедура: если какая-то статья выходит до того, как ваша собственная окончательно написана, вы пишете в примечании со ссылкой на нее объяснение типа «в то самое время, когда данная работа была почти закончена, мы получили статью похожего содержания…». ГХК не сделали этого явно, но никто не сомневается, что их работа была практически завершена до того, как они что-либо услышали о работах конкурентов. Эти работы достаточно разные, и работа ГХК появилась через такое короткое время после выхода первых статей, что не было никаких оснований заподозрить, что авторы основывались на работах Энглерта, Браута и Хиггса.