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

В сентябре того же года Вайнберг вдруг понял, что он решал неправильно сформулированную задачу. Его модель, не очень адекватно описывающая сильные взаимодействия, отлично описывала слабые и электромагнитные взаимодействия. Раздражающий всех безмассовый бозон был на самом деле не ошибкой, а присущим этим взаимодействиям элементом – фотоном. В короткой статье под названием «Теория лептонов» Вайнберг объединил все эти идеи и изложил теорию, в которой каждый современный аспирант, специализирующийся в области физики элементарных частиц, немедленно распознает единую электрослабую модель – компонент Стандартной модели. В статье Вайнберг ссылался на статью Глэшоу, но не на работу Салама и Уорда, о которой ему все еще не было известно. Используя идеи Киббла, Вайнберг смог прямо предсказать массы W– и Z-бозонов, чего ни Глэшоу, ни Салам с Уордом сделать не могли, так как они вставляли их массы вручную. Вайнберг в своей теории объяснил механизм, посредством которого все фермионы, а также калибровочные бозоны приобретают массы. Он даже отметил, что модель поддается перенормировке, хотя в то время не мог предложить никаких убедительных аргументов в пользу этого. Самосогласованная теория электрослабого объединения была, наконец, построена.

Почти тогда же Киббл и Салам поняли, что оба интересуются нарушением симметрии, и Киббл объяснил свою теорию Саламу. Салам подумал, что может переработать единую модель, которую они разработали с Уордом, включив в нее скалярные бозоны, нарушающие симметрию, и даже прочитал лекцию на эту тему в Имперском колледже для небольшой аудитории. По неизвестным причинам Салам не изложил эти идеи сразу в виде статьи. Вообще-то он был чрезвычайно плодовитым ученым, но в те дни его внимание было направлено в основном на гравитацию, а не на субатомные силы. И как следствие, его идея о том, что в модель Салама-Уорда нужно добавить механизм Хиггса, в напечатанном виде появилась только через год в трудах конференции (где он также процитировал статью Вайнберга).

Статьи Вайнберга и Салама по отдельности имели примерно такое же влияние, как четырехметровый блин, плашмя упавший с высоты пяти сантиметров (как образно выразился Курт Воннегут по другому поводу [11]). В академических кругах, и, в частности, в естественных науках наиболее объективным количественным показателем важности данной работы является индекс цитируемости, то есть число ссылок других авторов на данную статью. В период с 1967 по 1971 год на статью Вайнберга сослались лишь несколько раз (что касается двух других авторов, то ни один из них в последующие годы по-настоящему не занимался этой темой). Однако уже начиная с 1971 года в течение четырех последующих десятилетий статью Вайнберга процитировали более 7500 раз – в среднем чаще, чем раз в два дня!

Так что произошло в 1971 году? Был получен некий потрясающий экспериментальный результат? Нет, зато был потрясающий теоретический результат: молодой аспирант из Голландии – Герард Хоофт, научным руководителем которого был Мартинус («Тини») Вельтман, доказал, что теории со спонтанно нарушенной калибровочной симметрией перенормируемы, несмотря на то, что калибровочные бозоны массивны. Другими словами, Хоофт показал, что теория электрослабого взаимодействия математически непротиворечива. Это было то, что и предполагал Вайнберг и Салам, хотя многие специалисты в этой области до 1971 года оставались скептически настроенными. По словам Сидни Колмана, Хоофт «расколдовал лягушку Вайнберга и Салама и превратил ее в принца». Герард Хоофт с тех пор стал считаться одним из самых креативных и блестящих умов в физике. Он и Вельтман вместе получили Нобелевскую премию в 1999 году за работы по электрослабой теории и спонтанному нарушению симметрии.

Но и замечательные экспериментальные результаты не заставили себя долго ждать. Главным следствием модели Глэшоу-Салама-Уорда-Вайнберга было существование тяжелых нейтральных Z-бозонов. Роль W-бозонов была хорошо известна – при рождении они изменяют идентичность фермиона (например, при распаде нейтрона нижний кварк превращается в верхний). Если существовал Z-бозон, это означало бы, что есть такие слабые взаимодействия, в которых частицы сохраняют свою идентичность, например нейтрино может рассеиваются на атомных ядрах. Именно такие события увидели на детекторе «Гаргамель» в ЦЕРНе в 1973 году, что и обеспечило присуждение Нобелевской премии Глэшоу, Саламу и Вайнбергу в 1979 году. (Уорд остался за бортом, поскольку, как уже говорилось, премию могут получить не больше трех человек.) Но это были лишь косвенные признаки воздействия W– и Z-бозонов, а сами они будут обнаружены еще через нескольких лет, когда их найдет Карло Руббиа.

А пока все было подготовлено к открытию бозона Хиггса.

Физики – тоже люди, и ничто человеческое им не чуждо. Как правило, ими движет чувство, которое Ричард Фейнман называл «удовольствием от открытия нового», но как только они узнают что-то интересное, им хочется получить признание общественности. В этой книге, следуя общепринятой в физическом сообществе практике, я использую для названия процесса обретения массы калибровочными бозонами с помощью спонтанного нарушения симметрии термин «механизм Хиггса», а для скалярной частицы, предсказанной этой моделью, – «бозон Хиггса». В то же время понятно, что, хотя вклад самого Хиггса в создание теории очень важен, он не был единственным. Почему именно это название прижилось и как должно быть по справедливости?

Никто не знает точно, откуда взялось это название – «бозон Хиггса». Ясно одно – не от самого Питера Хиггса. Физики элементарных частиц считают, что во всем виноват Бенджамин Ли – талантливый корейско-американский физик, трагически погибший в автомобильной катастрофе в 1977 году. Ли узнал о спонтанном нарушении калибровочной симметрии из разговора с Хиггсом, и затем, в 1972 году делая важный доклад на конференции в лаборатории Ферми, он неоднократно ссылался на «мезон Хиггса». Это было в сразу же после появления революционного результата Хоофта, когда все судорожно пытались понять, в чем состоят его идеи. Именно из-за того, что физики – люди, они, как и все прочие, в разговоре лучше всего запоминают первые слова, и поэтому доклад, который услышало очень много людей и в котором использовался этот термин, привел к тому, что название прижилось.

По другой версии, все началось со статьи Стивена Вайнберга, опубликованной в 1967 году. Когда в 1964 году вышли оригинальные статьи о спонтанном нарушении симметрии в калибровочных теориях, об этом размышляло не так много физиков, но в 1971 году после прорыва Хоофта многие поспешили заняться этой темой. Статья Вайнберга была хорошей отправной точкой, в ней содержались ссылки на все три статьи Хиггса, а также статьи Энглера и Браута и Хагена, Гуральника и Киббла. Однако в списке литературы Хиггс стоял на первом месте. Так получилось по ошибке: названия журналов Physical Review Letters (где появилась вторая статья Хиггса) и Physical Letters (где была напечатана статья Энглера и Браута) были перепутаны. Иногда такие незначительные ляпсусы имеют далеко идущие последствия.