Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Нейтральные токи пробили себе дорогу, и уже казалось, что замечательное объединение слабого и электромагнитного взаимодействий вот-вот случится. Но оставались еще две нерешенные проблемы, которые требовали внимания.

Открытие нейтральных токов при нейтринном рассеивании подтвердило идею о существовании Z-частицы, но это никак не гарантировало, что слабое взаимодействие полностью соответствует образу, который предложили Глэшоу, Вайнберг и Салам и в котором слабое и электромагнитное взаимодействия были едины. Чтобы разобраться в этом, требовался эксперимент с использованием частицы, принимающей участие как в слабом, так и в электромагнитном взаимодействии. Электрон идеален в этом отношении, поскольку участвует только в этих двух взаимодействиях.

Когда электроны взаимодействуют с другими зарядами посредством электромагнитного притяжения, левые и правые электроны ведут себя одинаково. Однако теория Вайнберга – Глэшоу – Салама требовала, чтобы слабые взаимодействия для левых и правых частиц проходили по-разному. Из этого следовало, что тщательные измерения рассеяния поляризованных электронов – электронов, заранее приведенных в левое или правое состояние при помощи магнитных полей, – на разных мишенях должно было бы, по идее, выявить нарушение симметрии правого и левого, но не настолько резкое, как асимметрия, наблюдавшаяся в нейтринном рассеянии, потому что нейтрино всегда чисто левое. Уровень нарушения при рассеянии электронов, если он существует, должен был бы отражать степень, в которой слабое взаимодействие и электромагнетизм смешаны в объединенной теории.

На самом деле идею проверки такой интерференции с использованием рассеяния электронов предложил еще в 1958 г. замечательный советский физик Яков Зельдович. Но прошло двадцать лет, прежде чем появилась техническая возможность ставить эксперименты с достаточной чувствительностью. Так что в случае с открытием нейтральных токов дорога к успеху была полна ухабов и тупиков.

Одна из причин, по которым проверка этой идеи потребовала так много времени, состояла в том, что слабое взаимодействие и правда очень слабое. Поскольку доминирующим способом взаимодействия электронов с веществом является электромагнитное взаимодействие, предсказанная асимметрия правого и левого, возникающая вследствие обмена Z-частицей, мала – меньше одной десятитысячной. Для проверки наличия такой асимметрии нужен был пучок одновременно интенсивный и с хорошей известной первоначальной поляризацией.

Лучше всего для этих экспериментов подходил Стэнфордский линейный ускоритель. Он построен в 1962 г. и был самой длинной – две мили – из когда-либо построенных человеком столь прямолинейных конструкций. В 1970 г. в нем появились поляризованные пучки, но только в 1978 г. удалось разработать и поставить эксперимент с чувствительностью, достаточной для поиска влияния слабого взаимодействия на рассеяние электронов.

Хотя успешное наблюдение нейтральных токов в 1974 г. стало началом широкого признания теории Вайнберга – Глэшоу – Салама физиками-теоретиками, эксперимент SLAC 1978 г. был необычайно важен; дело в том, что в 1977 г. два эксперимента в области атомной физики дали результаты, которые, если бы они подтвердились, однозначно опровергли бы эту теорию.

В нашей истории до сих пор принципиальную роль играл свет, освещавший (простите за каламбур) наши представления не только об электричестве и магнетизме, но и о пространстве, времени и в конечном итоге о природе квантового мира. Так что было понятно, что свет способен помочь разобраться и с электрослабым объединением.

Первым большим успехом квантовой электродинамики стало верное предсказание спектра водорода, а со временем и других атомов. Но если электроны ощущают и слабое взаимодействие, то это даст небольшую добавочную силу между электронами и ядрами, которая должна изменить – хотя и очень слабо – характеристики их атомных орбит. Как правило, эту разницу заметить невозможно, поскольку слабые эффекты тонут в электромагнитных. Но слабое взаимодействие нарушает четность, так что те самые поправки к электромагнитному взаимодействию от слабых нейтральных токов, которые исследовали при помощи поляризованных электронных пучков, могут дать в атомах новые эффекты, которых не было бы, если бы действовал один только электромагнетизм.

В частности, для тяжелых атомов теория Вайнберга – Салама предсказывала, что если сквозь газ из атомов пропустить поляризованный свет, то направление поляризации света повернется примерно на одну миллионную долю градуса из-за нарушающего четность действия нейтральных токов в атомах, сквозь которые прошел свет.

В 1977 г. статьи с результатами двух независимых экспериментов в области атомной физики, проведенных в Сиэтле и в Оксфорде, были опубликованы подряд в журнале Physical Review Letters . Результаты были удручающие. Никакого оптического поворота не удалось увидеть на масштабе, вдесятеро меньшем, чем тот, что предсказывала теория электрослабого взаимодействия. Если бы только один эксперимент дал такой результат, он, скорее всего, показался бы сомнительным. Но одинаковый результат двух независимых экспериментов на разном оборудовании выглядел очень убедительно. Казалось, теория опровергнута.

Тем не менее проект SLAC, начавшийся тремя годами ранее, шел полным ходом, и, поскольку подготовка к эксперименту уже началась, его проведение было утверждено и первые данные ожидались в начале 1978 г. Нулевой результат предыдущих опытов побудил стэнфордских ученых добавить в свой эксперимент несколько дополнительных «звоночков», чтобы в том случае, если никакого эффекта не обнаружится, была бы гарантия, что они могли бы его заметить, если бы он был.

Уже через два месяца после старта эксперимент начал демонстрировать явные признаки нарушения четности, и к июню 1978 г. ученые объявили ненулевые результаты его работы, согласующиеся с предсказаниями модели Глэшоу – Вайнберга – Салама, основанной на измеренном рассеянии нейтрино нейтральными токами, что позволило, в свою очередь, измерить силу Z-взаимодействия.

Тем не менее вопросы оставались, особенно с учетом явного расхождения этих результатов с результатами Сиэтла и Оксфорда. В Калтехе на одном из семинаров по этому вопросу Ричард Фейнман в очень типичной для него манере сразу обратил внимание на ключевой экспериментальный вопрос и поинтересовался, проверяли ли экспериментаторы на SLAC, одинаково ли хорошо детектор отзывается на левые и правые электроны. Оказалось, что не проверяли, но теоретические соображения и не давали им оснований считать, что детекторы могут по-разному вести себя при пучках электронов с разной поляризацией. (Как известно, восемь лет спустя Фейнман сумеет разобраться и в другой сложной проблеме, связанной с трагическим взрывом «Челленджера»; тогда он просто продемонстрировал разрушение уплотнительного кольца и комиссии по расследованию, и публике, наблюдавшей за происходящим по телевизору.)