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

Сидни Коулман поручил своему студенту Дэвиду Политцеру проделать аналогичные вычисления; его независимый результат совпал с результатом Гросса и Вильчека и был получен примерно в то же время. То, что результаты совпали, дало обеим группам дополнительную уверенность в их достоверности.

Мало того, что теории Янга – Миллса оказались асимптотически свободными, выяснилось, что это единственный класс теорий поля, обладающий этим свойством. Это побудило Гросса и Вильчека предположить в первых строках их совместной эпохальной статьи, что теория Янга – Миллса, возможно, и правда объясняет сильное взаимодействие с учетом этой ее уникальности и того, что экспериментальные результаты SLAC 1968 г., по-видимому, делают асимптотическую свободу непременным требованием к любой теории сильного взаимодействия.

Которая из теорий Янга – Миллса верна, предстояло еще определить, как и понять, почему безмассовые калибровочные частицы, которые служат визитной карточкой теорий Янга – Миллса, никому никогда не попадались на глаза. И связанный с этим, возможно, самый важный и давний вопрос: а где же кварки?

Но, прежде чем я перейду к этим вопросам, еще один момент. Вас, возможно, интересует, почему поведение теорий Янга – Миллса так отличается от поведения их более простого сородича – квантовой электродинамики, для которой Ландау показал, что сила взаимодействия между электрическими зарядами возрастает на малых масштабах.

Ключевой момент здесь довольно тонкий и кроется в природе безмассовых калибровочных частиц в теории Янга – Миллса. В отличие от фотонов в электродинамике, не имеющих электрического заряда, глюоны – предсказанные переносчики сильного взаимодействия – обладают зарядами Янга – Миллса и потому взаимодействуют друг с другом. Но, поскольку теории Янга – Миллса сложнее квантовой электродинамики, заряды на глюонах тоже сложнее, чем простые электрические заряды на электронах. Каждый глюон похож не только на заряженную частицу, но и на маленький заряженный магнит.

Если поднести маленький магнитик к железному предмету, железо намагнитится и в результате вы получите более мощный магнит. Что-то аналогичное происходит и в теориях Янга – Миллса. Если у меня имеется некая частица с зарядом Янга – Миллса, скажем кварк, то кварки и антикварки могут возникать в вакууме вокруг этого заряда и экранировать его, как происходит в электромагнетизме. Но глюоны тоже могут выскакивать из вакуума, и поскольку они работают как маленькие магнитики, то стремятся выстроиться в направлении поля, порождаемого первоначальным кварком. Это увеличивает силу поля, что, в свою очередь, побуждает новые глюоны выскакивать из вакуума, что увеличивает силу поля, и т. д.

В результате чем глубже вы проникаете внутрь виртуального глюонного облака, то есть чем ближе подбираетесь к кварку, тем слабее будет казаться поле. В конечном итоге, когда вы сблизите два кварка, взаимодействие между ними станет настолько слабым, что они начнут вести себя так, будто вовсе не взаимодействуют, – а это главная отличительная черта асимптотической свободы.

Я воспользовался здесь глюонами и кварками как своеобразными ярлычками, но следует заметить, что асимптотическая свобода не указывала однозначно на какую-то конкретную теорию Янга – Миллса. Однако Гросс и Вильчек признавали, что естественным кандидатом была та теория Янга – Миллса, которую Гринберг и другие постулировали как необходимую для того, чтобы кварковая гипотеза Гелл-Манна объясняла наблюдаемую природу элементарных частиц. В этой теории каждый кварк несет на себе один из трех различных типов заряда, которые обозначаются, за отсутствием более подходящих названий, цветами: красный, зеленый и синий. Именно из-за такой терминологии Гелл-Манн пустил в обращение для этой теории Янга – Миллса название «квантовая хромодинамика» – квантовая теория цветных зарядов, по аналогии с квантовой электродинамикой – квантовой теорией электрических зарядов.

Гросс и Вильчек исходили из того, что квантовая хромодинамика является корректной калибровочной теорией сильного взаимодействия кварков, поскольку наблюдательные данные говорили в пользу подобной симметрии, связанной с кварками.

Не более чем через год после этих теоретических достижений замечательная идея асимптотической свободы получила столь же замечательное экспериментальное подкрепление. Эксперименты на SLAC и еще на одном ускорителе в Брукхейвене на Лонг-Айленде привели к поразительному и неожиданному открытию новой массивной элементарной частицы, причем было похоже, что частица эта включает в себя новый кварк – тот самый очарованный кварк, что был предсказан Глэшоу и его коллегами четырьмя годами раньше.

Но в этом открытии была своя загадка, поскольку новая частица жила намного дольше, чем можно было ожидать на основании измеренного времени жизни более легких нестабильных сильно взаимодействующих частиц. Открывшие новую частицу экспериментаторы говорили, что ее обнаружение было подобно тому, как случайно встретить в джунглях новый вид людей, живущих не до ста, а до десяти тысяч лет.

Если бы это открытие было сделано хотя бы на пять лет раньше, оно показалось бы необъяснимым. Но в данном случае судьба благоприятствовала подготовленному разуму. Том Аппельквист и Дэвид Политцер, работавшие в то время в Гарварде, быстро поняли, что если асимптотическая свобода действительно является свойством сильного взаимодействия, то можно показать, что взаимодействия, управляющие более массивными кварками, должны быть слабее взаимодействий, управляющих более легкими и более знакомыми кварками. А более слабое взаимодействие означает, что частицы распадаются медленнее. То, что могло казаться загадкой, в данной ситуации служило подтверждением новой идеи асимптотической свободы. Казалось, все встало на свои места.

За исключением всего одной, но весьма существенной вещи. Если теория квантовой хромодинамики – это теория взаимодействий между кварками и глюонами, то где, собственно, сами кварки и глюоны? Как так получается, что никто и никогда не видел их в эксперименте?

Ответить на этот вопрос помогла асимптотическая свобода, предоставившая ключевое свидетельство. Если сильное взаимодействие ослабевает по мере приближения к кварку, то, напротив, по мере отдаления от кварка оно должно усиливаться. Представьте тогда, что произойдет, если я попытаюсь растащить кварк и антикварк, связанные сильным взаимодействием. Когда я начинаю их растаскивать, мне требуется все больше и больше энергии, поскольку сила притяжения между ними возрастает с расстоянием. Со временем поля вокруг кварков накопят так много энергии, что энергетически выгодным станет появление из вакуума новой пары кварк – антикварк, каждый член которой свяжется с одной из первоначальных частиц. Этот процесс схематически показан на рисунке.