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

И все же, чтобы летать, нужны крылья, и разработка нового метода создания, хранения, разгона и фокусировки пучка антипротонов выпала на долю блестящего физика-ускорительщика из ЦЕРН Симона ван дер Мера. Его метод был настолько хитроумен, что многие физики, впервые услышав о нем, думали, что он нарушает некоторые фундаментальные принципы термодинамики. Характеристики частиц в пучке должны были измеряться в одном месте кольцевого туннеля, после чего на магниты дальше по туннелю поступал сигнал дать множество мелких корректирующих толчков пролетающим частицам пучка, слегка меняя таким образом энергии и импульсы попутных частиц, чтобы все они в итоге сфокусировались в узкий пучок. Этот метод, получивший название стохастического охлаждения, помогал добиться того, чтобы частицы, слегка отклонившиеся от центральной оси пучка, направлялись бы обратно в его середину.

Совместными усилиями ван дер Мер и Руббиа упорно проталкивали проект, и к 1981 г. коллайдер уже работал, как и планировалось, а Руббиа собрал крупнейшую физическую коллаборацию в истории и построил большой детектор, способный разобраться в миллиардах столкновений протонов с антипротонами в поисках горстки возможных W- и Z-частиц. Однако команда Руббиа была не единственной, кто занимался охотой на эти частицы. В ЦЕРН была собрана еще одна коллаборация и построен еще один детектор. В таких важных экспериментах избыточность представлялась вполне уместной.

Отыскать нужный сигнал среди необъятного фона в этих экспериментах было непросто. Не забывайте, что протоны состоят не из одного кварка и в единичном столкновении протона с антипротоном может произойти множество разных вещей. Более того, ни W-, ни Z-частицы нельзя наблюдать непосредственно, а только по продуктам их распада, в случае W-бозона это электроны и нейтрино. Нейтрино тоже невозможно наблюдать непосредственно. Экспериментаторам следовало суммировать полную энергию и импульс всех исходящих частиц в каждом перспективном событии и искать случаи с большим количеством «пропавшей энергии» – это сигнализировало бы об образовании нейтрино.

К декабрю 1982 г. Руббиа и его коллегам удалось пронаблюдать событие, которое можно было считать кандидатом на обнаружение W-частицы. Руббиа не терпелось опубликовать статью на базе этого единственного события, но его коллеги были осторожнее, и не без оснований. За Руббиа числилась целая серия открытий, которые впоследствии не всегда находили подтверждение. Но пока суд да дело, он по секрету сообщил подробности полученных результатов коллегам по всему миру.

За несколько следующих недель его команда UA1 получила свидетельства еще пяти событий – кандидатов на обнаружение W-бозона, а физики его коллаборации разработали несколько куда более строгих тестов, позволявших надежно подтвердить реальность этих кандидатов. 20 января 1983 г. Руббиа провел в ЦЕРН блестящий и надолго запомнившийся семинар, где и представил полученные результаты. Ему аплодировали стоя, что ясно показывало: полученные данные убедили физическое сообщество. Через несколько дней Руббиа подал в журнал Physics Letters статью, в которой объявил об обнаружении шести W-событий. W-частица была обнаружена, и масса ее в точности соответствовала предсказанной.

Однако поиск на этом не закончился. Предстояло еще обнаружить Z-бозон. Предсказанная для нее масса была немного больше, чем у W-бозона, а потому получить ее сигнал было немного сложнее. Тем не менее примерно через месяц после объявления об открытии W-бозона оба эксперимента начали поставлять данные о Z-событиях, и на базе одного такого четкого события 27 мая того же года Руббиа объявил об открытии Z-частицы.

Калибровочные бозоны электрослабой модели были найдены. Значение этих открытий для укрепления эмпирической базы Стандартной модели лишний раз подчеркнуто тем, что чуть более чем через год после объявления об этих открытиях Руббиа и его коллега по ускорителю ван дер Мер были удостоены Нобелевской премии по физике. Хотя в строительстве и эксплуатации ускорителя и детекторов участвовало огромное количество людей, мало кто осмелился бы отрицать, что без упорства и настойчивости Руббиа и без хитроумного изобретения ван дер Мера это открытие было бы невозможно.

Итак, остался последний не найденный святой Грааль – предсказанная частица Хиггса. В отличие от W- и Z-бозонов, масса бозона Хиггса не устанавливается теорией. Ее связи с веществом и с калибровочными бозонами были предсказаны, поскольку эти связи позволяют фоновому хиггсовскому полю, предположительно существующему в природе, разрушать калибровочную симметрию и придавать массу не только W- и Z-частицам, но и электронам, мюонам и кваркам – вообще всем фундаментальным частицам Стандартной модели, за исключением нейтрино и фотона. Однако ни масса частицы Хиггса, ни сила ее самовзаимодействий по отдельности не определялись заранее по существовавшим на тот момент измерениям. Теория лишь связывала отношение этих величин с измеренной силой слабого взаимодействия между известными частицами.

По консервативным оценкам возможной величины силы самовзаимодействия частицы Хиггса ее масса столь же сдержанно оценивалась как лежащая в диапазоне от 2 до 2000 ГэВ. Верхний предел определялся тем, что, если самосвязывание частицы Хиггса окажется слишком сильным, теория станет относиться уже к сильному взаимодействию и многие расчеты, выполненные с использованием простейшей модели бозона Хиггса, окажутся неверны.

Помимо важной роли бозона Хиггса в разрушении электрослабой симметрии и придании массы другим элементарным частицам, остальные количественные характеристики этой частицы оставались на тот момент экспериментально практически не определенными. Вероятно, именно поэтому Шелдон Глэшоу в 1980-е гг. называл бозон Хиггса «туалетом» современной физики: все знали, что он безусловно существует, но никто не хотел подробно обсуждать его публично.

То, что Стандартная модель не устанавливала заранее многие детали хиггсовского сектора, не мешало большому числу теоретиков предлагать модели, «предсказывавшие» массу частицы Хиггса на основании неких новых теоретических идей. В начале 1980-х гг. всякий раз, когда ускорители повышали доступные ученым энергии, выходили новые физические статьи с предсказаниями, согласно которым частица Хиггса должна непременно обнаружиться, как только новая машина будет включена. Затем этот новый порог преодолевался, но, вопреки предсказаниям, ничего не наблюдалось. Становилось ясно, что для исследования всего возможного пространства параметров придется строить принципиально новый ускоритель.