Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Сегодня Хиггс испытывает явную неловкость оттого, что теория связывается только с его именем. В разговоре он называет частицу Хиггса “скалярный бозон”, или “так называемый бозон Хиггса”. На какой-то конференции Питер признал нелепость ситуации, начав свою лекцию так: “В отличие от принятой на этой конференции терминологии я хочу прежде всего отказаться от приоритета на некоторые концепции, которые обычно связываются в литературе с моим именем” 93 93 См. статью “SBGT and all that” Питера Хиггса (сборник Weak Neutral Currents, edited by David В Cline. Westview Press, 1997). . Он предложил назвать механизм Хиггса механизмом “АБЭГХХКХ” в честь всех его авторов (Андерсон, Браут, Энглер, Гуральник, Хаген, Хиггс, Киббл и ‘т Хоофт).

То, что мы называем механизмом Хиггса, почти наверняка является важнейшим ингредиентом гораздо более общей теории объединения электромагнитного и слабого взаимодействий, что и доказали работы Глэшоу, Вайнберга, Салама, Вельтмана и ‘т Хоофта. На повестку дня встал вопрос о проверке теории Вайнберга. К счастью, теория предсказала существование трех видов частиц, которых никогда прежде не видели. Расчеты Вайнберга показали, что две W-частицы должны весить примерно в сорок раз больше, чем протоны, а Z-частицы — в два раза больше W-частиц. В руках у физиков появился надежный компас — теперь они знали, где искать эти частицы.

Это произошло 30 декабря 1972 года. Самолет коснулся земли, взвизгнули резиновые колеса, шасси прогнулись, приняв на себя полную тяжесть самолета. Двигатели замедлили свое вращение, гул стал тише, самолет подрулил к терминалу и остановился. По внутренней связи пилот разрешил пассажирам отстегнуть ремни безопасности и поздравил с прибытием в зимнюю сумрачную Англию.

Дональд Перкинс, физик из Оксфордского университета, наблюдал из здания терминала аэропорта Хитроу, как пассажиры берут свои чемоданы и становятся в очередь на паспортный контроль. Прибывший из Германии самолет доставил туристов из разных стран на празднование Нового года в Лондоне и англичан, возвращающихся домой по еле окончания рождественских каникул. Перкинсу не пришлось долго искать в толпе человека, которого он встречал, —Гельмут Фейснер, физик из университета Ахена, первым увидел его; он широко улыбался и размахивал фотоснимком.

Фейснер прошел таможню, поздоровался и сразу потащил Перкинса к столу. Немец положил на стол фотографию, и они оба стали пристально изучать ее. На черном фоне были видны белые пятна, тонкие вихри и кольца, похожие на следы от пуль. Для неопытного глаза картина казалась бессмысленным нагромождением полос и пятен, но для Перкинса и Фейснера одного взгляда на фотографию было достаточно, чтобы их сердца учащенно забились. Это было настоящее открытие! Перкинс сразу понял всю его важность, и они с Фейснером отправились в бар отпраздновать событие. Фейснер, кроме того, предложил заехать по дороге на аукцион “Кристи” и за большие деньги продать фотографию. Он назвал ее “Bilderbuch event” — иллюстрацией из книги с картинками. Это был пример того, как новый результат в физике можно представить в виде картинки с пояснениями 94 94 Два подробных отчета об открытии нейтральных токов особенно информативны. Первый был написан Дональдом Перкинсом, находившимся в центре событий (“Gargamelle and the discovery of neutral currents”, в кн.: The Rise of the Standard Model. Cambridge University Press, 1997). Второй полезный отчет написан Питером Галисоном (“The discovery of neutral currents”, в сборнике “Weak Neutral Currents”. Westview Press, 1997). .

В 1972 году только немногие физики слышали о бозоне Хиггса, а те, кто слышал, считали, что охоту за этой частицей начинать еще слишком рано. Причина была проста: физики понятия не имели, как ее найти. Они знали о бозоне Хиггса столь мало, что казалось, обнаружить его почти так же трудно, как иголку в стоге сена. Вот почему вместо этого физики отправились на охоту за доказательствами правильности теории электрослабого взаимодействия, разработанной Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом в 1960-х годах и подкрепленной работами Тини Вельтмана и Герарда т‘ Хоофта 1971 года. Важность ее было трудно переоценить, после теории электромагнетизма Максвелла, построенной в конце XIX века, это была первая теория, объединяющая две силы природы. Физики знали: того, кто найдет доказательства правильности теории, ждет Нобелевская премия.

Но оказалось, что доказательства, которые физики собирались добыть, тесно связаны с проблемой происхождения масс. Действительно, теория электрослабых взаимодействий основывается на механизме Хиггса. Именно поле Хиггса дает массу новым частицам — W- и Z-бозонам, предсказанным теорией. Итак, если теория электрослабых взаимодействий подтвердится, механизм Хиггса или что-то, похожее на него, скорее всего правильно описывает процесс обретения массы. Это не будет строгим доказательством теории Хиггса, но явится первым косвенным свидетельством правильности идеи.

В теории электрослабых взаимодействий было сделано много предсказаний, которые физики могли в своих экспериментах подтвердить или опровергнуть. Кроме двух новых частиц (причем, в отличие от частицы Хиггса, у физиков была ориентировка, подсказывающая, где их искать), в теории электрослабого взаимодействия был описан некий тонкий эффект, называемый “нейтральным током”. Обычный электрический ток возникает при перетекании отрицательно заряженных электронов из одного места в другое. Нейтральный ток — новый вид тока, создаваемый электрически нейтральными Z-частицами, проскальзывающими между другими частицами. Физики считали, что, имея необходимое оборудование, они могли бы сфотографировать нейтральные токи. И след нейтрального тока должен быть похож на спиральный трек, явно различимый на фотоснимке Гельмута Фейснера, который тот держал в руках в день своего появления в Хитроу.

Если бы W- и Z-частицы или мимолетные нейтральные токи не обнаружились в экспериментах, электрослабую теорию можно было бы выбросить на свалку, и вся идея Хиггса о происхождении массы частиц была бы поставлена под сомнение. Чтобы найти ответы на эти вопросы, физики, специалисты по элементарным частицам обратились к помощи неутомимых рабочих лошадок — ускорителей, установок, разгоняющих потоки частиц до феноменальных скоростей. Несущиеся в них частицы либо обрушиваются на поверхность металла, либо сталкиваются с другими частицами, летящими в другом направлении.

Ускорители начали строить в конце 1920-х годов. Поначалу это были примитивные устройства, собранные из узлов других приборов. В ранних моделях пучки частиц, летевших с большой скоростью, использовались для разрушения атомных ядер. В течение последующих десятилетий ускорители превратились в самые сложные и громоздкие установки на планете, и сегодня при столкновениях частиц, летающих в них с огромной скоростью, выделяется огромная энергия и возникают совершенно новые частицы.