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

Элвин Трайвелпис оказал неоценимую помощь, собрав воедино истории, связанные со Сверхпроводящиим суперколлайдером. Его глубокие знания были для меня крайне важны.

В лаборатории Ферми Курт Риссельман помог мне организовывать интервью, а благодаря Адриенн Колб я получил фантастически свободный доступ к обширным архивам лаборатории. Ученые, работающие в Фермилабе, — Крис Квигг, Леон Ледерман, Дмитрий Денисов, Роберт Розер, Джакобо Кенигсбер и Джон Конвей— щедро потратили на меня свое время и помогли советами.

В ЦЕРНе Джеймс Гиллис и другие сотрудники отдела по связям с общественностью помогали организовывать интервью, и в некоторых случаях обеспечили мне крышу над головой. Нынешние или бывшие сотрудники ЦЕРНа всегда были готовы помочь и были неизменно терпеливы. Я особенно благодарен Джосу Энгелену, Лучано Майани, Хервигу Шопперу, Крису Талли, Роберто Течини, Фабиоле Джанотти, Джиму Вирдее, Джону Суэйну, Джону Эллису и Патрику Жано. Особая благодарность Лину Эвансу и Роджеру Кэшмору, которые уделили мне много времени, разъясняя научные и технические детали.

Когда я начал работу над книгой, я не слышал о воротах Хиггса или скрытых мирах. Я очень благодарен Джеймсу Уэллсу в ЦЕРНе и Джону Марч-Расселу из Оксфордского университета за их потрясающе интересные рассказы.

Наконец, я благодарен моим друзьям и семье, которым я в равной мере и наскучил, и не уделял достаточного внимания: спасибо за то, что не бросили. Наконец, свою искреннюю благодарность выражаю Джо Марчанту, терпение и советы которого держали меня на плаву, и Поппи, ради которой стоило все это закончить.

Университет Северной Каролины в Чапел-Хилле, основанный в 1780-х годах, — старейший государственный университет в США.

Описание богословской интерпретации понятия массы и объема см. в кн.: Pierre Duhem. Medieval Cosmology: Theories of Infinity, Place, Time, Void, and the Plurality of Worlds. University Of Chicago Press, 1987.

Edward Robert Harrison. Cosmology: The Science of the Universe. Cambridge University Press, 2000.

Опубликованные под латинским названием “Principia Mathematica”, ньютоновские “Математические начала натуральной философии” состоят из трех томов.

Написанная по-английски “Оптика” — вторая великая книга Ньютона. Она включает теорию отражения, преломления и дисперсии света (анализ и синтез цветов).

Полная история открытия электрона дана в кн.: Е. A. Davis. J.J. Thomson and the Discovery of the Electron. Taylor & Francis, 1997.

По поводу опровержения Резерфордом томсоновской атомной модели см. кн.: Richard Morris. The Last Sorcerers: The Path from Alchemy to the Periodic Table. Joseph Henry Press, 2003.

Нет атома проще, чем атом водорода. Он содержит ядро, состоящее из одного протона, и один электрон.

См. также кн.: Andrew Brown. The Neutron and the Bomb: A Biography of Sir James Chadwick. Oxford University Press, 1997.

Более подробно об истории кварков см. кн.: Andrew Watson. The Quantum Quark. Cambridge University Press, 2004, а также кн.: M. Y. Han. Quarks and Gluons, World Scientific, 1999.

Для более полного представления попробуйте прочитать кн.: Frank Close, Michael Marten and Christine Sutton. The Particle Odyssey: A Journey to the Heart of Matter. Oxford University Press, 2004.

Полную историю открытий, лежащих в основе Стандартной модели, можно найти в кн.: Hoddeson et al. 1999 (см. библиографию).

Частицы вещества образуют три поколения, которые отличаются только массой. Первое поколение кварков — это верхние (up) и нижние (down) кварки, второе поколение включает в себя очарованные (charm) и странные (strange) кварки, а третье поколение — прелестные (beauty или bottom) и истинные (truth или top). В каком-то смысле второе и третье поколения кварков — это более тяжелые кузены кварков первого поколения. Первое поколение лептонов — это электроны и электронное нейтрино. Второе, более тяжелое, поколение включает в себя мюон и мюонное нейтрино. Третье поколение лептонов — тау-лептон и тау-нейтрино. Мюон и тау-лептон — тяжелые версии электрона.

Частицы — переносчики взаимодействия в Стандартной модели — бозоны, а именно фотоны (электромагнитное взаимодействие), глюоны (сильное взаимодействие) и W- и Z-бозоны (слабое взаимодействие). Пятый в этом ряду — бозон Хиггса. Термин “бозоны” появился в честь индийского физика Сатиендра Нат Бозе. Более подробную информацию о Бозе см. в кн.: Satyendra Nath Bose: His Life and Times, edited by Kameshwar С Wali. World Scientific, 2009.

Из всех фундаментальных сил природы слабые силы, вероятно, наименее известны. Все частицы, за исключением глюонов и фотонов, ощущают действие слабых сил. Они действуют на столь коротких расстояниях, что по сути дела являются контактными. Слабая сила принимает участие в радиоактивном бета-распаде. когда радиоактивные элементы испускают электроны или позитроны высоких энергий. При обмене W-бозонами тип кварка может измениться, или — говоря иначе — изменится аромат.

Ньютоновские законы движения прекрасно описывают объекты (или частицы), которые движутся значительно медленнее, чем свет. Но при скоростях, близких к скорости света, физические законы резко изменяются, и важную роль начинает играть теория относительности Эйнштейна. Эта теория является следствием двух утверждений: во-первых, скорость света одинакова для всех зрителей, независимо от их относительных скоростей, а во-вторых, законы физики одинаковы во всех инерциальных (неускоряющихся) системах отсчета. Иными словами, законы физики одинаковы, находитесь ли вы в стационарной лаборатории или мчитесь в пространстве с постоянной скоростью.

Ученые подсчитали, что уже за 1 пикосекунду, или одну триллионную долю секунды, после Большого взрыва Вселенная достаточно остыла, чтобы включилось поле Хиггса.

Ученые в целом соглашаются, что Вселенной 13,7 млрд лет. А что происходило до этого? Теория до сих пор ничего не может сказать по этому вопросу, и мы, возможно, никогда этого не узнаем. Стивен Хокинг сравнил вопрос о том, что происходило до Большого взрыва, с вопросом о том, что находится к северу от Северного полюса.

Исчезновение поля Хиггса или изменение его напряженности имело бы драматические последствия, например, для химии. Электрон приобретает массу с помощью поля Хиггса. Без этого поля электроны остались бы безмассовыми и двигались бы слишком быстро, чтобы атомные ядра захватили их на атомные орбиты. Периодическая система элементов перестала бы существовать.

В Стандартной модели поле Хиггса является сложным и состоит из двух нейтральных и двух заряженных компонентов. Два заряженных компонента дают массу положительно и отрицательно заряженным W-бозонам. Один нейтральный компонент дает массу Z-бозону. Бозон Хиггса является квантом оставшегося нейтрального компонента поля.