Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» - Джим Бэгготт

Глэшоу был среди слушателей, но к тому времени он, кажется, совсем забыл свои первые попытки разработать объединенную электрослабую теорию, теорию, предсказавшую безмассовые частицы W+, W— и Z0, которые каким-то образом должны были получить массу. «К сожалению, амнезия продолжалась у него весь 1966 год», – написал Хиггс[69]. Ради справедливости к Глэшоу надо сказать, что Хиггс был увлечен применением его механизма к сильному взаимодействию.

Но Глэшоу не сумел сложить два и два. Нужную связь в конце концов проведет бывший одношкольник Глэшоу Стивен Вайнберг (и независимо от него Абдус Салам).

Вайнберг получил степень бакалавра в Корнеллском университете в 1954 году, поступил в аспирантуру в институте Нильса Бора в Копенгагене и вернулся, чтобы закончить докторскую диссертацию в Принстонском университете в 1957-м. Он закончил постдокторантуру в Колумбийском университете Нью-Йорка и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии, а затем получил место профессора в Университете Беркли. Он взял отпуск, чтобы читать лекции в Гарварде в 1966 году, а на следующий год его пригласили преподавать в МИТ.

Следующие несколько лет Вайнберг работал над следствиями спонтанного нарушения симметрии в сильных взаимодействиях, описываемых теорией поля SU(2) × SU(2). Как обнаружили Намбу и Йона-Лазинио за несколько лет до того, в результате нарушения симметрии протоны и нейтроны приобретают массу. Вайнберг считал, что образованные таким образом бозоны Намбу – Голдстоуна могут быть аппроксимированы как пионы. В то время это казалось разумным, и Вайнберг, даже не думая вторгаться в теорему Голдстоуна, с радостью встретил предсказанные новые частицы.

Но потом Вайнберг понял, что такой подход ни к чему не приведет. И в тот момент ему пришла в голову еще одна идея[70]:

«В какой-то момент осени 1967 года, по-моему, когда я ехал к себе в МИТ, мне пришло в голову, что я все время применял верные идеи к неверным задачам».

Вайнберг применял механизм Хиггса к сильному взаимодействию. Теперь он понял, что математические структуры, которые он пытался применять к сильным взаимодействиям, именно те, что требуются для решения проблем со слабыми взаимодействиями и проистекающими из них массивными бозонами. «Боже мой, – воскликнул он про себя, – это же решение для слабого взаимодействия!»[71]

Вайнберг хорошо понимал, что если массы частиц W+, W— и Z0 добавить вручную, как в теории Глэшоу для электрослабого поля SU(2) × U(1), тогда результат нельзя будет перенормировать. Тогда он задумался, не сможет ли нарушение симметрии при помощи механизма Хиггса сообщать массу частицам, устранить ненужные бозоны Намбу – Голдстоуна и выдвинуть теорию, которую в принципе можно было бы перенормировать.

Оставалась проблема слабых нейтральных токов – взаимодействий с нейтральными частицами Z0, которые все еще не были подтверждены экспериментально. Он решил совсем не касаться этой проблемы, ограничив теорию лептонами – электронами, мюонами и нейтрино. Он стал остерегаться адронов, частиц, участвующих в сильном взаимодействии, и особенно странных частиц, принципиальной основы для экспериментального исследования слабого взаимодействия.

Модель, состоящая из одних лептонов, по-прежнему предсказывала нейтральные токи, но в ней они должны были включать нейтрино. Прежде всего, нейтрино оказалось довольно трудно найти экспериментально, и Вайнберг, может быть, решил, что экспериментальное обнаружение нейтральных токов слабого взаимодействия с участием этих частиц будет представлять настолько непреодолимые трудности, что их можно предсказывать, особенно ничего не опасаясь.

Вайнберг опубликовал статью с изложением единой электрослабой теории для лептонов в ноябре 1967 года. Это была теория поля SU(2) × U(1), сведенная к симметрии обычного электромагнетизма U(1) спонтанным нарушением симметрии, что сообщило массу частицам W+, W— и Z0 и в то же время оставило фотон безмассовым. По его оценке шкалы масс для бозонов слабого взаимодействия, W±-частицы были примерно в 85 раз массивнее протона, Z0-частицы примерно в 96 раз. Он не смог доказать, что теорию в принципе можно перенормировать, но был уверен в этом.

В 1964 году Хиггс говорил о возможности существования бозона Хиггса, но это не было связано с какой-либо конкретной силой или теорией. Вайнберг счел нужным ввести в свою электрослабую теорию поле Хиггса с четырьмя компонентами. Три из них сообщают массу частицам W+, W— и Z0. Четвертый выглядит классической частицей – это бозон Хиггса. То, что раньше было математической возможностью, стало предсказанием. Вайнберг даже оценил силу связи между бозоном Хиггса и электроном. Бозон Хиггса сделал решающий шаг к тому, чтобы стать «настоящей» частицей.

В Великобритании Абдуса Салама с механизмом Хиггса познакомил Том Киббл. Он уже работал над электрослабой теорией поля SU(2) × U(1) и сразу же увидел те возможности, которые давало спонтанное нарушение симметрии. Прочитав препринт статьи Вайнберга, где теория применялась к лептонам, он понял, что они с Вайнбергом независимо пришли к одной и той же модели. Он решил не публиковать свою статью, пока не найдет возможность вставить в нее адроны. Но, как ни пытался, он не мог обойти проблему слабых нейтральных токов.

Вайнберг и Салам считали, что теория поддается перенормировке, но ни один не мог этого доказать. Кроме того, они не могли предсказать массу бозона Хиггса.

Теория не вызвала никакого ажиотажа. Если кто и обратил на нее внимание, то отнесся к ней критично. Проблема массы устранена за счет какого-то фокуса с дымом и зеркалами с участием гипотетического поля, для которого нужен был еще один гипотетический бозон. Такое ощущение, что теоретики, занимавшиеся квантовыми полями, все играли в свои игры с полями и частицами по невразумительным правилам, которые понимали лишь немногие.

Ученые, занимавшиеся физикой частиц, просто проигнорировали их и продолжали заниматься своей наукой.

Глава, в которой Герард ’т Хоофт доказывает, что теорию Янга – Миллса можно перенормировать, а Марри Гелл-Манн и Харальд Фрицш разрабатывают теорию сильного взаимодействия на основе цветных кварков

Помимо абсурдных дробных зарядов, у кварковой модели была еще одна большая проблема. Поскольку из кварков состоят такие материальные частицы, как протоны и нейтроны, они должны быть фермионами с полуцелыми спинами. Иными словами, в соответствии с принципом Паули адроны не могли иметь в себе более одного кварка в каждом из возможных квантовых состояний.

Однако кварковая модель утверждала, что протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего. Это было все равно что сказать, будто атомная орбиталь содержит два электрона с верхним спином и один электрон с нижним. Этого просто не может быть. Свойства симметрии волновой функции электрона запрещают это. Может быть только два электрона, один с верхним спином, другой с нижним. Для третьего нет места. Кроме того, если кварки – фермионы, тогда в протоне не может быть места для двух верхних кварков.