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

Эта проблема встала вскоре после публикации первой статьи Гелл-Манна о кварках. Физик Оскар Гринберг в 1964 году высказал предположение, что кварки на самом деле могут быть парафермионами, то есть фактически что кварки различаются и другими степенями свободы, помимо той, которая определяется квантовыми числами: верхним, нижним и странным. В итоге это дает несколько видов, например верхних кварков. Если два верхних кварка относятся к разным видам, они спокойно могут уживаться друг рядом с другом в протоне, не занимая при этом одно и то же квантовое состояние.

Но и к этой модели тоже возникли вопросы. Решение Гринберга открыло путь для того, чтобы барионы вели себя как бозоны и скапливались в одном квантовом состоянии до макроскопических размеров, подобно лазерному лучу. Это было просто недопустимо.

Ёитиро Намбу рассматривал аналогичную систему и предположил, что, может быть, существует сначала два, а потом и три разных вида верхних, нижних и странных кварков. Молодой выпускник Сиракузского университета в Нью-Йорке кореец по рождению Хан Мо Ён написал ему в 1965 году, развив эту мысль. Вместе они написали статью, которая вышла в свет чуть позже в том же году.

Однако это было не просто расширение кварковой теории Гелл-Манна. Хан и Намбу ввели новый вид заряда кварка, отличного от электрического. Два верхних кварка в протоне отныне отличались кварковыми зарядами, тем самым устранялось противоречие с принципом Паули. Они рассуждали так, что сила, удерживающая кварки внутри более крупных нуклонов, основана на локальной симметрии SU(3), которую не надо путать с глобальной симметрией SU(3), лежащей в основе восьмеричного пути.

Кроме того, они решили воспользоваться этой возможностью, чтобы убрать из кварковой теории дробные электрические заряды и ввести вместо них перекрывающиеся SU(3) – триплеты с электрическими зарядами +1, 0 и –1 наряду с зарядом кварка.

На это мало кто обратил внимание. Хан и Намбу сделали важный шаг к окончательному решению, но мир еще был к нему не готов.

В 1970 году Глэшоу наконец-то вернулся к проблемам своей теории электрослабого поля SU(2) × U(1) вместе с двумя коллегами: греческим физиком Иоаннисом Илиопулосом и итальянцем Лучано Майани. Глэшоу впервые познакомился с Илиопулосом в ЦЕРНе и был впечатлен его попытками найти способ перенормировки теории поля для слабого взаимодействия. Майани приехал в Гарвард, имея некоторые любопытные мысли о слабом взаимодействии. Все трое поняли, что их интересы совпали.

В тот момент никто из них еще не знал о статье Вайнберга 1967 года, где спонтанное нарушение симметрии и механизм Хиггса применялись в электрослабой теории лептонов.

Глэшоу, Илиопулос и Майани снова как следует взялись за теорию. Добавление в уравнения масс W+-, W—– и Z0-частиц вручную приводило к неуправляемым расхождениям, из-за которых теория не поддавалась перенормировке. Вдобавок оставалась проблема слабых нейтральных токов. Например, теория предсказывала, что нейтральный каон должен распадаться с испусканием Z0-бозона, меняя в процессе странность частицы и производя два мюона – слабый нейтральный ток. Однако какие-либо экспериментальные данные о таком распаде попросту отсутствовали. Вместо полного отказа от Z0-частицы физики попытались выяснить, почему может отсутствовать та форма распада.

Мюонное нейтрино было открыто в 1962 году, став четвертым лептоном наряду с электроном, электронным нейтрино и мюоном. Физики стали работать с моделью из четырех лептонов и трех кварков, для начала добавив еще несколько лептонов. Но в 1964 году Глэшоу опубликовал статью, где говорил о возможном существовании четвертого кварка, который он назвал очарованным кварком (c-квар ком, от charm quark). В этом как будто было больше смысла. Природа явно потребует, чтобы количество лептонов соответствовало количеству кварков. Модель из четырех лептонов и четырех кварков отличалась гораздо более приятной симметрией.

Теоретики добавили в винегрет четвертый кварк, тяжелый вариант верхнего кварка с зарядом +2/3. И поняли, что таким образом они отключили слабые нейтральные токи.

Слабые нейтральные токи могли возникать из-за распада с участием Z0-частиц и более сложного распада с испусканием частиц W+ и W—. В обоих случаях конечный результат один и тот же – два противоположно заряженных мюона, m— и m+. Второй вариант распада показан на рис. 15, а. Там нейтральный каон (изображенный в виде сочетания нижнего кварка и странного антикварка) испускает виртуальную частицу W—, а нижний кварк (с зарядом —1/3) трансформируется в верхний кварк (с зарядом +2/3). Виртуальная частица W— распадается на мюон и мюонное антинейтрино.

Можно подумать, что получившийся в результате верхний кварк испускает виртуальную частицу W+, превращаясь в странный кварк. Частица W+ распадается на положительно заряженный мюон и мюонное нейтрино. Это называется однопетлевым вкладом в итоговый результат, который подразумевает распад нейтрального каона на положительно и отрицательно заряженные мюоны.

В принципе не было причин, почему этот вариант нейтрального тока нельзя было наблюдать. Однако обычные формы распада нейтральных каонов дают пионы, а не мюоны. Каким-то образом путь распада не доходил до мюонов. Глэшоу, Илиопулос и Майани поняли, что аналогичный путь распада с участием очарованного кварка решит вопрос – см. рис. 15, b. Разница в знаках у этих двух возможных путей распада означала, что они виртуально компенсируют друг друга. Нейтральный каон, как кролик, выхваченный на шоссе светом автомобильных фар, не может сообразить, в какую сторону прыгнуть, пока не будет уже слишком поздно.

Рис. 15

(a) Нейтральный каон через сложный механизм распадается на два мюона с испусканием частиц W— и W+. Общий заряд не изменяется, таким образом, это слабый нейтральный ток. (b) Путь распада в части (a) компенсируется этим альтернативным путем распада с участием очарованного кварка (обозначенного здесь буквой с)

Это было красивое решение. Каоны, главная площадка для экспериментального исследования слабого взаимодействия, должны давать слабые нейтральные токи, но этого почти никогда не происходило из-за альтернативных форм распада с участием очарованного кварка.

Взволнованные своим открытием, физики запрыгнули в машину и отправились в МИТ к американскому физику Фрэнсису Лоу, который тоже работал над этой проблемой. К ним присоединился Вайнберг, и они вместе спорили о плюсах и минусах этого нового механизма Глэшоу – Илиопулоса – Майани (ГИМ).

Однако случилось обычное недопонимание.

Почти все ингредиенты для объединенной теории слабого и электромагнитного взаимодействий уже были готовы у теоретиков, собравшихся в кабинете Лоу. Вайнберг догадался, как применить спонтанное нарушение симметрии с помощью механизма Хиггса в теории лептонного поля SU(2) × U(1), что позволило бы рассчитать массы частиц, а не вводить их вручную. Глэшоу, Илиопулос и Майани нашли потенциальное решение проблемы слабых нейтральных токов при распаде странных частиц, что сулило возможность расширить теорию SU(2) × U(1) на слабые взаимодействия с участием адронов. Но они по-прежнему вводили массы частиц вручную и бились с расхождениями.