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

Потребовалось некоторое время, чтобы идеи ’т Хоофта и Вельтмана проникли в сознание их коллег, а новые методы, разработанные ’т Хоофтом, получили общее признание, но уже через год или около того физики согласились, что теория, предложенная Вайнбергом, а позже Саламом, имеет смысл. Цитирование статьи Вайнберга внезапно стало экспоненциально расти. Однако «имеет смысл» и «верна» – две разные вещи. Неужели природа действительно воспользовалась той самой теорией, что предложили Глэшоу, Вайнберг и Салам?

Довольно долго этот ключевой вопрос оставался открытым, и некоторое время даже казалось, что ответ должен быть «нет».

Важным нововведением этой теории было требование существования новой нейтральной частицы Z помимо заряженных частиц, предложенных несколькими годами ранее Швингером и другими и необходимых для превращения нейтронов в протоны, а электронов в нейтрино. Оно означало, что должен существовать еще один тип слабого взаимодействия, не только для электронов и нейтрино, но и для протонов и нейтронов, передаваемый путем обмена этими новыми нейтральными частицами. В данном случае, как и в электромагнетизме, тип взаимодействующих частиц меняться не должен. Такие взаимодействия получили известность как взаимодействия посредством нейтральных токов, и очевидным способом проверки данной теории был поиск таких взаимодействий. А искать их лучше всего было в поведении тех единственных в природе частиц, которые чувствуют только слабое взаимодействие, а именно нейтрино.

Возможно, вы помните, что предсказание нейтральных токов было одной из причин, по которым не сработала гипотеза, предложенная Глэшоу в 1961 г. Но модель Глэшоу не была полноценной теорией. Массы частиц просто вставлялись в уравнения вручную, а потому контролировать квантовые поправки было невозможно. Однако, когда Вайнберг и Салам предложили свою модель для электрослабого объединения, уже имелись все необходимые для детальных предсказаний элементы. Масса Z-частицы была предсказана и, как показал ’т Хоофт, появилась возможность надежно рассчитать все квантовые поправки, в точности так, как это делалось для квантовой электродинамики.

Это было и хорошо и плохо, потому что не оставалось никакого места для маневра на случай каких-либо расхождений с данными наблюдений. И в 1967 г. такие расхождения действительно обнаружились. При высокоэнергетических столкновениях нейтрино с протонами не наблюдалось никаких нейтральных токов, хотя верхний предел устанавливался на уровне примерно десяти процентов от частоты более знакомых слабых взаимодействий нейтрино и протонов со сменой знака, таких как нейтронный распад. Перспективы смотрелись печально, и большинство физиков пришли к выводу, что слабых нейтральных токов не существует.

Вайнберг, лично заинтересованный в успехе этого квеста, в 1971 г. разумно заявил, что пространство для маневра все же есть. Но большинство остальных членов сообщества с такой позицией не согласились.

В начале 1970-х гг. в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) были проведены новые эксперименты на протонном ускорителе, в которых протонами высоких энергий бомбардировали длинную мишень. Большинство частиц, получившихся при столкновении, поглощались мишенью, но нейтрино вылетали с другого конца – их способность к взаимодействию настолько слаба, что они могли пройти мишень насквозь без поглощения. Получившийся пучок энергичных нейтрино затем попадал в размещенный на его пути детектор, способный зарегистрировать те немногочисленные события, в которых нейтрино взаимодействовали с веществом детектора.

Был построен новый громадный детектор, получивший название «Гаргамель» в честь великанши – матери Гаргантюа из романа французского писателя Рабле. Эта «пузырьковая камера» размером пять на два метра была наполнена перегретой жидкостью, в которой при прохождении энергичных заряженных частиц оставался след из пузырьков, чем-то напоминающий туманный след невидимого самолета высоко в небе.

Интересно, что, когда экспериментаторы, построившие «Гаргамель», встретились в 1968 г., чтобы обсудить планы экспериментов с нейтрино, идея поиска нейтральных токов даже не упоминалась – ясное свидетельство того, что многие физики считали этот вопрос решенным. Гораздо больший интерес для них представляла возможность развить полученные незадолго до того неожиданные результаты экспериментов на Стэнфордском линейном ускорителе SLAC, где электроны высоких энергий использовались как зонды для исследования строения протонов. Использование в этом качестве нейтрино могло повысить точность измерений, поскольку нейтрино не заряжены.

Однако после результатов ’т Хоофта и Вельтмана, в 1972 г., экспериментаторы начали всерьез воспринимать описание слабого взаимодействия, данное калибровочной теорией, и в первую очередь гипотезой Глэшоу – Вайнберга – Салама. А значит, пора было заняться поисками нейтральных токов. У группы, работавшей с детектором «Гаргамель», в принципе было все необходимое для этого, хотя сам детектор конструировался не для этой задачи.

Большинство энергичных нейтрино в пучке при взаимодействии с протонами мишени должны были превращаться в мюоны – более тяжелые аналоги электронов. Эти мюоны вылетали из мишени, оставляя за собой длинный след, характерный для заряженной частицы, до самой кромки детектора. Протоны превращались в нейтроны, которые сами по себе не оставляют следов, но, сталкиваясь с ядрами, порождают короткий «ливень» заряженных частиц, оставляющих следы. Таким образом, эксперимент был нацелен на регистрацию мюонных следов с сопутствующим коротким ливнем заряженных частиц; они регистрировались как отдельные сигналы, говорящие в то же время об одном акте слабого взаимодействия.

Однако иногда нейтрино, провзаимодействовав с веществом вне детектора, порождало нейтрон, который, влетев в детектор, мог вступить там во взаимодействие. Такие события должны были оставлять след в виде одного только ливня сильно взаимодействующих частиц, порожденного нейтроном, без сопутствующего ему мюонного следа.

Когда на детекторе «Гаргамель» начался поиск нейтральных токов, внимание ученых сосредоточилось именно на таких изолированных каскадах заряженных частиц без сопутствующего им мюона. В событиях, связанных с нейтральными токами, нейтрино, взаимодействующее с нейтроном или протоном в детекторе, не превращается в заряженный мюон, но просто упруго отскакивает и уходит за пределы детектора, не оставив следа. Наблюдать при этом можно только каскад частиц отдачи – ту же сигнатуру, что остается после более обычных нейтринных взаимодействий вне детектора, порождающих нейтроны, которые попадают в детектор и порождают ливень ядерных частиц.

Таким образом, задачей эксперимента, если ставить целью однозначное обнаружение нейтральных токов, было отличить события, порождаемые нейтрино, от аналогичных событий, порождаемых нейтронами. (Эта же задача представляет главную сложность для экспериментаторов при поиске любых частиц, вступающих в слабые взаимодействия, включая и гипотетические частицы темного вещества, поиск которых сегодня идет в подземных детекторах по всему миру.)

Первый единичный электрон отдачи без каких бы то ни было сопутствующих ему следов заряженных частиц в детекторе удалось пронаблюдать в 1973 г. Такой электрон мог возникнуть в результате более редкого, но предсказанного для нейтральных токов столкновения нейтрино с электроном вместо протона или нейтрона. Вообще-то единичного события недостаточно, чтобы с определенностью заявить о новом открытии в физике элементарных частиц. Однако этот результат дал надежду, и к марту 1973 г. тщательный анализ нейтронного фона и наблюдавшихся изолированных ливней частиц, похоже, уже подтверждал, что нейтральные токи слабого взаимодействия действительно существуют. Тем не менее только к июлю 1973 г. исследователи в ЦЕРН выполнили все необходимые проверки, чтобы уверенно заявить о регистрации нейтральных токов, что они и сделали в августе на конференции в Бонне.