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

• Название: Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»
• Автор: Джим Бэгготт
• Жанр: Физика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-227-05450-0

Джим Бэгготт, ученый, писатель, популяризатор науки, в своей книге подробно рассматривает процесс предсказания и открытия новой частицы – бозона Хиггса, попутно освещая такие вопросы фундаментальной физики, как строение материи, происхождение массы и энергии. Автор объясняет, что важность открытия частицы заключается еще и в том, что оно доказывает существование поля Хиггса, благодаря которому безмассовые частицы приобретают массу, что является необходимым условием для возникновения материи. Из книги вы узнаете о развитии физических теорий, начиная с античного понятия об атоме, и техническом прогрессе, позволившем их осуществить, а также историю обнаружения элементарных частиц.

---

Все это звучит очень загадочно, но во многих отношениях изоспин похож на электрический заряд. Наше близкое знакомство с электричеством не должно скрывать тот факт, что это такое же свойство, которое принимает «значения» (а не «ориентацию») в абстрактном «заряженном пространстве» с двумя направлениями – положительным и отрицательным.

Даже в качестве простой аналогии теория Гейзенберга уже была большой натяжкой. Сила химических связей, образованных обменом электронами, гораздо слабее, чем сила, связывающая протоны и нейтроны внутри ядра. Но Гейзенберг смог использовать свою теорию, чтобы применить нерелятивистскую квантовую механику непосредственно к ядру. В ряде публикаций 1932 года он сообщил о многих наблюдениях физики ядра, например относительной стабильности изотопов.

Эксперименты, проведенные всего через несколько лет, показали слабость теории. Поскольку протоны не имеют «приклеенного» электрона, модель электронного обмена Гейзенберга не допускала никакого взаимодействия между протонами. Напротив, эксперименты показали, что сила взаимодействия между протонами сравнима с силой взаимодействия между протонами и нейтронами.

Несмотря на недостатки, модель электронного обмена Гейзенберга содержала по крайней мере долю истины. От обмена электронами пришлось отказаться, но концепция изоспина сохранилась. Что касается сильного взаимодействия, протон и нейтрон, по существу, являются двумя состояниями одной и той же частицы, так же как два электронных спина. Единственная разница между ними – это изоспин.

Отдельные изоспины протонов и нейтронов можно сложить и получить полный изоспин. Эту концепцию впервые ввел физик Юджин Вигнер в 1937 году. Опубликованные работы по ядерным реакциям поддерживали мысль, что полный изоспин сохраняется, так же как сохраняется электрический заряд при физических и химических превращениях. Янг определил изоспин как локальную калибровочную симметрию, фазовую симметрию волновой функции электрона в КЭД, и начал поиск такой квантовой теории поля, в которой бы он сохранялся.

Он быстро увяз в проблемах, но поиск захватил его полностью. «Иногда одержимость в итоге оказывается полезной», – позднее заметил он[30].

Летом 1953 года он взял в Институте перспективных исследований небольшой отпуск и посетил Брукхейвенскую национальную лабораторию в Лонг-Айленде, НьюЙорк. Там он делил кабинет с молодым американским физиком Робертом Миллсом.

Миллса увлекла одержимость Янга, и они вместе стали работать над квантовой теорией поля для сильного ядерного взаимодействия. «У нас не было других, каких-то более актуальных мотивов, – рассказывал несколько лет спустя Миллс. – Мы с ним просто спросили себя: «Вот вещь, которая происходит один раз. Почему не два?»[31]

В КЭД изменения фазы волновой функции электрона в пространстве и времени компенсируются соответствующими изменениями в электромагнитном поле. Поле «отталкивает» таким образом, что фазовая симметрия сохраняется. Но новая квантовая теория поля для сильного взаимодействия должна была учитывать то, что теперь в нем участвуют две частицы. Если изоспиновая симметрия сохраняется, это значит, что сильное взаимодействие не видит разницы между протоном и нейтроном. Следовательно, изменение изоспиновой симметрии за счет, например, «поворота» нейтрона и превращения его в протон требует поля, которое «отталкивает» и таким образом восстанавливает симметрию. Поэтому Янг и Миллс ввели новое поле, которое назвали полем B, предназначенное именно для этой цели.

Простая группа симметрии U(1) недостаточна для такого рода сложности, и Янг и Миллс обратились к группе симметрии SU(2), особой унитарной группе преобразований с двумя комплексными переменными. Более крупная группа потребовалась потому, что нужно учитывать два объекта, которые могут преобразовываться друг в друга.

Кроме того, теория нуждалась в трех новых частицах поля, отвечающих за перенос сильного взаимодействия между протонами и нейтронами внутри ядра, аналогичных фотону в КЭД. Две из трех были нужны, чтобы переносить электрический заряд и отвечать за изменение заряда, происходящее во время протон-нейтронных и нейтрон-протонных взаимодействий. Янг и Миллс назвали эти частицы B+ и B—. Третья частица была нейтральной, как протон, и должна была отвечать за протон-протонные и нейтрон-нейтронные взаимодействия, в которых заряд не изменялся. Ее назвали B0. Они обнаружили, что эти частицы поля взаимодействуют не только с протонами и нейтронами, но также и друг с другом.

К концу лета они выработали решение. Но это было решение с целым набором новых задач.

Во-первых, методы перенормировки, столь успешно использованные в КЭД, были неприменимы к теории поля, которую изобрели Янг и Миллс. Хуже того, член нулевого порядка в разложении возмущения указывал, что частицы поля должны быть безмассовыми, как фотон. Но в этом содержалось внутреннее противоречие. Гейзенберг и японский физик Хидэки Юкава еще в 1935 году предположили, что частицы короткодействующих сил, таких как сильное взаимодействие, должны быть «тяжелыми», то есть это должны быть большие, массивные частицы. Безмассовые частицы поля для сильного взаимодействия не имели никакого смысла.

Янг вернулся в Принстон. 23 февраля 1954 года он провел семинар по проделанной вместе с Миллсом работе. Среди слушателей был Оппенгеймер, а также и Паули, которые перебрались в Принстонский университет в 1940 году.

Оказалось, что Паули раньше уже рассуждал подобным же образом и пришел к таким же противоречивым умозаключениям касательно массы частиц поля. Впоследствии он отказался от этого подхода. Когда Янг записывал на доске свои уравнения, Паули подал голос.

– Какова масса этого поля B? – громко спросил он, предвосхищая ответ.

– Я не знаю, – несколько неуверенно ответил Янг.

– Какова масса этого поля B? – настойчиво повторил Паули.

– Мы думали над этим вопросом, – сказал Янг. – Он очень сложный, и пока мы не можем на него ответить.

– Это слабое оправдание, – проворчал Паули[32].

Растерянный Янг сел, и все почувствовали себя очень неловко.

– По-моему, надо дать Фрэнку продолжить, – сказал Оппенгеймер.

Янг продолжил лекцию. Паули больше не задавал вопросов, но был раздражен. На следующий день он оставил Янгу записку: «Сожалею, что вы почти исключили для меня возможность разговаривать с вами после семинара»[33].

Эта проблема просто никак не решалась. Без массы частица янг-миллсовской теории поля не укладывалась в физические предсказания. Если частицы безмассовые, как предсказывала теория, они должны быть такими же вездесущими, как фотоны, однако таких частиц никто никогда не наблюдал. Обычные методы перенормировки не работали.

И все же это была хорошая теория.

«Идея была красивая, и ее следовало опубликовать, – писал Янг. – Но какова масса калибровочной частицы?

У нас не было никаких уверенных выводов, одно только раздражение из-за того, что [этот] случай оказался гораздо более запутанным, чем электромагнетизм. Исходя из физики, мы склонялись к мнению, что заряженные калибровочные частицы не могут быть безмассовыми»[34].

Янг и Миллс опубликовали доклад с описанием своих результатов в октябре 1954 года. В нем они писали: «Здесь мы подходим к вопросу массы кванта [B], на который у нас нет удовлетворительного ответа»[35].

Пойти дальше они не смогли и занялись другими вопросами.

3 В этом никто ничего не поймет

Глава, в которой Марри Гелл-Манн открывает странность и Восьмеричный путь, Шелдон Глэшоу применяет теорию Янга – Миллса к слабому ядерному взаимодействию, и в этом никто ничего не понимает

Янг и Миллс пытались применить квантовую теорию поля к проблеме сильных взаимодействий в надежде повторить успех КЭД. Но оказалось, что теорию нельзя перенормировать и в итоге получаются безмассовые частицы, хотя они должны иметь массу. Очевидно, теория не могла быть решением для сильного взаимодействия.

А как насчет слабого ядерного взаимодействия?

Слабое взаимодействие представляло собой некую тайну. В начале 1930-х годов итальянскому физику Энрико Ферми пришлось прибегнуть к новому типу ядерного взаимодействия в детальной теории бета-радиоактивности. Он изложил свою теорию коллегам, с которыми проводил лыжный отпуск в Итальянских Альпах в Рождество 1933 года. Его коллега Эмилио Сегре впоследствии рассказал, как это было: «…Мы все сидели на одной кровати в гостиничном номере, и мне никак не сиделось, потому что я насажал синяков, пока падал на ледяной наст. Ферми полностью осознавал, насколько важно его открытие, и сказал, что, по его мнению, его запомнят по этой работе, лучшей до тех пор»[36].

Ферми провел параллель между слабым взаимодействием и электромагнитным. В итоге получилась теория, похожая на теорию электромагнетизма, и он смог вывести диапазон энергий (и, следовательно, скоростей) испускаемых бета-электронов. В 1949 году в Колумбийском университете американский физик китайского происхождения Ву Цзяньсюн провел эксперименты, показавшие, что предсказания Ферми верны. С некоторыми небольшими поправками теория Ферми остается верной и по сей день.