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.

---

Тяжелые W-частицы, которые Швингер гипотетически предположил, должны были переносить электрический заряд. Как вскоре понял Глэшоу, этот простой факт означал, что на самом деле невозможно отделить теорию слабого взаимодействия от теории электромагнетизма. «Мы должны предположить, – писал он в приложении к докторской диссертации, – что удовлетворительная теория этих взаимодействий может быть создана, только если рассматривать их вместе»[46].

Глэшоу обратился к той же квантовой теории поля SU(2), разработанной Янгом и Миллсом, приняв на веру утверждение Швингера, что три частицы слабого взаимодействия – это две тяжелые W-частицы и фотон. Какое-то время он считал, что ему удалось разработать объединенную теорию слабого и электромагнитного взаимодействия. Больше того, он думал, что его теорию можно перенормировать.

Однако на самом деле он допустил ряд ошибок. Когда они обнаружились, он понял, что теория слишком много требует от фотона. Он решил увеличить симметрию, перемножив калибровочное поле Янга – Миллса SU(2) с калибровочным полем электромагнетизма U(1), что записывается в виде SU(2) × U(1). Он получил не полностью объединенное электрослабое взаимодействие, а скорее их «смесь», но у нее то преимущество, что она освободила фотон от необходимости отвечать за слабое взаимодействие.

Теории все еще требовался нейтральный переносчик слабого взаимодействия. У Глэшоу было уже три массивных частицы слабого взаимодействия, эквивалентных триплету B-частиц, впервые введенных Янгом и Миллсом. Это были W+, W— и Z0[47].

В марте 1960 года Глэшоу читал лекции в Париже. Там он столкнулся с Гелл-Манном, который взял академический отпуск в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) и преподавал в Коллеж де Франс приглашенным профессором. Как-то за обедом Глэшоу описал ему свою теорию SU(2) × U(1). Гелл-Манн предложил ему поддержку. «То, что вы делаете, – это хорошо, – сказал ему Гелл-Манн, – но в этом никто ничего не поймет»[48].

Понял кто-нибудь что-нибудь или нет, но физическое сообщество в основном не впечатлилось теорией Глэшоу. Как открыли Янг и Миллс, теория поля SU(2) × U(1) предсказывала, что переносчики слабого взаимодействия должны быть безмассовыми, как фотон. Если массы вставлялись в уравнения «вручную», это всегда приводило к тому, что теория оставалась неренормируемой. Глэшоу, как раньше Янг и Миллс, не смог решить, каким образом частицы поля приобретают массу.

Но на этом затруднения не закончились. Взаимодействия элементарных частиц включают распад одной или более частиц или их реакцию друг с другом, в результате чего возникают новые частицы. Когда в этих взаимодействиях участвуют заряженные частицы-посредники, их реакции называются заряженными токами, так как заряд в них «течет» от начальной к конечной частице. Физики ждали, что нейтральный переносчик взаимодействия Z0 проявит себя экспериментально в виде взаимодействий, не влекущих изменения заряда, которые называются нейтральными токами. Никаких свидетельств каких-либо подобных токов не нашлось в распаде странных частиц, который к тому времени стал главным способом получения данных о слабых взаимодействиях для ученых, занимающихся физикой частиц.

Глэшоу махал руками. Он утверждал, что Z0 просто настолько массивнее заряженных W-частиц, что взаимодействия с участием Z0 недоступны для наблюдения в экспериментах. Экспериментаторы его не поддержали.

Марри Гелл-Манн родился в Нью-Йорке в 1929 году. Будучи вундеркиндом, поступил в Йельский университет в возрасте всего 15 лет и учился на бакалавра. Докторскую степень он получил в Массачусетском институте технологий (МИТ) в 1951 году, когда ему было всего двадцать один. Он недолго проработал в Институте перспективных исследований в Принстоне, а затем перебрался сначала в Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне, затем в Колумбийский университет в Нью-Йорке и потом в Чикагский университет, где работал с Ферми и размышлял над свойствами странных частиц.

В 1955 году он стал профессором в Калтехе, где вместе с Фейнманом работал над теорией слабого ядерного взаимодействия. Также он обратил внимание на проблему классификации множества элементарных частиц, открытых к тому времени. Среди них прослеживались небольшие группы – то есть некоторые частицы, например, явно принадлежали к одним и тем же видам, – но отдельные группы не складывались вместе и не давали связной картины.

В физике частиц на тот момент уже была введена таксономия, которая хоть как-то упорядочивала этот «зоопарк». Частицы разделялись на два главных класса: адроны (от греческого hadros, что значит «толстый» или «тяжелый») и лептоны (от греческого leptos, что значит «маленький»).

Класс адронов включает подкласс барионов (от греческого barys, что также означает «тяжелый»). Это более тяжелые частицы, которые испытывают сильное ядерное взаимодействие, к ним относится протон (p), нейтрон (n), лямбда (Λ0) и еще два ряда частиц, открытых в 1950-х и названных сигма– (Σ+, Σ0и Σ—) и кси-частицами (Ξ0, Ξ—). Класс адронов также включает подкласс мезонов (от греческого mesos, что значит «средний»). Эти частицы испытывают сильное взаимодействие, но имеют промежуточную массу, например пионы (π+, π0, π—) и каоны (K+, K0 и K—).

Класс лептонов включает электрон (e—), мюон (m—) и нейтрино (ν). Это легкие частицы, на которые не действует сильное ядерное взаимодействие. Барионы и лептоны являются фермионами, они названы в честь Энрико Ферми. У них полуцелые спины. Все перечисленные барионы и лептоны имеют спин 1/2 и потому могут иметь две спиновые ориентации, которые записываются в виде +1/2 (спин вверх) и —1/2 (спин вниз). Фермионы подчиняются принципу Паули.

Вне класса адронов и лептонов находится фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия. Фотон является бозоном, это название образовано от фамилии индийского физика Шатьендраната Бозе. У бозонов целый спин, они не подчиняются принципу Паули. Другие переносчики взаимодействий, например гипотетические частицы W+, W— и Z0, как ожидалось, бозоны с целыми спинами. Бозоны с нулевыми спинами также возможны, но это не силовые частицы. Мезоны – пример бозонов с нулевым спином. Классификация частиц, известных около 1960 года, вкратце изображена на рис. 9.

Рис. 9

Классификация частиц, известных физикам около 1960 г. Это адроны (барионы и мезоны) и лептоны. Вне классификации фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия

Ясно, что во всей этой неразберихе должна быть какая-то система вроде периодической таблицы Менделеева, но для частиц. Вопрос заключался в том, что это за система и что лежит в ее основе.

Сначала Гелл-Манн пытался составить систему из фундаментального триплета частиц, в который входит протон, нейтрон и лямбда-частица, используя их в качестве материала для строительства всех остальных адронов. Но вышла страшная путаница. Ему так и не удалось разобраться, почему эти частицы должны считаться более «фундаментальными», чем другие. Гелл-Манн понял, что стал искать причину, объясняющую схему, прежде чем нашел саму схему. Это было все равно что пытаться установить составные части химических элементов, не разобравшись сначала, какое положение каждый элемент занимает в периодической таблице.

Гелл-Манн считал, что основой для системы могла бы стать глобальная группа симметрии, такой способ организации частиц, при которой раскрылась бы схема их взаимоотношений. На том этапе он лишь искал способ по-новому классифицировать частицы, а не пытался развить теорию Янга – Миллса, для которой требовалась локальная симметрия.

Гелл-Манн знал, что ему нужна более крупная непрерывная группа симметрии, чем U(1) и SU(2), чтобы уместить в ней диапазон и разнообразие известных на тот момент частиц, но он был не уверен, с чего начать. В то время он преподавал в парижском Коллеж де Франс в качестве приглашенного профессора. Наверное, неудивительно, что приличный объем хорошего французского вина, выпитого за обедом с его парижскими коллегами, не помог ему сразу же увидеть путь к решению.

Поэтому приезд Глэшоу в Париж в марте 1960 года подвиг его не просто выразить одобрение. Гелл-Манна заинтриговала его теория SU(2) × U(1). Он начал понимать, каким образом можно расширить группу симметрии на более высокие размерности. Вдохновленный, он стал пробовать теории все с большими и большими размерностями. Он пробовал три, четыре, пять, шесть и семь измерений, пытаясь найти структуру, которая не соответствовала произведению SU(2) и U(1).

«И тогда я сказал: «Все, хватит!» У меня уже не осталось сил после всего выпитого вина пробовать еще и восемь измерений»[49].

Видимо, вино не способствовало и разговору. Коллеги, с которыми Гелл-Манн выпивал за обедом, были математиками и могли решить его проблему в два счета. Но он ее с ними так и не обсудил.