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.

---

«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.

Глэшоу решил принять предложение Гелл-Манна и поработать с ним в Калтехе. Вскоре после его возвращения из Парижа два физика вместе стали искать решение. Но только после случайного разговора с математиком Калтеха Ричардом Блоком Гелл-Манн обнаружил, что группа Ли SU(3) как раз и предлагает ту схему, которую он искал. В Париже он бросил поиск в тот самый момент, когда чуть было не нашел ее сам.

Самое простое или так называемое неприводимое представление SU(3) – это фундаментальный триплет. Другие теоретики фактически пытались сконструировать модель на основе группы симметрии SU(3) и использовали протон, нейтрон и лямбда-частицу в фундаментальном представлении. Гелл-Манн уже пробовал это и не хотел возвращаться к пройденному. Он просто пропустил фундаментальное представление и обратил внимание на другое.

Одно из представлений SU(3) включает в себя восемь измерений. «Поворот» частицы в одном измерении преобразует ее в частицу в другом измерении, так же как «поворот» изоспина нейтрона в группе симметрии SU(2) превращает его в протон. Если бы Гелл-Манну каким-то образом удалось поместить частицу во всех измерениях, тогда, может быть, он смог бы подойти к пониманию их фундаментальных отношений. Это же не могло быть простым совпадением, что существует восемь барионов: протон, нейтрон, лямбда, три сигма– и две кси-частицы?

Эти частицы различались величинами электрического заряда, изоспина и странности. Если нанести странность на график в сравнении с зарядом или изоспином, появится шестиугольная схема с частицей в каждой вершине и двумя частицами в центре (см. рис. 10). Схема требовала включения протона, нейтрона и лямбды, и Гелл-Манн, вероятно, считал оправданным свое решение не относить их к фундаментальному представлению.

Рис. 10

Восьмеричный путь. Гелл-Манн обнаружил, что может вставить барионы, а именно нейтрон (n) и протон (p), и мезоны в два октетных представления группы глобальной симметрии SU(3). Но в представлении с мезонами было только семь частиц. Не хватало одной частицы, мезонного эквивалента Λ0. Эту частицу обнаружил через несколько месяцев Луис Альварес и его команда из Университета Беркли. Ее назвали «эта», η

Когда Гелл-Манн аналогичным образом рассмотрел мезоны, он обнаружил, что должен включить в схему анти-K0, но ему все равно не хватало одной частицы. Не хватало мезонного эквивалента лямбды. Ободренный, он подумал, что должен существовать восьмой мезон с нулевым зарядом и нулевой странностью.

Гелл-Манн обнаружил порядок в двух октетах частиц, основанных на восьмиразмерном представлении глобальной группы симметрии SU(3). Он назвал его восьмеричным путем, в шутку намекая на учение Будды о восьми ступенях к нирване[50]. Он закончил работать над восьмеричным путем в Рождество 1960 года и опубликовал препринт в Калтехе в начале 1961 года. Частицу, которую он предсказал и которая должна была дополнить мезонный октет, обнаружил несколько месяцев спустя американский физик Луис Альварес со своей командой из калифорнийского университета Беркли. Они назвали новую частицу «эта», η.

Гелл-Манн работал в одиночку, но он был не единственным теоретиком, который искал порядок. Юваль Неэман последним вошел в пантеон теоретической физики. Если Гелл-Манн поступил в Йель в нежном возрасте 15 лет, то Неэман, родившийся в Тель-Авиве, поступил в Хагану, подпольную еврейскую организацию в Палестине во время британского мандата. Он командовал пехотным батальоном во время арабо-израильской войны 1948 года и возглавлял отдел планирования Армии обороны Израиля.

Он уже дослужился до полковника, когда решил попробовать получить докторскую степень по физике. Моше Даян, тогда глава Генштаба, согласился назначить его военным атташе в посольство Израиля в Лондоне. Даян посчитал, что Неэман может учиться в аспирантуре в свободное время.

Сначала Неэман собирался изучать теорию относительности в Кингс-колледже в Лондоне, но он быстро понял, что из-за пробок на дорогах не успевает вовремя добраться туда из посольства в Кенсингтоне к началу лекций и семинаров. Тогда он перешел в Имперский колледж и переключился на физику частиц. В Имперском колледже его направили к пакистанскому теоретику Абдусу Саламу.

Неэман работал по вечерам и выходным. Он начал искать группы симметрии, которые могли бы вместить в себя известные частицы, и нашел пять кандидатов, в том числе SU(3). Неэмана увлекли большие перспективы, которые предоставляла группа симметрии, изображаемая в виде звезды Давида, и в конце концов он остановился на SU(3). В июле 1961 года он опубликовал собственную версию восьмеричного пути.

Сначала Салам был настроен скептически, но, когда на его столе оказался черновик статьи Гелл-Манна, он сразу перестал сомневаться. Хотя у Гелл-Манна была небольшая фора, он уговорил Неэмана печататься (на самом деле статья Неэмана первой вышла в физическом журнале). Но он не испытывал разочарования. Напротив, он чувствовал приятное возбуждение, оказавшись в такой хорошей компании.

Неэман и Гелл-Манн посетили конференцию по физике элементарных частиц в июне 1962 года, которую проводила Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Женеве. Они оба внимательно выслушали доклады о новых, недавно открытых частицах, триплете частиц, которые позднее стали называться Σ* (сигма), со странностью –1, и дублете частиц Ξ* (кси) со странностью –2.

Неэман сразу же увидел, что эти частицы относятся к другому представлению SU(3), состоящему из десяти измерений. Ему понадобился один миг, чтобы понять, что из десяти частиц представления девять уже найдены. Чтобы завершить схему, нужна была отрицательно заряженная частица со странностью –3.

Он поднял руку, прося слова, но Гелл-Манн сделал то же умозаключение и сидел ближе к переднему ряду. Поэтому именно Гелл-Манн встал и предсказал существование частицы, которую позднее назвали омегой. Она была открыта в январе 1964 года.

Схема в конце концов сложилась, но как насчет лежащего в ее основе объяснения?

4 Верные идеи для неверных задач

Глава, в которой Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг изобретают кварки, а Стивен Вайнберг и Абдус Салам используют механизм Хиггса для сообщения массы W– и Z-частицам (наконец-то!)

Ёитиро Намбу, американский физик японского происхождения, был глубоко обеспокоен.

Намбу изучал физику в Токийском имперском университете и закончил его в 1942 году. Физика элементарных частиц привлекла его благодаря славе Ёсио Нисины, Синъитиро Томонаги и Хидэки Юкавы, основателей японской физики частиц. Но в Токио не было крупного физика, работавшего в этой области, поэтому он стал заниматься физикой твердого тела.

В 1949 году Намбу переехал из Токио в Осаку, чтобы занять место профессора в тамошнем университете. Три года спустя его пригласили в Институт перспективных исследований в Принстоне. Он перебрался в Чикагский университет в 1954-м и четыре года спустя стал там профессором.

В 1956 году он посетил семинар, который проводил Джон Шриффер по новой теории сверхпроводимости, разработанной им вместе с Джоном Бардином и Леоном Купером. Это было элегантное применение квантовой теории для объяснения, почему некоторые кристаллические материалы при охлаждении ниже критической температуры теряют электрическое сопротивление и становятся сверхпроводниками.

Одноименные заряды отталкиваются. Однако электроны в сверхпроводниках испытывают слабое взаимное притяжение. Дело в том, что свободный электрон, проходящий близко от положительно заряженного иона в кристаллической решетке, слегка притягивает ион, который отклоняется от своего положения, искажая решетку. Электрон движется дальше, но искаженная решетка продолжает вибрировать взад-вперед. Эта вибрация производит небольшой дополнительный положительный заряд, который притягивает второй электрон.

В итоге суть этого взаимодействия в том, что пара электронов (называемая куперовской парой) с противоположным спином и импульсом совместно движется по решетке и вибрация решетки содействует их движению. Если помните, электроны являются фермионами и, как таковые, не могут занимать одно и то же квантовое состояние в соответствии с принципом Паули. Куперовские пары, напротив, ведут себя как бозоны, которые не подчиняются этому ограничению. Количество пар, которые могут занимать квантовое состояние, неограниченно, и при низких температурах они могут «конденсироваться», скапливаясь в одном состоянии и приобретая макроскопические размеры[51]. Куперовские пары в этом состоянии не испытывают сопротивления, двигаясь по решетке, и в результате возникает сверхпроводимость.