Джим Бэгготт - Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» Страница 18

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.

Глэшоу, Илиопулос и Майани ничего не знали о статье Вайнберга 1967 года, а Вайнберг ничего о ней не сказал. Позднее он признался, что чувствовал какой-то «психологический барьер» по отношению к своей давней работе, особенно в том, что касалось вопроса, поддается ли электрослабая теория перенормировке[72]. Кроме того, предложенный очарованный кварк не вызвал у него особой симпатии. Из идеи Глэшоу, Илиопулоса и Майани вытекала не только одна новая частица, часть большой семьи частиц, возможно, сомнительной актуальности, а совершенно невиданный набор «очарованных» барионов и мезонов. Если очарованный кварк существует, то восьмеричный путь – всего лишь подмножество гораздо более крупного множества со многими очарованными членами.

В это было трудно поверить, только чтобы объяснить отсутствие слабых нейтральных токов при распаде странных частиц. «Конечно, не все поверили, что существуют предсказанные очарованные адроны», – сказал Глэшоу[73].

Дальше нельзя было идти, пока кто-нибудь не показал бы, что электрослабая теория Вайнберга – Салама поддается перенормировке.

Голландский теоретик Мартинус Велтман изучал математику и физику в Утрехтском государственном университете и стал профессором университета в 1966 году. В 1968 году он начал работать над проблемами перенормировки теории полей Янга – Миллса.

Исследования по физике высоких энергий не пользовались в Нидерландах особой популярностью, отчего у занимающихся ею возникало некоторое чувство отчужденности. Но Велтману это подходило, поскольку в таком случае ему не нужно было отстаивать свой выбор немодной темы для исследования.

В начале 1969 года к нему назначили молодого студента Герарда ’т Хоофта, чтобы закончить магистерскую диссертацию. Велтман не стал поручать своему студенту работу над теориями Янга – Миллса, так как посчитал тему слишком рискованной и едва ли способствующей удачному трудоустройству в дальнейшем. Но после успешной защиты диссертации ’т Хоофту предложили остаться в университете, чтобы он смог получить докторскую степень. ’т Хоофт выразил желание и дальше работать с Велт маном.

Велтман по-прежнему считал, что теории Янга – Миллса таят множество опасностей. Ему удалось значительно продвинуться в вопросе перенормировки, но проблема никак не решалась. Однако ’т Хоофт был уверен, что это будет благодатной почвой для его докторской диссертации. Велтман сначала предлагал ему другую тему, но ’т Хоофт стоял на своем.

Казалось, они совсем не подходили друг другу. Велтман был здоровяк без сантиментов, гордый своими успехами, хотя и равнодушный к отсутствию интереса со стороны остальных коллег. ’т Хоофт был некрупного сложения, предпочитал держаться в тени, и за его скромностью скрывался необычно острый ум.

В своей книге 1997 года «В поисках фундаментальных частиц» ’т Хоофт, представляя Велтмана, рассказал один забавный случай. Однажды Велтман вошел в лифт, где уже было много народу. Когда нажали кнопку, раздался сигнал, что лифт перегружен. Все посмотрели на Велтмана, который был довольно крупным человеком и к тому же вошел последним. Кто-то другой на его месте, возможно, смущенно бы извинился и вышел, Велтман ни о чем таком и не подумал. Он знал принцип эквивалентности Эйнштейна, лежащий в основе общей теории относительности: если человек находится в свободном падении, он не испытывает собственного веса. Он понял, что надо делать.

«Когда я скажу «давай», жмите!» – воскликнул он[74].

И тогда он подпрыгнул и крикнул: «Давай!»

Кто-то нажал кнопку, лифт начал подниматься. Когда Велтман приземлился, лифт уже набрал достаточную скорость и не остановился. ’т Хоофт тоже находился в лифте.

Как-то осенью или зимой 1970/71 года Велтман с ’т Хоофтом шли по университетскому кампусу.

– Мне все равно, что и как, – заявил Велтман своему студенту, – но нам нужна хотя бы одна перенормируемая теория с массивными векторными бозонами, и похоже это на природу или нет, не важно, [это все] детали, которые потом доделает какой-нибудь фанатик. В любом случае все возможные модели уже опубликованы[75].

– Это я могу, – тихо сказал ’т Хоофт.

Прекрасно понимая, как трудна проблема и что другие физики – например, Ричард Фейнман – пытались ее решить и не смогли, Велтман очень удивился, услышав ’т Хоофта. Он чуть не врезался в дерево.

– Что-что? – переспросил он.

– Я могу это сделать, – повторил ’т Хоофт.

Велтман так долго бился над проблемой, что ему не верилось, будто у нее может быть такое простое решение, как представлялось ’т Хоофту. Понятно, почему Велтман отнесся к его словам с недоверием.

– Запиши, и посмотрим, – сказал он.

Но летом 1970 года на курсах в Каржезе, корсиканском городке, ’т Хоофт узнал о спонтанном нарушении симметрии. В конце 1970 года он в своей первой статье показал, что теории полей Янга – Миллса с безмассовыми частицами поддаются перенормировке. ’т Хоофт был уверен, что применение спонтанного нарушения симметрии позволит перенормировать и теории Янга – Миллса с массивными частицами.

И вскоре он действительно все записал.

Велтману не понравилось, что ’т Хоофт использовал механизм Хиггса. Его особенно заботило, что наличие фонового поля Хиггса, пронизывающего всю Веленную, обязательно должно проявляться через гравитационные эффекты[76].

Так они спорили и спорили. В конце концов ’т Хоофт решил показать научному руководителю результаты его теоретических выкладок, не говоря конкретно, откуда они взялись. Велтман и так это прекрасно понимал, но удовольствовался тем, что просто проверил истинность результатов ’т Хоофта.