Джим Бэгготт - Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» Страница 23

По расчетам группы Национальной ускорительной лаборатории, отношение нейтральных к заряженным токам для столкновений с мюонным нейтрино и антинейтрино составляло 0,29, что вполне согласовалось с результатами ЦЕРНа[102].

В этот критический момент у Руббиа истекла американская виза, и, хотя он был профессором в Гарварде, ему грозила депортация. На апелляционном слушании в Службе иммиграции и натурализации США он вышел из себя. Не прошло и суток, как он уже был на борту самолета, улетающего из страны.

Без Руббиа сотрудники Национальной лаборатории пошли на попятную. Их статью, представленную в журнал Physical Review Letters в августе, отвергли рецензенты, озабоченные тем, что не была как следует решена проблема исключения ошибочных безмюонных событий. Тогда Клайн и Манн перестроили детектор, намереваясь решить вопрос так или иначе.

Истинные безмюонные события сразу же исчезли, а отношение нейтральных к заряженным токам упало всего до 0,05. Физики Национальной ускорительной лаборатории убедились, что предыдущие результаты были заблуждением.

Руббиа был также заметной фигурой в ЦЕРНе и решил поднять шум. Он сказал генеральному директору ЦЕРНа Виллибальду Йенчке, что коллектив Гаргамеля совершил большую ошибку. ЦЕРН по-прежнему был в глубокой тени по сравнению с более известными американскими соперниками, и его репутация в мире пострадала из-за предыдущих промахов. Многие европейские физики склонялись к мнению, что результаты Гаргамеля ошибочны, и даже один из ведущих физиков ЦЕРНа поставил половину своего винного погреба на неверность результатов. Йенчке пришел в ужас при мысли, что репутация ЦЕРНа снова пострадает, и созвал физиков Гаргамеля на совещание. Оно было похоже на допрос в инквизиции.

Однако физики Гаргамеля, хотя их и потрясло такое развитие событий, упорно стояли на своем. Они не собирались отказываться от своих выводов. Перкинс столкнулся с Йенчке в церновском лифте и подбодрил его. «Я знал, что группа много раз проверяла анализ событий, и почти целый год мы искали другое объяснение для наблюдаемых событий, но безуспешно, – сказал Перкинс. – Поэтому я считал, что результат абсолютно надежен и [Йенчке] надо просто не обращать внимания на слухи из-за Атлантики. Не знаю, успокоили его мои слова или нет, но из лифта он вышел с улыбкой»[103].

Руббиа вернулся в Национальную ускорительную лабораторию в начале ноября, и тамошняя группа стала работать над совсем другой статьей, где заявлялось, что, вопреки последним отчетам ЦЕРНа и предсказаниям электрослабой теории, слабые нейтральные токи не найдены.

Дальше случился довольно неуклюжий разворот на 180 градусов. В середине декабря 1973 года физики Национальной ускорительной лаборатории поняли, что их детекторы ошибочно установили пионы, образующиеся в других столкновениях с нейтрино, как мюоны. Из-за этого количество безмюонных событий буквально свелось на нет. Слабые нейтральные токи вернулись. Клайну пришлось признать, что «вполне возможно, что данные говорят о безмюонном сигнале порядка 10 процентов»[104]. Он не мог найти, что бы заставило эти события исчезнуть. Группа Национальной ускорительной лаборатории решила снова отправить в журнал свою первоначальную статью, внеся в нее соответствующие изменения. Статья вышла в Physical Review Letters в апреле 1974 года.

Некоторые физики в шутку называли открытие «переменными нейтральными токами».

В середине 1974 года другие лаборатории подтвердили результат, и путаница рассеялась. Слабые нейтральные токи стали экспериментальным фактом.

Однако следствия этого открытия оказались даже еще важнее. Слабые нейтральные токи подразумевали существование «тяжелых протонов», ответственных за перенос слабого взаимодействия. И если при распаде странных частиц нельзя было установить нейтральных токов, то причиной должно было быть то, что их подавляет механизм ГИМ.

Иными словами, должен существовать четвертый кварк.

7

Значит, это и есть W-частицы

Глава, в которой физики формулируют квантовую хромодинамику, открывают очарованный кварк и находят W– и Z-частицы именно там, где и предсказывали

Наконец-то фрагменты головоломки стали складываться. Оказалось, что загадка существования точечных частиц, свободно движущихся внутри нуклонов, что обнаружилось в экспериментах по глубоко неупругому рассеянию в Стэнфордском центре ускорителей, совсем не загадка, а прямое следствие природы сильного ядерного взаимодействия, которое ведет себя вопреки очевидному.

Представляя себе характер взаимодействия между двумя частицами, чаще всего мы вспоминаем о таких примерах, как гравитация и электромагнетизм, в которых чем ближе частицы друг к другу, тем взаимодействие между ними сильнее[105]. Но сильное ядерное взаимодействие ведет себя совсем по-другому. Его сила проявляется в так называемой асимптотической свободе. В асимптотическом пределе нулевого разделения между двумя кварками они перестают взаимодействовать и становятся полностью «свободными». Однако чем больше они отделяются друг от друга, подходя к границам нуклона, тем крепче их держит сильное взаимодействие и не пускает наружу.

Рис. 17

(a) Сила электромагнитного притяжения между двумя электрически заряженными частицами увеличивается, когда частицы приближаются. Однако сила цветового взаимодействия, связывающая кварки внутри адронов, ведет себя совсем по-другому, как в варианте (b). При нулевом разделении между кварком и антикварком (например) оно падает до нуля. Оно увеличивается, чем дальше кварки друг от друга

Похоже, будто кварки привязаны к концам прочной резинки. Когда кварки находятся на близком расстоянии внутри нуклона, резинка не натянута и между ними нет или почти нет взаимодействия. Оно возникает, только когда мы пытаемся отдалить кварки друг от друга и натягиваем резинку (см. рис. 17).

В конце 1972 года принстонский теоретик Дэвид Гросс решил показать, что асимптотическая свобода просто невозможна в квантовой теории поля. Вместо этого с помощью своего студента Фрэнка Вильчека он умудрился доказать прямо противоположное. Квантовые теории полей, основанные на локальных калибровочных симметриях, могут создавать условия для асимптотической свободы. Молодой гарвардский аспирант Дэвид Политцер независимо пришел к такому же открытию. Их статьи вышли бок о бок в июньском номере Physical Review Letters[106].

В июне Гелл-Манн опять поехал в Аспенский центр, сжимая в руке препринты статей Гросса – Вильчека и Политцера. К нему присоединился Фрицш и Генрих Лейтвилер, швейцарский теоретик из Бернского университета, который в то время находился в Калтехе. Вместе они разработали квантовую теорию поля Янга – Миллса для трех цветных кварков и восьми цветных безмассовых глюонов[107]. Чтобы объяснить асимптотическую свободу, глюоны должны были переносить цветной заряд. Никаких трюков с участием механизма, подобного хиггсовскому, не требовалось.

Новой теории нужно было имя. В 1973 году Гелл-Манн и Фрицш назвали ее квантовой адронной динамикой, но следующим летом Гелл-Манн решил, что придумал название получше. «У теории было много достоинств и не было ни одного известного недостатка, – объяснил он. – Следующим летом в Аспене я придумал назвать теорию квантовой хромодинамикой, или КХД, и настойчиво предлагал его Хайнцу Пагельсу и другим»[108].

Великий синтез, объединивший теории сильного и электрослабого взаимодействия в единой структуре SU(3) × SU(2) × U(1), казалось, наконец-то близок.

Но хотя асимптотическая свобода могла объяснить, почему кварки очень слабо взаимодействуют в адронах, она не объясняла, почему кварки всегда заключены внутри. Физики изобретали разные живописные модели. В одной окружающие кварки глюонные поля представлялись в виде узких трубок или струн цветного заряда, которые натягиваются между кварками по мере их разделения. Когда кварки расходятся в разные стороны, струна напрягается, потом растягивается, и сопротивление дальнейшему напряжению растет, чем больше она растягивается.

В конце концов струна рвется, но на таких энергиях, которых хватило бы для спонтанного возникновения пар кварк – антикварк из вакуума. Таким образом, например, нельзя вытянуть кварк из нуклона без возникновения антикварка, который тут же спарится с кварком и образует мезон, и другого кварка, который займет его место внутри нуклона. В конечном итоге энергия канализируется в спонтанное создание мезона, и отдельные кварки не наблюдаются. Кварки не столько заключены внутри нуклона, сколько никогда, просто никогда, не встречаются без компаньона[109].

Энергия изолированного, так сказать, «голого» цветного заряда велика. В принципе энергия одного изолированного кварка бесконечна. Кварк быстро накапливает оболочку из виртуальных глюонов, стремясь замаскировать цветной заряд, и энергия возрастает. Требуется гораздо меньше энергии, чтобы замаскировать заряд либо за счет спаривания с антикварком того же цвета, либо сочетания с двумя другими кварками разных цветов, так чтобы общий цветной заряд был равен нулю и получившаяся в результате целая частица была «белой».