Джим Бэгготт - Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» Страница 24

Однако заряд кварка нельзя полностью замаскировать. Для этого нужно было бы каким-то образом сложить кварки в кучу. Но кварки похожи на электроны – это квантовые частицы со свойствами одновременно волны и частицы. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, установление положения кварков приведет к бесконечной неопределенности их импульсов. Таким образом, возникает возможность бесконечного импульса, что тоже требует огромных ресурсов.

Природа соглашается на компромисс. Цветной заряд не может быть полностью замаскирован, но энергия связанных глюонных полей может уменьшиться до управляемой величины. Тем не менее это существенная величина. Как оказалось, (гипотетические) массы верхних и нижних кварков довольно малы, в интервале между 1,5 и 3,3 МэВ и между 3,5 и 6,0 МэВ соответственно[110]. Измеренная масса протона составляет 938 МэВ, масса нейтрона – около 940 МэВ. Суммарная масса двух верхних кварков и одного нижнего кварка составит около 4,5–9,9 МэВ. Так откуда же берется остальная масса протона? Она берется из энергии глюонных полей внутри протона.

«Зависит ли инерция тела от содержания в нем энергии?» – спрашивал Эйнштейн в 1905 году. Ответ: да. Около 99 процентов массы протонов и нейтронов – это энергия, переносимая безмассовыми глюонами, которые удерживают кварки внутри нуклонов. «Масса, казалось бы неразложимое свойство материи, синоним ее инертности и сопротивления переменам, – писал Вильчек, – оказывается проявлением гармоничного взаимодействия симметрии, неопределенности и энергии»[111].

Глэшоу посетил Брукхейвенскую лабораторию в августе 1974 года, чтобы опять уговорить экспериментаторов начать поиск очарованного кварка. Его услышал американский физик Сэмюэл Тинг. Он готовился исследовать высокоэнергетические протон-протонные взаимодействия на 30-гигаэлектронвольтном сильнофокусирующем синхротроне и как следует поискать электрон-позитронные пары в неразберихе образующихся адронов.

Когда данные показали, что электрон-позитронные пары накапливаются в узком «резонансе» при энергии около 3 ГэВ, экспериментаторы даже не знали, что об этом подумать. Они хотели устранить очевидные источники ошибок и перепроверить анализ. Безрезультатно. Пик упорно фиксировался на 3,1 ГэВ и упорно оставался узким. Возникло подозрение, что они напали на какое-то новое физическое явление.

Тинг предпочитал не рисковать. У него была репутация человека, который находит ошибки в экспериментах других физиков, и ему не хотелось, чтобы кто-то нашел ошибки у него. Его убеждали опубликовать результаты, но он отказывался, пока они не смогут подтвердить свои данные.

Тем временем на Западном побережье США у физика Стэнфордского университета Роя Швиттерса возникла одна проблема. В середине 1973 года в Стэнфордском центре ускорителей вступил в строй Стэнфордский асимметричный накопитель позитронного и электронного пучков (сокращенно SPEAR), в котором начали сталкивать разогнанные электроны и позитроны. Швиттерс нашел ошибку в одной из компьютерных программ, которые использовались для анализа данных, полученных в ходе экспериментов на SPEAR. Исправив ошибку, он снова проанализировал данные экспериментов за июнь 1974 года и увидел некоторую упорядоченность – маленькие бугорки на энергиях 3,1 и 4,2 ГэВ. Руководитель проекта американский физик Бертон Рихтер в конце концов распорядился реконфигурировать SPEAR для энергии столкновений около 3,1 ГэВ, так чтобы экспериментаторы вернулись и посмотрели еще раз.

К ноябрю 1974 года стало ясно, что и группа Тинга в Брукхейвене, и группа Рихтера в Стэнфордском центре открыли одну и ту же новую частицу, мезон, образованный очарованным кварком и очарованным антикварком. Группа Тинга решила назвать ее J-частицей, а группа Рихтера назвала ее ψ (пси). Это совместное открытие позднее окрестили ноябрьской революцией.

После этого случилась небольшая неразбериха из-за первенства. Обе группы не хотели уступать право первенства и признавать название мезона, которое ему дала другая группа, и его до сих пор называют J/ψ-мезоном. Тинг и Рихтер разделили Нобелевскую премию по физике за 1976 год.

Открытие J/ψ-мезона стало триумфом теоретической и экспериментальной физики. Кроме того, оно помогло привести в порядок структуру фундаментальных частиц – основу того, что быстро превращалось в современную Стандартную модель физики элементарных частиц.

Она состояла уже из двух поколений фундаментальных частиц, каждое из которых включало два лептона и два кварка, а также частицы – переносчики взаимодействий между ними. Электрон, электронное нейтрино, верхний кварк и нижний кварк входят в первое поколение. Мюон, мюонное нейтрино, странный кварк и очарованный кварк – во второе поколение, они отличаются от первых прежде всего массами. Фотон переносит электромагнитное взаимодействие, W– и Z-частицы переносят слабое ядерное взаимодействие, а восемь цветных глюонов – сильное ядерное или цветовое взаимодействие между цветными кварками.

Но к весне 1977 года были накоплены убедительные данные в пользу даже еще более тяжелого варианта электрона, который назвали тау-лептоном. Однако это было не то, что хотели услышать физики.

Тау-лептону требовалось тау-нейтрино, и неизбежно стали возникать гипотезы, что на самом деле это три поколения лептонов и кварков. Американский физик Леон Ледерман из Фермилаба обнаружил ипсилон (Υ) в августе 1977-го. Это мезон, состоящий из прелестного кварка (b-кварка), уже известного на тот момент, и его антикварка. Имея массу около 4,2 ГэВ, прелестный кварк представляет собой более тяжелый, относящийся к третьему поколению вариант нижнего и странного кварков с зарядом —1/3. Предполагалось, что последний представитель третьего поколения – истинный кварк – еще тяжелее и будет найден, когда будут построены коллайдеры, способные достигать необходимой энергии столкновения.

Хотя третье поколение лептонов и кварков проявилось довольно неожиданно, оно очень легко встроилось в Стандартную модель (см. рис. 18). На симпозиуме в Фермилабе в августе 1979 года были представлены данные о так называемых струях кварков и глюонов, полученных в экспериментах по электрон-позитронной аннигиляции. Это направленные всплески адронов, возникающие в процессе образования пары кварк – антикварк, причем один из кварков также «высвобождает» энергетический глюон. Эти характерные «трехструйные» события самым поразительным образом продемонстрировали кварки и глюоны.

До сих пор не хватало истинного кварка, как и непосредственных данных о W– и Z-частицах, переносчиках слабого взаимодействия. Когда Стандартная модель стала общепринятой, Глэшоу, Вайнберг и Салам узнали, что им собираются вручить Нобелевскую премию по физике 1979 года за их работу над единой электрослабой теорией.

Теперь соревнование шло за то, кто первым соберет все частицы и закончит коллекцию. В своей Нобелевской лекции Вайнберг объяснил, что электрослабая теория предсказывает массы W– и Z-частиц примерно на уровне 83 ГэВ и 94 ГэВ соответственно[112].

Еще в июне 1976 года ЦЕРН ввел в действие свой протонный суперсинхротрон (ПСС) – 6,9-километровый кольцевой протонный ускоритель, способный генерировать энергию частиц до 400 ГэВ. За месяц до его пуска протонный ускоритель в Фермилабе превзошел эту энергию, достигнув 500 ГэВ. Но когда частицы разбиваются о неподвижные мишени, это приводит к значительным потерям, поскольку отскакивающие частицы забирают энергию. В установках такого вида энергия, которую можно было бы направить на создание новых частиц, растет только как квадратный корень из энергии частицы в пучке.

Рис. 18

Стандартная модель физики элементарных частиц описывает отношения трех поколений материальных частиц через три вида взаимодействий, переносимых частицами поля, называемых также переносчиками взаимодействий

Следовательно, столкновения частиц, даже ускоренных до такой энергии, на которую был способен ПСС или ускоритель в Фермилабе, могли дать новые частицы только гораздо меньшей энергии. Чтобы достичь энергии, предсказанной для W– и Z-частиц, понадобится гораздо более мощный ускоритель, чем любой из уже построенных.

Был и другой выход. Идея столкновения пучков ускоренных частиц развивалась в 1950-х годах. Если пустить ускоренные частицы по двум связанным кольцам в противоположных направлениях, тогда можно привести пучки в лобовое столкновение. Тогда всю энергию ускоренных частиц можно было бы направить на создание новых частиц.

Такие коллайдеры[113] впервые были сконструированы в 1970-х годах. SPEAR стал одним из первых, но в нем происходили лобовые столкновения между лептонами (электронами и позитронами). В 1971 году ЦЕРН закончил сооружение накопительного кольца со встречными пучками ISR, адронного (протон-протонного) коллайдера, где в качестве источника ускоренных протонов использовался протонный синхротрон на 26 ГэВ. Протоны сначала ускорялись в синхротроне, потом поступали в ISR, где и сталкивались. Однако максимальной энергии столкновения – 52 ГэВ – было недостаточно, чтобы обнаружить W– и Z-частицы.