Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Бэгготт Джим

Рецензенты обрушились на него с криками. Статью так и не напечатали.

Гелл-Манн был уже признанным ученым, сделавшим много важнейших открытий, и ему промах с кварками был простителен. Будучи молодым научным сотрудником, Цвейг находился не в таком удачном положении. Когда некоторое время спустя он хотел устроиться в один из ведущих университетов, некий уважаемый член профессорско-преподавательского состава, старший теоретик, заявил, что его модель с тузами – шарлатанская выдумка. Цвейгу отказали в месте, и в конце 1964 года он вернулся на работу в Калтех. Впоследствии Гелл-Манн приложил все усилия, чтобы роль Цвейга в открытии кварков была признана.

Кварковая модель все замечательно упростила, но на самом деле это была всего лишь теоретическая игра со схемами. У нее просто не было никаких экспериментальных оснований.

Гелл-Манн никак не облегчил свою задачу тем, что был довольно скрытен насчет статуса новых частиц. Не желая ввязываться в философские споры о реальности частиц, которые в принципе нельзя увидеть, он называл кварки «математическими». Некоторые понимали это так, будто Гелл-Манн не считает, что кварки состоят из настоящего вещества, что они существуют в реальности и соединяются, производя реально существующие эффекты.

Цвейг оказался смелее (или безрассуднее, как посмотреть). Во втором препринте, напечатанном в ЦЕРНе, он заявил: «Есть и некоторая возможность, что модель ближе к природе, чем мы думаем, и что мы состоим из множества тузов с дробным зарядом» [61] .

Филип Андерсон, занимавшийся физикой твердого тела, не верил в теорему Голдстоуна. Многочисленные практические примеры в физике твердого тела совершенно очевидно говорили, что бозоны Намбу – Голдстоуна не всегда возникают при спонтанном нарушении калибровочной симметрии. Симметрии нарушались постоянно, однако физиков твердого тела не заливали потоки безмассовых частиц, аналогичных фотонам, которые бы возникали в результате. Например, в сверхпроводниках не генерировались безмассовые частицы. Что-то тут было не так.

61

Zweig G. An SU(3) Model for Strong Interaction Symmetry и its Breaking // CERN Preprint 8419/TH.412. 1964. February 21. P. 42.

В 1963 году Андерсон предположил, что трудности, которые пытаются решить теоретики квантовых полей, могут в каком-то смысле разрешиться сами [62] :

«В таком случае, вероятно, учитывая аналог сверхпроводимости, что теперь открыты возможности… которые без всякого труда включают либо безмассовые калибровочные бозоны Янга – Миллса, либо безмассовые бозоны [Намбу – ]Голдстоуна. Эти два типа бозонов, по-видимому, способны «сократить» друг друга, оставив лишь бозоны, обладающие конечной массой».

62

Anderson P.W. Physical Review. 1963. P. 441 // Farhi E., Jackiw R. (eds.). Dynamical Gauge Symmetry Breaking: A Collection of Reprints. Singapore: World Scientific, 1982. P. 50.

Неужели это действительно так просто? Может быть, это тот случай, когда минус на минус дал плюс? Статья Андерсона вызвала некоторые споры. И пока в научной прессе высказывались аргументы и контраргументы, некоторые физики хорошенько ее запомнили.

Затем вышел ряд статей с подробным описанием механизма спонтанного нарушения симметрии, в которых разные безмассовые бозоны действительно «сокращали» друг друга, оставляя лишь частицы с массой. Их независимо друг от друга опубликовали бельгийские физики Роберт Браут и Франсуа Энглер, английский физик Питер Хиггс из Эдинбургского университета, а также Джеральд Гуральник, Карл Хейген и Том Киббл из Имперского колледжа в Лондоне [63] . Такой механизм обычно называют механизмом Хиггса (или, как предпочитают те, кого волнует справедливость, механизмом Браута – Энглера – Хиггса – Хейгена – Гуральника – Киббла).

63

Все три статьи вышли в одном и том же номере (13) журнала Phy sical Review Letters в 1964 году на с. 321–323, 508–509 и 585–587 соответственно.

Механизм работает следующим образом. Безмассовая частица со спином 1 (бозон) движется со скоростью света и имеет две «степени свободы»,

то есть ее амплитуда волны может колебаться в двух измерениях, перпендикулярных (трансверсальных) направлению, в котором она движется. Если частица движется, скажем, в направлении z, ее амплитуда волны может колебаться только в направлениях х и у (влево/вправо и вверх/вниз). У фотона две степени свободы связаны с левой круговой и правой круговой поляризацией. Эти состояния могут сочетаться и давать более знакомые состояния линейной поляризации: горизонтальное (по оси х) и вертикальное (по оси у). У света не существует поляризации в третьем измерении.

Чтобы изменить это состояние, нужно ввести фоновое поле, которое часто называют полем Хиггса, для нарушения симметрии [64] . Поле Хиггса характеризует форма кривой потенциальной энергии.

Идея кривой потенциальной энергии довольно прямолинейна. Представьте себе маятник, который качается взад-вперед. Когда маятник совершает взмах вверх, он замедляется, останавливается и затем начинает двигаться в другом направлении. В этот момент вся энергия его движения (кинетическая энергия) превращается в потенциальную энергию маятника. Когда маятник совершает движение обратно, потенциальная энергия высвобождается, переходя в кинетическую энергию движения, и маятник набирает скорость. Внизу дуги, когда маятник направлен прямо вниз, кинетическая энергия имеет максимальное значение, а потенциальная равна нулю.

64

В отличие от других квантовых полей, с которыми мы до сих пор имели дело в книге, поле Хиггса является скалярным полем – оно имеет значение в каждой точке пространства-времени, но не имеет направления. Иными словами, оно не «притягивает» и не «отталкивает» ни в каком конкретном направлении.

Если мы изобразим величину потенциальной энергии в сравнении с углом смещения маятника от вертикали, у нас получится парабола – см. рис. 13, а. Нижняя точка кривой потенциальной энергии очевидно совпадает с точкой, в которой смещение маятника равно нулю.

Рис. 13

(a) В случае простого маятника, движущегося без учета трения, кривая потенциальной энергии имеет форму параболы и нулевая потенциальная энергия соответствует нулевому смещению маятника от вертикали. Однако кривая потенциальной энергии для поля Хиггса (b) имеет другую форму. Теперь нулевое значение потенциальной энергии соответствует конечному смещению (самого поля) или тому, что физики называют ненулевым значением вакуумного ожидания

Кривая потенциальной энергии поля Хиггса немного отличается. Вместо угла смещения мы изобразим смещение или значение самого поля. В нижней части кривой появляется небольшой бугорок, похожий на тулью сомбреро или выпуклость на дне бутылки из-под шампанского. Из-за наличия этого бугорка симметрия нарушается. Когда поле охлаждается и теряет потенциальную энергию, подобно падающему карандашу, она произвольно падает в углубление на кривой (кривая на самом деле трехмерна). Но в этом случае самая нижняя точка кривой соответствует ненулевому значению поля. Физики называют это ненулевым значением вакуумного ожидания. Оно представляет собой «ложный» вакуум, то есть вакуум не вполне пустой – он содержит ненулевые значения поля Хиггса.

Рис. 14

(a) Безмассовый бозон движется со скоростью света и имеет только две пересекающиеся степени свободы, влево/вправо (x) и вверх/ вниз (y). Взаимодействуя с полем Хиггса, частица может поглотить безмассовый бозон Намбу – Голдстоуна и приобрести третью степень свободы – вперед/назад (z). Соответственно, частица приобретает «глубину» и замедляется. Сопротивление ускорению – это и есть масса частицы