Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»
Шрифт:
На это мало кто обратил внимание. Хан и Намбу сделали важный шаг к окончательному решению, но мир еще был к нему не готов.
В 1970 году Глэшоу наконец-то вернулся к проблемам своей теории электрослабого поля SU(2) x U(1) вместе с двумя коллегами: греческим физиком Иоаннисом Илиопулосом и итальянцем Лучано Майани. Глэшоу впервые познакомился с Илиопулосом в ЦЕРНе и был впечатлен его попытками найти способ перенормировки теории поля для слабого взаимодействия. Майани приехал в Гарвард, имея некоторые любопытные мысли о слабом взаимодействии. Все трое поняли, что их интересы совпали.
В тот момент никто из них еще не знал о статье Вайнберга 1967 года, где спонтанное нарушение симметрии и механизм Хиггса применялись в электрослабой теории лептонов.
Глэшоу, Илиопулос и Майани снова как следует взялись
Мюонное нейтрино было открыто в 1962 году, став четвертым лептоном наряду с электроном, электронным нейтрино и мюоном. Физики стали работать с моделью из четырех лептонов и трех кварков, для начала добавив еще несколько лептонов. Но в 1964 году Глэшоу опубликовал статью, где говорил о возможном существовании четвертого кварка, который он назвал очарованным кварком (c-квар ком, от charm quark). В этом как будто было больше смысла. Природа явно потребует, чтобы количество лептонов соответствовало количеству кварков. Модель из четырех лептонов и четырех кварков отличалась гораздо более приятной симметрией.
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
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) x 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) x 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.
72
Со слов Иоанниса Илиопулоса в интервью Майклу Риордану, 4 июня 1985. Цит. по: Riordan. P. 211.
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.
73
Glashow Sh. Nobel Lectures. P. 500.
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.