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

Бэгготт Джим

К концу 1971 года законченная квантовая теория поля для электрослабого взаимодействия была полностью разработана, и теоретики все больше убеждались в ее истинности. Нарушение симметрии при помощи механизма Хиггса могло объяснить разницу между электромагнитным и слабым ядерным взаимодействиями, которые в ином случае оставались бы все тем же универсальным электрослабым взаимодействием. Нарушение симметрии сообщило массу переносчикам слабого взаимодействия, в то же время оставив фотоны безмассовыми. Для слабого взаимодействия требовалось два заряженных переносчика, частицы W+ и W^—, и нейтральный переносчик, частица Z⁰. Если Z⁰ существует, то можно было ожидать, что

их взаимодействие с обменом проявится в виде слабых нейтральных токов.

Если теория верна, то следовало ожидать, что нейтральные каоны покажут слабые нейтральные токи, что также подразумевало изменение странности. Наконец-то было объяснено довольно странное отсутствие этих меняющих странность токов за счет механизма ГИМ и существования четвертого – очарованного – кварка.

Теоретики обратились к другим источникам слабых нейтральных токов, которые не влекли за собой изменения странности, и стали убеждать экспериментаторов, чтобы те занялись их поисками. Наилучшими кандидатами были взаимодействия между мюонными нейтрино и нуклонами: протонами и нейтронами. В столкновениях мюонного нейтрино и нейтрона, например, обмен виртуальной W^—– частицей превращает мюонное нейтрино в отрицательный мюон, а нейтрон – в протон. Это заряженный ток. Обмен виртуальной Z⁰– частицей оставляет невредимыми и мюонное нейтрино, и нейтрон – это нейтральный ток (см. рис. 16). Если происходят оба процесса, тогда данные о слабых нейтральных токах можно получить за счет рассеяния мюонных нейтрино на нуклонах, а еще можно поискать события, при которых не образуются мюоны. По оценке Вайнберга, на каждые 100 событий с заряженными токами должно приходиться примерно от 14 до 33 событий с нейтральными токами.

Проблема в том, что нейтрино – чрезвычайно легкие, нейтральные частицы, не оставляющие следов в детекторах частиц. Детекторы регистрируют прохождение заряженных частиц, которые отрывают электроны в атомах материала детектора, оставляя за собой характерный след заряженных ионов. Первый детектор такого типа изобрел шотландский физик Чарльз Вильсон в 1911 году. В диффузионной камере следы частиц можно наблюдать благодаря конденсации водяного пара вокруг остающихся ионов.

Рис. 16

(а) Нейтрон сталкивается с мюонным нейтрино и обменивается виртуальной W-частицей. В результате нейтрон превращается в протон, а нейтрино в мюон. Это заряженный ток. Однако то же столкновение может происходить и с обменом виртуальной Z⁰– час тицей (b). Обе частицы не меняются, мюон не возникает. Это так называемое безмюонное событие представляет собой нейтральный ток

В начале 1950-х диффузионную камеру сменила пузырьковая, которую изобрел американский физик Дональд Глазер, хотя принцип ее работы очень похожий. Пузырьковая камера наполнена жидкостью с температурой близкой к точке кипения. Заряженная частица, проходя сквозь жидкость, опять-таки оставляет за собой след из заряженных ионов и электронов. Если затем давление выше жидкости понизить, она начинает кипеть. Однако сначала она закипит вдоль следа ионов, образуя пузырьки, благодаря которым след становится видимым. После этого след можно сфотографировать, а давление повысить, чтобы прекратить дальнейшее кипение.

Преимущество пузырьковой камеры в том, что жидкость в камере может также служить мишенью для частиц ускорителя. В большинстве пузырьковых камер используется жидкий водород, но также в них можно использовать более тяжелые жидкости, например пропан и фреон (как в старых холодильниках).

Единственным следом безмюонного события такого типа, который искал Вайнберг, был всплеск адронов, который бы внезапно появился в детекторе, как бы из ниоткуда. Но такой таинственный всплеск адронов мог бы иметь и множество других, довольно обыденных

объяснений. Мюонные нейтрино могли ударить по атомам в стенках детектора и оторвать нейтроны, из которых в дальнейшем могли получиться адроны, зафиксированные детектором. Продуктом событий «выше по течению» детектора могли стать нейтроны, а их продуктом адроны. А если мюон, образованный во время события с заряженным током, рассеивался с большим углом отдачи, его вполне было можно пропустить и не заметить. Подобные фоновые события можно было легко списать как истинные безмюонные события и потому по ошибке идентифицировать как слабые нейтральные токи.

Экспериментаторов очень волновали трудности подобных поисков. В списке экспериментальных приоритетов, который составили физики ЦЕРНа в ноябре 1968 года, на самом верху стояли W-частицы, а поиск слабых нейтральных токов занимал скромное восьмое место. «Дело в том, что вплоть до 1973 года не было надежных данных в пользу нейтральных токов, но было много данных против них», – написал оксфордский физик Дональд Перкинс [97] .

Однако к весне 1972 года огромные теоретические успехи выдвинули поиск нейтральных токов в самый верх списка. Физики стали задумываться о том, что, может быть, у них есть шанс получить окончательный ответ.

97

Perkins D. // Hoddesson et al. P. 430.

Большая и все растущая международная коллаборация во главе с физиком ЦЕРНа Полем Мюссе, Андре Лагарригом из ускорительной лаборатории в Орсэ и Дональдом Перкинсом работала над крупнейшей пузырьковой камерой с тяжелой жидкостью, которую назвали Гаргамель [98] . Гаргамель построили во Франции при финансировании французской Комиссии по атомной энергии и установили в ЦЕРНе в 1970 году рядом с протонным синхротроном на 26 ГэВ. На создание Гаргамель ушло шесть лет, он был сконструирован специально для изучения столкновений с участием нейтрино.

98

В честь матери великана Гаргантюа из книги французского писателя XVI века Франсуа Рабле «Гаргантюа и Пантагрюэль».

Гаргамель проработал почти год и дал множество безмюонных событий, которые физики отмели как фоновый шум от блуждающих нейтронов. Но потом экспериментаторы посмотрели на эти события с новым интересом.

Трудность состояла в том, чтобы отличить истинные безмюонные события со слабыми нейтральными токами от событий с фоновыми нейтронами и рассеянием мюонов под большими углами и неправильной идентификации. Это была кропотливая и весьма неблагодарная работа, но в конце 1972 года физики, совместно работавшие на Гаргамеле в составе группы из семи европейских лабораторий, а также гостей из Америки, Японии и СССР, начали думать, что им все-таки удалось что-то найти. Однако мнения даже внутри группы разделились, хотя не столько по поводу реальности самих нейтральных токов, а скорее по поводу того, можно ли считать собранные ими данные достаточно убедительными.

Тем временем поиск начался и в США. В Национальной ускорительной лаборатории (NAL) [99] в Чикаго был построен крупнейший в мире протонный синхротрон, достигший расчетной энергии 200 ГэВ в марте 1972 года. Итальянский физик Карло Руббиа из Гарварда, Альфред Манн из Пенсильванского университета и Дэвид Клайн из Висконсинского университета использовали генерируемые синхротроном пучки мюонных нейтрино для поиска безмюонных событий. Команда ЦЕРНа ушла вперед, но их предварительные данные были неокончательными. Честолюбивый Руббиа решил стать первым.

99

В 1974 году ее переименовали в Национальную ускорительную лабораторию имени Энрико Ферми (Фермилаб).