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

Бэгготт Джим

Найти безмюонные события было легко. Трудно было доказать, что они происходят из слабых нейтральных токов. Когда Мюссе представил новые предварительные данные в начале 1973 года, не было ни торжественных фанфар, не заявлений об открытии, к которому все так стремились.

Преимущество группы из Национальной ускорительной лаборатории позволило догнать физиков ЦЕРНа. Их синхротрон был мощнее, он был способен создавать больше событий с рассеянием мюонного нейтрино за меньшее время. Их детектор также работал с более крупной массой мишени, чем Гаргамель, что повышало шансы обнаружения событий с рассеянием. Все эти факторы сказались на уменьшении воздействия фоновых нейтронов, но ничего нельзя было сделать с мюонами, которые рассеивались под большими углами и «убегали» от обнаружения. Руббиа со своей гарвардской

командой пытался учесть долю этих событий при помощи компьютерных симуляций, для этого он вычитал их теоретически предполагаемое количество из количества безмюонных событий, установленных экспериментально, чтобы таким образом получить количество истинных мюонных событий.

Это был довольно натянутый компромисс, и Манна с Клайном одолевали глубокие сомнения. Руббиа, понимая, что физики ЦЕРНа тоже накапливают массу данных, сильно торопился [100] . Манн и Клайн слишком хорошо осознавали, что подобное напряжение может легко привести к самообману, к убеждению в существовании чего-то, чего на самом деле не существовало. Они призывали к осмотрительности.

Известия об успехе физиков Национальной ускорительной лаборатории достигли ЦЕРНа в июле 1973 года.

100

Физики ЦЕРНа к тому времени нашли единственное «драгоценное» событие со слабым нейтральным током среди старых фотографий из Гаргамеля, а именно взаимодействие мюонного антинейтрино с электроном, что случается гораздо реже, но не имеет фонового загрязнения. Это было однозначное свидетельство, но все же это была всего лишь фотография. В конце концов, просмотрев почти полтора миллиона фотографий, физики нашли только три таких события.

В письме Лагарригу Руббиа заявил, что они накопили «около ста однозначных событий» [с нейтральными токами] [101] . Дальше он предложил обеим группам опубликовать данные о своих находках одновременно. Лагарриг вежливо отказался. Физики ЦЕРНа установили истинно безмюонные события в столкновениях мюонных нейтрино с нуклонами и оценили отношение событий с нейтральными токами к событиям с заряженными как 0,21. Для столкновений с мюонными антинейтрино отношение составило 0,45. После этого физики объявили, что наконец-то нашли слабые нейтральные токи, и отправили статью в журнал Physics Letters. Журнал опубликовал ее в сентябре.

101

Карло Руббиа, письмо Андре Лагарригу, 17 июля 1973. Цит. по: Crease and Mann. P. 352.

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.

102

Отношение мюонных нейтрино и антинейтрино в экспериментах Национальной ускорительной лаборатории было порядка 2:1. Следовательно, средневзвешенное значение ЦЕРНа для мюонных нейтрино и антинейтрино 0,29.

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] .

103

Perkins D. // CERN Courier. 2003. June 1.

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.

104

Cline D. Цит. по: Crease and Mann. P. 357.

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.