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

Бэгготт Джим

Представляя себе характер взаимодействия между двумя частицами, чаще всего мы вспоминаем о таких примерах, как гравитация и электромагнетизм, в которых чем ближе частицы друг к другу, тем взаимодействие между ними сильнее [105] . Но сильное ядерное взаимодействие ведет себя совсем по-другому. Его сила проявляется в так называемой асимптотической свободе. В асимптотическом пределе нулевого разделения между двумя кварками они перестают взаимодействовать и становятся полностью «свободными». Однако чем больше они отделяются друг от друга, подходя к границам нуклона, тем крепче их держит сильное взаимодействие и не пускает наружу.

105

Вспомните, как в детстве вы приставляли магниты друг к другу северными

полюсами. Сопротивление, которое вы чувствовали, становилось тем сильнее, чем ближе вы приставляли магниты.

Рис. 17

(a) Сила электромагнитного притяжения между двумя электрически заряженными частицами увеличивается, когда частицы приближаются. Однако сила цветового взаимодействия, связывающая кварки внутри адронов, ведет себя совсем по-другому, как в варианте (b). При нулевом разделении между кварком и антикварком (например) оно падает до нуля. Оно увеличивается, чем дальше кварки друг от друга

Похоже, будто кварки привязаны к концам прочной резинки. Когда кварки находятся на близком расстоянии внутри нуклона, резинка не натянута и между ними нет или почти нет взаимодействия. Оно возникает, только когда мы пытаемся отдалить кварки друг от друга и натягиваем резинку (см. рис. 17).

В конце 1972 года принстонский теоретик Дэвид Гросс решил показать, что асимптотическая свобода просто невозможна в квантовой теории поля. Вместо этого с помощью своего студента Фрэнка Вильчека он умудрился доказать прямо противоположное. Квантовые теории полей, основанные на локальных калибровочных симметриях, могут создавать условия для асимптотической свободы. Молодой гарвардский аспирант Дэвид Политцер независимо пришел к такому же открытию. Их статьи вышли бок о бок в июньском номере Physical Review Letters [106] .

106

На самом деле ’т Хоофт уже пришел к выводу, что калибровочные те ории Янга – Миллса могли проявлять подобное неочевидное поведение, но в то время он занимался перенормировкой и не пошел дальше.

В июне Гелл-Манн опять поехал в Аспенский центр, сжимая в руке препринты статей Гросса – Вильчека и Политцера. К нему присоединился Фрицш и Генрих Лейтвилер, швейцарский теоретик из Бернского университета, который в то время находился в Калтехе. Вместе они разработали квантовую теорию поля Янга – Миллса для трех цветных кварков и восьми цветных безмассовых глюонов [107] . Чтобы объяснить асимптотическую свободу, глюоны должны были переносить цветной заряд. Никаких трюков с участием механизма, подобного хиггсовскому, не требовалось.

107

Безмассовые глюоны? А как же утверждения Гейзенберга и Юкавы, что переносчики сильного взаимодействия должны быть большие, массивные частицы? Это действительно было бы так, если бы сильное взаимодействие походило на гравитацию или электромагнетизм, но оно не такое. Асимптотически свободное цветовое взаимодействие вполне могут переносить безмассовые частицы. Как и кварки, они заключены внутри адронов, вот почему они не так вездесущи, как фотоны.

Новой теории нужно было имя. В 1973 году Гелл-Манн и Фрицш назвали ее квантовой адронной динамикой, но следующим летом Гелл-Манн решил, что придумал название получше. «У теории было много достоинств и не было ни одного известного недостатка, – объяснил он. – Следующим летом в Аспене я придумал назвать теорию квантовой хромодинамикой, или КХД, и настойчиво предлагал его Хайнцу Пагельсу и другим» [108] .

Великий синтез, объединивший теории сильного и электрослабого взаимодействия в единой структуре SU(3) x SU(2) x U(1), казалось, наконец-то близок.

108

Bardeen W.A., Fritzsch H., Gell-Mann M. Proceedings of the Topical Meeting on Conformal Invariance in Hadron Physics // Frascati. 1972. May. Цит. по: Crease and Mann. P. 328.

Но

хотя асимптотическая свобода могла объяснить, почему кварки очень слабо взаимодействуют в адронах, она не объясняла, почему кварки всегда заключены внутри. Физики изобретали разные живописные модели. В одной окружающие кварки глюонные поля представлялись в виде узких трубок или струн цветного заряда, которые натягиваются между кварками по мере их разделения. Когда кварки расходятся в разные стороны, струна напрягается, потом растягивается, и сопротивление дальнейшему напряжению растет, чем больше она растягивается.

В конце концов струна рвется, но на таких энергиях, которых хватило бы для спонтанного возникновения пар кварк – антикварк из вакуума. Таким образом, например, нельзя вытянуть кварк из нуклона без возникновения антикварка, который тут же спарится с кварком и образует мезон, и другого кварка, который займет его место внутри нуклона. В конечном итоге энергия канализируется в спонтанное создание мезона, и отдельные кварки не наблюдаются. Кварки не столько заключены внутри нуклона, сколько никогда, просто никогда, не встречаются без компаньона [109] .

109

Подобные аналогии очень интересны, но остаются умозрительными. По сей день конфайнмент остается проблемой КХД, которую еще предстоит решить.

Энергия изолированного, так сказать, «голого» цветного заряда велика. В принципе энергия одного изолированного кварка бесконечна. Кварк быстро накапливает оболочку из виртуальных глюонов, стремясь замаскировать цветной заряд, и энергия возрастает. Требуется гораздо меньше энергии, чтобы замаскировать заряд либо за счет спаривания с антикварком того же цвета, либо сочетания с двумя другими кварками разных цветов, так чтобы общий цветной заряд был равен нулю и получившаяся в результате целая частица была «белой».

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.

110

Данные о массе кварков взяты из: Amsler C. et al. // Physics Letters B, 667. 2008. P. 1.

«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.

111

Wilczek F. // MIT Physics Annual 2003. P. 35.