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

Бэгготт Джим

В 1974 году Вайнберг, американский теоретик Ховард Джорджи и австралийка Хелен Куинн показали, что силы всех трех взаимодействий становятся почти равными при энергии между сотней миллиардов и сотней триллионов ГэВ [122] . Эти энергии, соответствующие температуре примерно 10 октиллионов (10²⁸) градусов, преобладали в течение примерно одной стодециллионной (10^–35) доли секунды после Большого взрыва.

Разумно предположить, что в эту эпоху Великого объединения сильное ядерное и электрослабое взаимодействия были также неразличимы и представляли собой единое электроядерное взаимодействие. Все переносчики взаимодействия были идентичны, и не было ни массы, ни электрического заряда, ни аромата кварков (верхних, нижних), ни цвета (красного, зеленого, синего). Чтобы нарушить эту симметрию еще более высокого порядка, требовались хигг совские поля, кристаллизующиеся при более

высоких температурах и таким образом приводящие к отделению кварков, электронов и нейтрино друг от друга, а также разделению взаимодействия на сильное и электрослабое.

122

По последним расчетам, энергия находилась в пределах 200 триллионов ГэВ.

Один из первых примеров такой теории великого объединения [123] (ТВО) разработали Глэшоу и Джорджи в 1974 году. В ее основе лежала группа симметрии SU(5), по их словам «калибровочная группа мира» [124] . Одним из следствий симметрии более высокого порядка было то, что все элементарные частицы были гранями друг друга. Теория Глэшоу и Джорджи позволяла преобразования между кварками и лептонами. То есть кварк внутри протона мог трансформироваться в лептон. «Тогда я понял, что это делает протон, базовый элемент атома, нестабильным, – сказал Джорджи. – У меня сразу испортилось настроение, и я пошел спать» [125] .

123

Хотя они и называются теориями Великого объединения, они не включают в себя гравитационное взаимодействие. Теории, учитывающие гравитацию, обычно называются теориями всего.

124

Georgi H., Glashow Gh. // Physical Review Letters. 32. 1974. P. 438.

125

Интервью Ховарда Джорджи Роберту Кризу и Чарльзу Манну, 29 января 1985. Цит. по: Crease and Mann. P. 400.

Поскольку теории великого объединения оперируют с таким уровнем энергии, которого никогда не удастся достичь в коллайдерах, построенных на Земле, возникает желание усомниться в их ценности. Однако ТВО предсказывают существование новых частиц, которые в принципе могут быть открыты в экспериментах со столкновениями. И хотя эпоха Великого объединения закончилась миллиарды лет назад, ее последствия для современной Вселенной мы можем наблюдать и по сей день.

По крайней мере, так рассуждал молодой американский физик Алан Гут, недавно защитивший докторскую диссертацию. Он подтвердил, что среди предсказанных ТВО новых частиц есть магнитный монополь – гипотетическая элементарная частица, обладающая ненулевым магнитным «зарядом», равного отдельно взятому полюсу магнита, северному или южному. В мае 1979 года Гут вместе с таким же молодым доктором физики, американцем китайского происхождения Генри Таем начал работать над определением количества магнитных монополей, которые, скорее всего, возникли в результате Большого взрыва. Они стремились объяснить, почему, если магнитные монополи действительно образовались в начале существования Вселенной, сегодня мы их не наблюдаем.

Гут и Тай поняли, что можно подавить образование монополей, изменив характер фазового перехода от эпохи Великого объединения к электрослабой эпохе. Для этого нужно было вмешаться в свойства полей Хиггса. Гут и Тай открыли, что монополя исчезают, если вместо гладкого фазового перехода или «кристаллизации» при температуре перехода Вселенная, напротив, претерпевает сверхохлаждение. В таком случае температура падает так быстро, что Вселенная «застревает» в состоянии Великого объединения при температуре гораздо ниже температуры перехода [126] .

126

Воду в жидком состоянии можно сверхохладить до температуры на 40 градусов ниже температуры замерзания.

Когда в декабре 1979 года Гут изучал широкие следствия начального момента сверхохлаждения, оказалось, что оно предсказывает период необычайного экспоненциального расширения пространства-времени. Сначала Гута не взволновал подобный результат, но он быстро понял, что это взрывное расширение может объяснить некоторые важные свойства наблюдаемой Вселенной, чего не могла сделать общепринятая космологическая теория Большого взрыва. «Я даже не помню, как придумывал название этому необычайному феномену экспоненциального расширения, – позднее писал Гут, – но, судя по моим дневниковым записям, в конце декабря я уже называл его инфляцией» [127] .

127

Guth. P. 176.

Инфляционная

модель кое в чем изменилась, в основном благодаря дальнейшему исследованию свойств полей Хиггса, которые нарушили симметрию в конце эпохи Великого объединения. Первые теории предсказывали слишком большую однородность, то есть довольно плоскую Вселенную без структуры – ни звезд, ни планет, ни галактик. Космологи начали понимать, что зачатки современной наблюдаемой структуры должны были заложить квантовые флуктуации ранней Вселенной, усиленные инфляцией. Но свойства полей Хиггса, которые требовались для этого, были несовместимы с полями Хиггса в теории Глэшоу – Джорджи.

Так или иначе, результаты экспериментов в начале 1980-х годов подтверждали, что протон более стабилен, чем подразумевала теория Джорджи и Глэшоу [128] . Космологов уже не сдерживали теории физики элементарных частиц, и они свободно занялись подгонкой наблюдаемой Вселенной при помощи дальнейшей настройки хиггсовских полей, которые в совокупности стали называться инфляционным полем, чтобы подчеркнуть его значение. Их предсказания эффектно подтвердились в апреле 1992 года благодаря спутнику Cosmic Background Explorer (COBE), зарегистрировавшему мельчайшие изменения температуры фонового космического излучения – холодные остатки горячего излучения, отделившегося от материи примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва [129] .

128

Эксперименты состояли в поиске единственного события распада протона из большого объема протонов, экранированных от космических лучей. Как объяснил Карло Руббиа: «Возьмите полдесятка аспирантов, посадите их километра на три под землей, и пусть пять лет разглядывают большую лужу воды» (цит. по: Woit. P. 104).

129

Эти мельчайшие изменения температуры впоследствии еще точнее измерил анизотропический зонд Уилкинсона (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP). Данные, поступившие в феврале 2003, марте 2006, феврале 2008 и январе 2010 года, помогли подтвердить и уточнить стандартную модель Вселенной, так называемую CDM (модель холодной темной материи), в которой инфляция играет важную роль. Согласно последним данным WMAP, возраст Вселенной 13,75±0,11 миллиарда лет.

Браут и Энглер, Хиггс, Гуральник, Хейген и Киббл изобрели поле Хиггса, чтобы объяснить нарушение симметрии в теории поля Янга – Миллса. Вайнберг и Салам показали, что этот же фокус можно применить к нарушению электрослабой симметрии, и с его помощью были верно предсказаны массы W– и Z-частиц. Тот же фокус позднее использовали, чтобы объяснить нарушения симметрии электроядерного взаимодействия. Он имел несколько удивительных последствий, которые привели к открытию инфляционной космологической модели и точному предсказанию крупномасштабной структуры Вселенной.

Полностью теоретические понятия хиггсовского поля и ложного вакуума стали ключевыми как в Стандартной модели физики элементарных частиц, так и в той модели, которая потом оформится как Стандартная космологическая модель Большого взрыва. Существуют ли эти хиггсовские поля на самом деле? Выяснить это можно было только одним способом.

Бозоны Хиггса великих объединяющих хиггсовских полей обладают огромной массой и просто недоступны для земных коллайдеров. Однако, хотя массу первоначального бозона Хиггса электрослабого поля Хиггса оказалось трудно предсказать с какой-либо точностью, в середине 1980-х считалось, что коллайдеры следующего поколения будут на это вполне способны.

Американские физики никак не могли оправиться от того, что их европейские соперники первыми открыли частицы W и Z. Июньская передовица New York Times гласила «Европа: 3, США: даже не Z⁰» и заявляла, что европейские физики ушли вперед в гонке за новыми фундаментальными элементами природы [130] . Физикам США нужен был реванш. Они твердо решили, что бозон Хиггса будет открыт в Америке.

3 июля 1983 года в Фермилабе заработал ускоритель Тэватрон. Его 6-километровое кольцо достигло расчетной энергии 512 ГэВ всего через 12 часов. Тэватрон обещал энергию столкновений протонов с антипротонами 1 ТэВ. Он обошелся в 120 миллионов долларов. ISABELLE, новый 400-гигаэлектровольтный протон-протонный коллайдер, строившийся в Брукхейвене, считался уже совсем устаревшим. В июле Консультативный комитет по физике высоких энергий Департамента энергетики США закрыл Брукхейвенский проект.

130

New York Times. 1983. June 6.