Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Шрифт:
В своей знаменитой статье они рассмотрели два вида полей: калибровочное поле, носителем которого является калибровочный бозон, и набор из двух нарушающих симметрию скалярных полей, которые в пустом пространстве принимают ненулевое значение. Похожая постановка содержалась и в работе Голдстоуна по нарушению глобальной симметрии, но с добавлением калибровочного поля, необходимого для локальной симметрии. В статье авторы не уделили большого внимания свойствам скалярных полей, сфокусировавшись вместо этого на том, что происходит с калибровочным полем. Используя диаграммы Фейнмана, они показали, что калибровочные бозоны получают массу, не нарушая основной симметрии, – в полном соответствии с требованиями теории относительности и вопреки опасениям Гилберта. Всю эту теорию они построили, видимо, ничего не зная о статье Андерсона,
1964 год. Хиггс
В 1960 году Питер Хиггс вернулся в родную Шотландию после получения докторской степени в Университетском колледже в Лондоне и занял место преподавателя в университете Эдинбурга. Он знал о работе Андерсона и заинтересовался вопросом о том, как в релятивистской теории можно избежать выполнения условий теоремы Голдстоуна. В июне 1964 года Хиггс открыл последний выпуск главного в США физического журнала Physical Review Letters и наткнулся на статью Гилберта. Позднее он вспоминал: «В первую минуту мне захотелось сказать, что все это ерунда, поскольку автор, казалось, опровергал теорию Намбу». Но тут Хиггс вспомнил, что Швингер нашел лазейку в существующих представлениях о том, что калибровочные бозоны должны быть безмассовыми из соображений симметрии, и подумал, что, может, удастся расширить лазейку на случай спонтанно нарушенных симметрий. Понимая, что это важный вопрос, Хиггс быстро написал короткую статью, которая была опубликована в Physics Letters – европейском аналоге Physical Review Letters. В ней впервые было явно показано, что условия теоремы Голдстоуна могут не выполняться в случае калибровочной симметрии, даже когда теория относительности играет важную роль.
Чего в той первой статье Хиггса не было, так это конкретной модели, в которой безмассовым бозонам фактически не было места. Но уже во второй своей работе он именно это и сделал: он исследовал поведение пары нарушающих симметрию скалярных полей голдстоуновского типа, взаимодействующих с калибровочным полем – источником силы, и показал, что калибровочное поле съедает бозон Намбу-Голдстоуна, рождая один массивный калибровочный бозон. Он послал эту вторую статью снова в Physics Letters – и там ее сразу отклонили. Это удивило Хиггса – он не мог понять, почему журнал публикует статью, в которой говорится о «возможности рождения массивных калибровочных бозонов», но отказывается публиковать статью, посвященную «реальной модели массивных калибровочных бозонов». Но Хиггс не сдался. Он добавил пару абзацев, разъясняющих физические следствия предложенной модели, и послал статью в американский журнал Physical Review Letters, где она и была принята. Референтом был Намбу, о чем Хиггс узнал позже, и именно он, Намбу, предложил Хиггсу добавить ссылку на только что вышедшую статью Энглера и Браута.
В той паре абзацев, которые Хиггс написал в дополнение к своей статье, содержалось замечание о том, что его модель не только делает калибровочные бозоны массивными, но также предсказывает существование массивного скалярного бозона. Это было первое точное упоминание об известном теперь и любимом нами «бозоне Хиггса». Вспомним, что модель Голдстоуна нарушения глобальной симметрии предсказала не только ряд безмассовых бозонов Намбу-Голдстоуна, но и один массивный скалярный бозон. В случае локальной симметрии предполагаемые безмассовые скалярные бозоны съедаются калибровочными полями, которые становятся массивными. Но массивный скалярный бозон и соответствующее поле из теории Голд-стоуна по-прежнему остаются в теории Хиггса. Энглер и Браут не обсуждали эту частицу, хотя в ретроспективе мы видим, что она неявно присутствует в их уравнениях (как и в работе Андерсона).
Забегая немного вперед, скажем, что при реальном применении механизма Хиггса в Стандартной модели, прежде чем симметрия нарушится, существует четыре скалярных бозона и три безмассовых калибровочных бозона. Когда симметрия нарушается, три из четырех скалярных бозонов поедаются калибровочными бозонами. Таким образом у нас остается три массивных калибровочных бозона – два W-бозона, один Z-бозон и один массивный скалярный бозон – бозон Хиггса. Еще один калибровочный бозон – безмассовый в начале – таким же и остается. Это
Вот что случается при спонтанном нарушении локальной (калибровочной) симметрии, и это кардинально отличается от разобранного ранее случая нарушения глобальной симметрии. Теперь в симметричной ситуации есть безмассовые калибровочные бозоны и массивные скалярные бозоны. Те бозоны, которые были бы безмассовыми при нарушении глобальной симметрии, съедаются калибровочными бозонами, которые становятся массивными. Остается один массивный скалярный бозон – это бозон Хиггса.
Можно спорить о том, кто – Андерсон, Энглер с Браутом или Хиггс – первым предложил механизм Хиггса, с помощью которого калибровочные бозоны становятся массивными, но сам Хиггс точно имеет право претендовать на первенство в упоминании о бозоне Хиггса – частицы, которую мы в настоящее время сделали символом нашего понимания того как работает природа. В следующей своей статье в 1966 году Хиггс обсудил свойства этого бозона более подробно. Но кто знает – возможно, если бы его предыдущая статья не была сначала отклонена журналом Physics Letters, он бы никогда вообще не обратил внимания на этот бозон.
Хиггс хорошо знал о работе Андерсона с 1963 года. Он стремился отдать должное Андерсону, но утверждал, что тот остановился на полдороге: «Андерсон должен был сделать две основные вещи, но он их не сделал, зато сделал я. Он должен был показать прореху в условиях теоремы Голд-стоуна и предложить простую релятивистскую модель, которая бы показывала, как это работает. Тем не менее всякий раз, когда я читаю лекцию о так называемом механизме Хиггса, я начинаю с Андерсона, который на самом деле сделал все правильно, но его никто не понял».
1964 год. Гуральник, Хаген и Киббл
Гуральник, Хаген и Киббл (ГХК) завершили свою собственную статью вскоре после того, как были опубликованы статьи Энглера с Браутом и Хиггса. Статья ГХК выросла из давних дискуссий Гуральника с Хагеном еще тех времен, когда они оба были студентами в Массачусетском технологическом институте. Они написали свою первую совместную статью после того, как Хаген остался в аспирантуре в Массачусетском технологическом институте, а Гуральник переехал чуть вверх по реке – в Гарвард. Эти обсуждения возобновились после того, как Гуральник уехал в постдокторантуру в Имперский колледж в Лондон, где преподавал Абдус Салам, и, естественно, спонтанное нарушение симметрии там горячо обсуждалось. Киббл тоже преподавал в этом колледже, и они с Гуральником часто размышляли вместе, как обойти теорему Голдстоуна. Визит Хагена в Лондон побудил троицу изложить свои результаты в статье.
В октябре 1964 года, как вспоминали участники этой истории, «буквально в тот самый момент, когда Хаген и Гуральник запечатывали конверт с рукописью для отправки в Physical Review Letters, в офис вошел Киббл, держа в руке две статьи Хиггса и одну Энглера и Браута». Энглер и Браут представили статью 26 июня 1964 года, и она была опубликована в августе, две работы Хиггса были представлены 27 июля и 31 августа и вышли в сентябре и октябре соответственно, а статья ГХК была послана 12 октября и появилась в ноябре. В первый момент им не пришло в голову, что их «обошли» в открытии, хотя они поняли, что эти работы, о которых они до тех пор не подозревали, затрагивали похожую тему. ГХК рассудили, что Энглер с Браутом и Хиггс успешно решили вопрос о том, как калибровочные бозоны могли бы получить массу при спонтанном нарушении симметрии, но обошли вопрос о том, что в условиях теоремы Голдстоуна неправильно, а это было центральным пунктом обсуждения в статье англо-американского триумвирата. Они чувствовали, что рассуждения Энглера и Браута по поводу того, что случается с различными колеблющимися полями, были несколько туманными, а статьи Хиггса имели тот недостаток, что были написаны не на языке квантовой механики.