Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Шрифт:
И тогда ГХК вынули свою статью из конверта и добавили ссылку на эти работы: «Предмет нашего рассмотрения – теория, которая была частично сформулирована Энглером и Браутом и имеет некоторое сходство с теорией Хиггса». Поскольку почти одновременное рождение идей – не слишком редкое явление, в физической литературе принята следующая процедура: если какая-то статья выходит до того, как ваша собственная окончательно написана, вы пишете в примечании со ссылкой на нее объяснение типа «в то самое время, когда данная работа была почти закончена, мы получили статью похожего содержания…». ГХК не сделали этого явно, но никто не сомневается, что их работа была практически завершена до того, как они что-либо услышали о работах конкурентов. Эти работы достаточно разные, и работа ГХК появилась через такое короткое время после выхода первых статей, что не было никаких оснований заподозрить, что авторы
Гуральник, Хаген и Киббл провели тщательный квантовомеханический анализ проблемы спонтанного нарушения калибровочной симметрии. Они сосредоточились на том, как обойти условия теоремы Голдстоуна, и очень досконально изучили этот вопрос. Они, однако, не совсем верно ввели бозон Хиггса. В то время как реальный бозон Хиггса должен быть массивным, ГХК искусственно положили его массу равной нулю. В отношении этой частицы они выразились недвусмысленно: «Нетрудно заметить, что в нашей теории есть безмассовая частица, однако она совершенно не взаимодействует с другими (массивными) возбуждениями и не имеет ничего общего с голдстоуновскими бозонами». Эти утверждения верны в модели, которую они рассматривали, но только потому, что они положили взаимодействие и массу бозона Хиггса равными нулю, а в реальном мире, как мы считаем, он имеет массу и взаимодействует с другими частицами.
Была еще одна команда, двигавшаяся в том же направлении, хотя и с некоторым запозданием (всего на несколько месяцев). В то время общение между учеными Советского Союза и стран Запада было затруднено из-за многочисленных политических и бюрократических барьеров. В 1965 году, когда в Москве физики Александр Мигдал и Александр Поляков, которым тогда было по девятнадцать лет, занялись вопросами спонтанного нарушения симметрии в калибровочных теориях, они ничего не знали о работах их зарубежных коллег, вышедших в 1964 году. Статья советских физиков получила отрицательные отзывы рецензентов и не была напечатана до 1966 года.
Несмотря на всю эту кипучую деятельность нескольких групп, многие ученые были настроены скептически в отношении того, что в локальных симметриях удастся избежать безмассовых частиц. Хиггс рассказывал историю про то, как он давал семинар в Гарварде, и теоретик Сидни Коулман подзуживал своих учеников «порвать этого трюкача, который думает, что может перехитрить Голдстоуна с его теоремой». (Я могу ручаться за достоверность этой истории, так как много лет спустя Коулман на лекции по квантовой теории поля нам сам ее рассказывал.) Но у Энглера, Браута, Хиггса, Гуральника, Хагена и Киббла был важный козырь – они оказались правы. И очень скоро их идеи пригодились. Случилось это тогда, когда было сделано одно из триумфальных открытий, определивших структуру Стандартной модели.
Слабые взаимодействия
Все эти обсуждения различных видов спонтанного нарушения симметрии затрагивали основные вопросы квантовой теории поля: при каких обстоятельствах оно может произойти и что может при этом случиться? Предстояло увидеть, имеют ли явления, описанные в теории, отношение к реальному миру. И вот прошло совсем немного времени, и они были востребованы при анализе слабых взаимодействий.
Первая перспективная теория слабых взаимодействий была предложена Энрико Ферми в 1934 году. Ферми воспользовался идеей нейтрино, незадолго до этого выдвинутой Вольфгангом Паули для построения модели нейтронного распада, протекающего – как теперь мы бы сказали – по каналам слабых взаимодействий. Как мы увидели в главе 7, расчет Ферми, кроме того, был одним из первых успешных расчетов в рамках квантовой теории поля.
Теория Ферми хорошо описывает данные, но только если не требовать от нее слишком многого. Многие расчеты в квантовой теории поля строятся по такой схеме: сначала находится приблизительный ответ, а затем постепенно включаются вклады от более сложных диаграмм Фейнмана, и ответ шаг за шагом уточняется. В теории Ферми начальное приближение дает очень хороший ответ, но следующая аппроксимация (которая должна быть небольшой поправкой) оказывается бесконечной. Эта неприятность называется проблемой расходимости, тут сидит большая проблема, которая будет довлеть над физикой элементарных частиц на протяжении всего XX века. Бесконечность, конечно, не может быть правильным ответом, поэтому она служит указанием на то, что ваша теория где-то не верна. Теория должна соответствовать экспериментальным данным, но она также должна быть правильной и в математическом смысле.
Проблема расходимости возникает не только в слабых взаимодействиях, от нее пострадал и электромагнетизм – по идее одна из самых простых и легких для понимания
Некоторые теории поля перенормируемы (и для них есть четко определенные математические методики получения конечных ответов), а некоторые – нет. В современной квантовой теории поля даже если теория не перенормируема, мы не отбрасываем ее. Мы просто считаем, что это приближение справедливо в лучшем случае только при очень низких энергиях, а при более высоких энергиях для устранения бесконечности нужно найти какие-то новые физические законы. В течение долгого времени, однако, неперенормируемость воспринималась как указание на то, что теория просто неправильна. Теория слабых взаимодействий Ферми оказалась неперенормируемой – как только мы пытаемся выжать из нее слишком много, она дает бесконечный ответ, и нет никакого способа избавиться от этого, кроме как придумать лучшую теорию.
Джулиан Швингер, который заинтересовался идеей Янга-Миллса о том, что более сложные симметрии могут приводить к появлению калибровочных полей, порождающих силы природы, попытался применить эту идею к слабым взаимодействиям. Конечно, тут же возникла большая проблема: бозоны Янга-Миллса не имеют массы, а это подразумевает силу, действующую на больших расстояниях, в то время как слабое взаимодействие явно ограничено очень малыми расстояниями. Швингер просто отложил эту проблему на время в сторону, начал с модели Янга-Миллса и в ней искусственно положил массу двух бозонов – переносчиков сил – ненулевой. Это было первое упоминание бозонов, которые мы теперь называем W+– и W–– бозонами. (По крайней мере, одно из первых. По словам Леона Ледермана, «в более поздних версиях теории Ферми, в первую очередь у Швингера, были введены тяжелые W+– и W–– бозоны в качестве носителей слабого взаимодействия. Похожую идею использовали и некоторые другие теоретики. Попробую перечислить: Ли, Янг, Гелл-Манн… Я не люблю хвалить конкретных теоретиков, поскольку 99 % остальных расстроятся».)
Бозоны Янга-Миллса были безмассовыми в первую очередь из-за симметрии, на которой строилась теория. Когда Швингер наделил бозоны массой, это означало, что симметрия нарушилась, но в данном случае это было явное (или жесткое) нарушение, а не «спонтанное», при котором симметрия скрыта неким полем, имевшим отличное от нуля значение в пустом пространстве (и к тому времени еще не открытое). В теории Швингера симметрия нарушалась не из-за поля, а потому что он ей так велел. Как вы можете догадаться, это искусственное предположение уменьшало доверие к модели. Прежде всего, перенормируемость электромагнетизма в решающей степени зависит от симметрии, лежащей в основе теории, и пренебрежение этой симметрией делает модель Швингера неперенормируемой. В конце концов, но много лет спустя, стало ясно, что теория массивных калибровочных бозонов станет перенормируемой тогда и если их массы приобретаются в результате спонтанного нарушения симметрии.
Пример изменения представлений о распаде нейтрона. В теории Ферми нейтрон распадается непосредственно на протон, электрон и антинейтрино. Швингер предположил, что нейтрон испускает заряженный W-бозон, который затем распадается на электрон и антинейтрино. Он был прав, но сейчас мы знаем, что нейтрон состоит из трех кварков, один из которых меняет вид с нижнего на верхний, испуская при этом W-бозон.
Тем не менее Швингер продолжал искать способы обойти эти трудности, и не только из упрямства. Одно из свойств гения в том, что он чувствует, какие идеи стоит развивать, даже если они не во всех отношениях соответствуют действительности. Важным следствием модели Швингера было то, что она предсказала три калибровочных бозона: два заряженных массивных W-бозона, и один нейтральный калибровочный бозон, которому было разрешено остаться без массы. Все мы, конечно, отлично знакомы с нейтральным безмассовым калибровочным бозоном: это фотон. Швингер был воодушевлен тем, что его подход дал надежду объединить электромагнетизм со слабыми взаимодействиями, что явилось бы важным шагом вперед в физике. Это, наверное, и давало ему силы и дальше совершенствовать свою модель, несмотря на кучу проблем.