Вся физика в 15 уравнениях
Шрифт:
К счастью, эти мечты были довольно редки, удивительно редки, по крайней мере для меня.
Глава 15 Стандартная модель
Эта довольно сложная формула лежит в основе так называемой Стандартной модели в физике элементарных частиц, лучшей теории, которую мы имеем на сегодняшний день для описания фундаментальных кирпичиков природы и структуры их взаимодействий между собой. Короче говоря, уравнения Стандартной модели — это все, что позволяет
Данное уравнение получило достаточную известность настолько, что его печатают на сувенирных футболках и кружках, продаваемых в ЦЕРНе, крупнейшем исследовательском центре физики элементарных частиц недалеко от Женевы, расположенном на границе Франции и Швейцарии.
В кафетерии ЦЕРНа
Я впервые приехал в ЦЕРН в 1979 г., в самом начале моей работы над докторской диссертацией[62], когда пришлось сопровождать моего научного руководителя Марселя Баннера. Наша команда из CEA-Saclay[63] построила прототип детектора, который мы хотели проверить в работе в пучке частиц.
Мы прибыли в ЦЕРН в понедельник утром и сразу же отправились в тот экспериментальный зал, куда планировалось отведение пучка частиц. Я знал ЦЕРН только по текстам и фотографиям, и у меня едва хватало времени, чтобы бросить мимолетный взгляд на реальный вид этого зала, длинных коридоров без потолка между серыми бетонными блоками с непонятными аппаратами, обвитыми кабелями и трубами.
В отведенном для нас пучковом канале почти ничего не было: мы могли видеть только трубу, из которой будут вылетать частицы, а за ней — только пол и две стены, все из сырого бетона. Марсель спросил меня, смогу ли я справиться с перфоратором. На что я ответил «Конечно, да». Затем он вложил мне в руки чудовищный агрегат для сверления отверстий в бетоне. Да, на самом деле требуется определенное количество детекторов, которые будут регистрировать время прибытия и положение частиц пучка. Эти «счетчики» устанавливаются на полу и вдоль стен по всей линии прохождения пучка, от выводного канала от самого ускорителя до зоны, где устанавливалось наше оборудование.
Поэтому я начал свое первое пребывание в ЦЕРНе с того, что… без устали бурил отверстия в довольно прочном бетоне! Марсель был трудоголиком, и работа продвигалась вперед без единой минуты отдыха: установка счетчиков, прокладка кабелей на десятки метров в сторону маленькой диспетчерской, где находился компьютер, который будет записывать тестовые данные, настройка всей электроники, настройка усилителей, логических схем, тестирование программного обеспечения для сбора данных… Прибыв в понедельник утром, мы завершили установку только около полудня среды, прерываясь лишь на то, чтобы перекусить по-быстрому в соседнем кафетерии. Все было в рабочем состоянии, готово к приему первых пучковых частиц и испытанию нашего прототипа детектора.
Я находился в очень странном состоянии: мои руки болели, все тело казалось еще тряслось от могучего перфоратора, голова переполнена всевозможной информацией, которую я узнал, глядя как мой руководитель стремительно настраивает сложнейшую электронику. Перед тем как лечь спать, мы зашли выпить пива в главный кафетерий, и я рухнул в кресло перед кофейным столиком. Вокруг, конечно,
Лагранжиан возвращается
Вернемся к уравнению Стандартной модели. Уравнение вида L =… указывает на то, что это лагранжиан, оператор, который мы уже встречали в главе 2. Правильная теория лагранжиана содержит математическое описание составляющих материи и их взаимодействий. В случае лагранжиана Стандартной модели первые два его члена соответствуют, грубо говоря, электромагнетизму после изобретения уравнения Дирака: один описывает фотоны, другой — электроны.
В следующих членах выражения для лагранжиана вы заметите символ ф, который обозначает «поле Хиггса», более известное как «бозон Хиггса». Эта новая частица, необходимая для самосогласованности Стандартной модели, возникла в 1964 г. в более простом виде, а затем, спустя несколько лет, уравнение уже приняло форму, приведенную выше.
Между 1930-м и 1960-м гг. ядерная физика и физика элементарных частиц достигли большого прогресса. Все началось с экспериментов по изучению космических лучей — элементарных частиц, что приходят с неба. Затем ученые стали производить опыты на ускорителях, благодаря чему были открыты новые элементарные частицы, которые уже не являлись составляющими обычной материи, а также новые взаимодействия.
Теория также развивалась, или скорее теории, так как поначалу каждый вновь открытый тип взаимодействия требовал своей собственной теории: электромагнетизм описывал электроны и фотоны, слабые взаимодействия описывали радиоактивные распады, а сильные взаимодействия — сцепление внутри атомных ядер. Примерно в 1960 г. физики наконец-то смогли понять, что между этими взаимодействиями есть некое сходство, однако им не удавалось объединить их в одну согласованную общую структуру. В частности, оказалось, что хотя теории электромагнетизма и слабых взаимодействий очень близки, но все же они разделены непреодолимым препятствием.
В 1964 г. появились две статьи, которые стали решением данной проблемы. Первая была написана двумя бельгийскими теоретиками Робертом Браутом и Франсуа Энглертом, а вторая — шотландским теоретиком Питером Хиггсом. Ключевым моментом стало введение нового «поля» со странными свойствами: само его существование изменяет свойства всех других частиц, в том числе их массу и взаимодействия. Эта новая теория самым изящным образом обошла стену, отделявшую электромагнетизм от слабых взаимодействий: это действительно одно взаимодействие, но простое наличие поля Хиггса заставляет их проявляться по-разному в двух различных формах. Такая «маскировка» аккуратно и последовательно действует на все частицы.
Самое главное, что теория сформулировала ряд неожиданных предсказаний, проверить которые на ускорителях частиц можно будет или сейчас, или в будущем. Говорилось, что предполагается обнаружить частицу под названием Z0, похожую на фотон, но с очень большой массой (по тем временам), примерно в 100 раз больше массы протона. Кроме того, это новое поле проявилось в виде еще одной новой частицы, которая довольно быстро стала известна под названием «бозон Хиггса».