Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Узнав об этой теории, группа из 80 физиков ЦЕРНа старательно пересмотрела архив фотографий, полученных на большой пузырьковой камере «Гаргамель» при облучении потоком мюонов. Проделав титаническую работу пересмотра и обработки примерно 1,4 млн изображений, они нашли три случая рассеяния мюонных нейтрино на электронах — эти электроны как бы получали сильный, ничем иным не вызванный толчок и оставляли свой след на снимке. Это количество соответствовало числу случаев, ожидаемых на основе электрослабой теории.

Три снимка доказали справедливость долгожданной электрослабой теории, объединившей два типа взаимодействий, и за ее построение Шелдон Л. Глэшоу (р. 1932), Стивен Вейнберг (р. 1933) и Абдус Салам (1926–1996) были удостоены Нобелевской премии по физике 1979 г. Их достижение сравнивали с успехом Максвелла, объединившего электромагнетизм и оптику.

А в 1983 г. группа Карло Руббиа обнаружила в экспериментах с коллайдером на аппаратуре, задуманной и созданной Симоном дер Ме-ром (мы писали о ней в главе об аппаратуре), все промежуточные мезоны: W+, W- и Z0. Массы W- и Z-мезонов оказались, соответственно, примерно в 82 и 92 раза больше, масс нуклонов. Оба руководителя эксперимента получили Нобелевскую премию 1984 г.

Однако сложности с пониманием природы электрослабого взаимодействия на этом не кончились: Глэшоу, Вейнберг и Салам не смогли довести теорию до той ясности, которая была достигнута в КЭД. В частности, они не сумели провести полностью перенормировку массы, т. е. в их расчетах возникали какие-то неопределенности, на которые приходилось закрывать глаза. А это могло означать, что они не полностью учитывали возможные взаимодействия или неправильно их трактовали.

Для преодоления этих трудностей потребовалось еще очень много усилий: нужно было придумать какие-то специфические приемы расчетов. Так, оказалось, что в этих взаимодействиях нужно учитывать еще и модель кварков: только на этом пути удалось точно вычислить массы и времена жизни промежуточных бозонов и шестого кварка (у него, как мы выше писали, оказалось совсем уж неожиданно большая масса). Эту работу смогли выполнить Мартинус Й. Г. Вельтман (р. 1931) и его ученик Герард т-Хоофт (р. 1946), удостоенные «за прояснение квантовой структуры электрослабых взаимодействий» Нобелевской премии 1999 г.

Рассмотрим такой простой пример: пусть прямая стальная спица установлена строго вертикально и на нее сверху чем-то давят. С началом давления она будет сжиматься, но при какой-то пороговой величине давления вдруг, возможно без добавочных внешних воздействий, изогнется — такое положение энергетически выгоднее. Итак, вначале наша система была полностью симметрична относительно вращений, но вдруг эта симметрия спонтанно пропала, причем направление, в котором изогнулась спица, — совершенно произвольно. Именно такой процесс и называется спонтанным нарушением симметрии.

Перейдем теперь к другому примеру. Имеется намагниченный ферромагнетик, он не симметричен, так как в нем выделена ось намагничения. Однако, если нагреть его выше так называемой точки Кюри, когда исчезают ферромагнитные свойства, то спины всех атомов разбредутся по разным сторонам, и он станет в этом плане симметричным. Но если начать его охлаждать, то при переходе через точку Кюри у него появится, возможно, слабая намагниченность в каком-то направлении — и это тоже пример спонтанного нарушения симметрии.

Таким образом, в разных системах симметрия может появляться или исчезать при разных изменениях — увеличении или уменьшении внешнего воздействия. Для элементарных частиц, как мы говорили, характерно, что с ростом энергии силы разных взаимодействий, в том числе слабого и сильного, сближаются. Следовательно, при каких-то очень больших энергиях они одинаковы: существует симметрия по всем взаимодействиям, а вот с понижением энергии эта симметрия пропадает — частицы разделяются по типам.

Действительно, рассмотрим энергию частиц, скажем, в 1000 ГэВ, когда вся энергия, соответствующая массе протона или нейтрона, несколько меньше 1 ГэВ. Ясно, что при таких энергиях различия в массе между нуклоном и безмассовым нейтрино пренебрежимо малы — их можно рассматривать на единой основе.

За счет чего же у некоторых частиц появляется масса? По общей идеологии квантовой теории поля, масса как мера инерции соответствует возможности испускать и поглощать виртуальные частицы, т. е. создавать вокруг себя виртуальное облако, «шубу». Проще всего, конечно, испускать и перепоглощать частицу с нулевым спином и без зарядов — при этом она сама по себе может быть полностью симметрична (напомним, что сила, действовавшая на спицу в первом примере, была симметрична относительно вращений, как и температурное поле второго примера).

Понятие спонтанного нарушения симметрии возникло в теории фазовых переходов Л. Д. Ландау, а в теорию частиц оно было первоначально перенесено в 1961 г. Дж. Голдстоуном, но он показал, что при таком изменении симметрии должно происходить излучение или поглощение скалярной частицы нулевой массы. А в 1964 г. Питер Хиггс доказал, что достаточно допустить существование одного скалярного поля, взаимодействие с которым разрешит все трудности с приобретением массы при снижении энергии частиц.

Эта частица была названа бозоном Хиггса, масса его должна быть порядка 100 ГэВ или больше, но до сих пор он не найден (возможно и существование семейства таких частиц). Основная надежда на его долгожданное открытие, крайне необходимое физике частиц, возлагается сейчас на Большой адронный коллайдер в Женеве — это, фактически, основная его задача.

Мы уже не раз говорили о замечательной теореме Эмми Нётер[59], согласно которой любое преобразование физической системы, когда ее основные положения не меняются, ведет к закону сохранения какой-то величины. Первоначально эта теорема применялась к более строгому выводу известных уже законов сохранения — энергии, импульса, момента и к доказательству того, что никаких добавочных законов сохранения, связанных с перемещениями системы как целого, не должно быть.

Но можно рассмотреть еще такое преобразование: умножим функции, описывающие частицы, на постоянный множитель- изменим их калибр. Тогда окажется: для того, чтобы функции, отвечающие за полную энергию в теории Максвелла, не менялись, нужно вводить поле, кванты которого имеют нулевую массу и спин 1. Это, очевидно, и есть электромагнитное поле, так что входящую в это выражение постоянную можно отождествить с электрическим зарядом электрона.

Этот результат был известен очень давно, называется он калибровочной (или градиентной) инвариантностью уравнений Максвелла. Его воспринимали как некое чисто формальное свойство электродинамики. А сама инвариантность, согласно теореме Нётер, означала закон сохранения электрического заряда, но, поскольку никаких иных зарядов тогда не было, все эти построения принимались как чисто академические (есть такое жаргонное выражение: «наводить гигиену на физику», т. е. проводить более строгие доказательства и без того ясных положений).

Но в 1954 г. Янг и Миллс обобщили эту процедуру: если ранее функции, описывающие частицы, умножали на некую постоянную, то они решили посмотреть, что произойдет, если потребовать сохранения инвариантности при умножении на функцию, меняющуюся от точки к точке (прежнюю калибровочную инвариантность назвали глобальной, т. е. единой для всего мира, а эту, новую — локальной, зависящей от рассматриваемой точки).

Первые лет десять эта работа не привлекала к себе особого внимания. Но потом теоретики спохватились: если поля, вводимые глобально, должны быть дальнодействующими (именно таково электромагнитное поле), то новые поля, вводимые локально, оказались короткодействующими. Кроме того, процедура Янга-Миллса вводила все поля и соответствующие им законы сохранения на некоей единой основе — для этого нужно было рассмотреть инвариантности уже не в обычном пространстве-времени, а в том пространстве внутренних характеристик, которое являлось обобщением изотопического пространства Гейзенберга и пространства Гелл-Манна-Неэмана.

При этом оказалось, что кваркам должны соответствовать восемь полей взаимодействия, несколько схожих с электромагнитным: кванты этих полей имеют спин 1 и не имеют массы покоя, их назвали глюонами (от английского glue — клей). Все восемь глюонов, как и фотоны, не могут переносить электрические заряды, не имеют они и барионных или лептонных зарядов, т. е. они не могут при испускании или поглощении менять аромат кварков. Но каждый глюон несет зато две цветовые характеристики и поэтому при поглощении или испускании меняет цвет кварка. По той же причине глюоны не могут оказаться свободными — для этого они должны были бы стать бесцветными. Но отсюда следует возможность вылета из частицы бесцветной группы глюонов, так называемого глюбола, порождающего струи адронов — в отличие от фотонов глюоны могут достаточно легко взаимодействовать друг с другом, порождать кварк-антикварковые пары, а затем и адроны, считается даже, что на долю глюонов приходится около половины всей энергии (массы) барионов.