Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Электрослабое объединение
Иногда профессору, чтобы окончательно забросить ту или иную задачу, нужно дать порешать аспиранту. К счастью, у Швингера появился очень талантливый молодой аспирант – Шелдон Глэшоу, которому Швингер дал задание подумать о объединении электромагнетизма и слабых взаимодействий. Глэшоу был обаятельным и довольно экспансивным человеком. Занимаясь наукой, он любил перескакивать с одной темы на другую. Эта его особенность сослужила ему хорошую службу в его работе по объединению. После того как в течение нескольких лет (периодически переключаясь на другие темы) Глэшоу продумывал этот вопрос, он, наконец, нащупал подходящую модель того, что в конечном счете будет названо «электрослабым объединением».
Камнем преткновения была четность: в электромагнетизме она сохраняется, а слабые взаимодействия ее нарушают. Как можно было их объединить? Идея Глэшоу состояла в том, чтобы ввести две различных симметрии: одну, в которой вращающиеся против и по часовой стрелке частицы равноправны, и другую, в которой к ним относятся по-разному. Секрет модели Глэшоу был в том, что обе симметрии в ней нарушаются, но таким образом, что определенная их комбинация остается ненарушенной.
Представьте себе пару зубчатых колес. Любое из них может вращаться независимо, так же как две исходные симметрии Глэшоу. Но когда вы приведете их в сцепление друг с другом, они все еще смогут двигаться, но только уже согласованно, а не независимо. Теперь у них меньше свободы, чем раньше. В модели Глэшоу ненарушенная симметрия аналогична способности колес двигаться вместе, в то время как нарушенная симметрия – невозможность их двигаться на разных скоростях. Безмассовый нейтральный калибровочный бозон, соответствующий ненарушенной симметрии Глэшоу, – конечно, фотон.
Эта идея, казалось, была в состоянии удовлетворить требованиям, накладываемым и слабыми, и электромагнитными взаимодействиями. (Но проблема оставалась: по-прежнему массы калибровочных бозонов просто вводились руками, и теория была неперенормируемой.) Но в этой теории появлялось и что-то до сих пор неизвестное – новый калибровочный бозон, нейтральный, но массивный – тот, который мы сейчас называем Z-бозоном. В то время не было никаких свидетельств существования такой частицы, поэтому ученые почти не обратили внимание на эту модель.
Хотя может показаться, что предположения в модели Глэшоу, объединяющей электромагнетизм и слабые взаимодействия, были довольно искусственные, в них явно присутствовало рациональное зерно. На другом берегу океана – в Имперском колледже в Великобритании – почти такую же теорию разработали Абдус Салам и Джон Уорд. Каждый из них был очень опытным физиком. Уорд, родившийся в Англии, провел по несколько лет в Австралии и СТТТА и считался одним из основателей квантовой электродинамики. Он, вероятно, больше всего известен физикам своим «тождеством Уорда» из квантовой теории поля – математическим соотношением, которое обеспечивает выполнение локальных симметрий. Салам, родившийся в Пакистане, когда он еще был частью Индии и находился под британским контролем, впоследствии превратился в политического активиста и стал продвигать науку в развивающихся странах. Уорд и Салам часто работали вместе, и некоторые их самые интересные статьи по вопросам объединения взаимодействий были написаны в соавторстве.
Следуя почти такой же логике, что и Глэшоу, Салам и Уорд придумали модель с двумя различными симметриями, одна из которых нарушала четность, а другая, которая не нарушала, предсказывала безмассовый фотон и три массивных калибровочных бозона слабых взаимодействий. Они опубликовали эту работу в 1964 году, по-видимому, не зная о более ранней статье Глэшоу. Как и у Глэшоу, в их модели симметрия нарушалась искусственно, а не спонтанно. Как и Глэшоу, они не использовали результаты Гуральника, Хагена, и Киббла по спонтанному нарушению симметрии, но у них, в отличие от Глэшоу, не было никаких оправданий, поскольку их кабинеты находились буквально через коридор друг от друга.
Частично такое странное отсутствие контактов между ними могло быть связано с естественной сдержанностью Уорда. В своей книге «Загадка бесконечности» Фрэнк Клоуз приводит поразительную историю, рассказанную ему Джеральдом Гуральником: «Как-то Гуральник и Уорд обедали вместе в местном пабе, и Гуральник начал рассказывать о своей еще не завершенной работе по скрытой симметрии. «Я не успел почти ничего сказать, а [Уорд] уже остановил меня. Он прочел мне лекцию о том, что я не должен открыто говорить о своих неопубликованных идеях, потому что их могут украсть, а то и опубликовать прежде, чем я закончу работу над ними». В результате этого предостережения Гуральник не расспросил Уорда о работе, которую тот делал с Саламом».
Можно согласиться с таким осторожным подходом к обсуждению неопубликованных работ, но даже самые скрытные физики обычно не боятся обсуждать уже опубликованные результаты. По какой-то причине, однако, Салам и Уорд узнали о результатах Гуральника, Хагена и Киббла лишь через несколько лет – случилось это, когда Саламу об их работе рассказал Том Киббл. После этого Салам в течение многих лет ссылался на нее как на «механизм Хиггса-Киббла».
Собираем пазл
Окончательно все вместе кусочки мозаики сложились в 1967 году. Стивен Вайнберг был одноклассником Шелдона Глэшоу – они учились вместе в Бронксе, в школе Бронкс-Сайенс, но они никогда не работали вместе в той области теоретической физики, которая впоследствие привела их обоих к Нобелевской премии (совместно с Саламом) в 1977 году. Сегодня Вайнберг имеет статус уважаемого старейшины в физике, он этакий политик от науки, а также автор ряда нашумевших книг и множества эссе, публиковавшихся в The New York Review of Books и других изданиях. (В свое время Вайнберг был главным лоббистом Сверхпроводящего суперколлайдера и добивался бы его строительства, даже если бы ускоритель решили строить не в Техасе, куда Вайнберг переехал в 1982 году.)
А в 1967 году Вайнберг был еще совсем молодым профессором Массачусетского технологического института, каждый день приезжавшим в кампус на своем красном «камаро». В то время Вайнберг глубоко погрузился в проблему спонтанного нарушения симметрии, но пытался применить его в основном для того, чтобы разобраться в сильных взаимодействиях. Вдохновленный недавней работой Тома Киббла, Вайнберг играл с набором симметрий, и в результате незаметно для него самого его модель стала сильно напоминать более ранние модели Глэшоу и Салама с Уордом. Проблема была в том, что в его модели тоже возникал безмассовый нейтральный калибровочный бозон, которого, по-видимому, не было в сильных взаимодействиях.
В сентябре того же года Вайнберг вдруг понял, что он решал неправильно сформулированную задачу. Его модель, не очень адекватно описывающая сильные взаимодействия, отлично описывала слабые и электромагнитные взаимодействия. Раздражающий всех безмассовый бозон был на самом деле не ошибкой, а присущим этим взаимодействиям элементом – фотоном. В короткой статье под названием «Теория лептонов» Вайнберг объединил все эти идеи и изложил теорию, в которой каждый современный аспирант, специализирующийся в области физики элементарных частиц, немедленно распознает единую электрослабую модель – компонент Стандартной модели. В статье Вайнберг ссылался на статью Глэшоу, но не на работу Салама и Уорда, о которой ему все еще не было известно. Используя идеи Киббла, Вайнберг смог прямо предсказать массы W– и Z-бозонов, чего ни Глэшоу, ни Салам с Уордом сделать не могли, так как они вставляли их массы вручную. Вайнберг в своей теории объяснил механизм, посредством которого все фермионы, а также калибровочные бозоны приобретают массы. Он даже отметил, что модель поддается перенормировке, хотя в то время не мог предложить никаких убедительных аргументов в пользу этого. Самосогласованная теория электрослабого объединения была, наконец, построена.
Почти тогда же Киббл и Салам поняли, что оба интересуются нарушением симметрии, и Киббл объяснил свою теорию Саламу. Салам подумал, что может переработать единую модель, которую они разработали с Уордом, включив в нее скалярные бозоны, нарушающие симметрию, и даже прочитал лекцию на эту тему в Имперском колледже для небольшой аудитории. По неизвестным причинам Салам не изложил эти идеи сразу в виде статьи. Вообще-то он был чрезвычайно плодовитым ученым, но в те дни его внимание было направлено в основном на гравитацию, а не на субатомные силы. И как следствие, его идея о том, что в модель Салама-Уорда нужно добавить механизм Хиггса, в напечатанном виде появилась только через год в трудах конференции (где он также процитировал статью Вайнберга).
