Помоги проекту - поделись книгой:
Об открытии частицы Z0 с массой около 95 ГэВ группой UA1 объявили 1 июня 1983 года. Оно основывалось на наблюдении пяти событий – четырех с образованием электрон-позитронных пар и одного с образованием мюонной пары. Коллаборация UA2 к тому времени накопила несколько событий-кандидатов, но предпочитала подождать итогов другого круга экспериментов, прежде чем объявить о них во всеуслышание. В конце концов UA2 сообщила о восьми событиях с образованием электрон-позитронных пар.
К концу 1983 года UA1 и UA2 в сумме зарегистрировали сотню W±-событий и дюжину Z0-событий, установив массы порядка 81 ГэВ и 93 ГэВ соответственно.
Руббиа и ван дер Мер разделили Нобелевскую премию по физике за 1984 год.
Это был долгий путь, начавшийся с эпохальной работы Янга и Миллса 1954 года по квантовой теории поля SU(2) для сильного взаимодействия. Эта теория предсказала безмассовые бозоны, которые так раздосадовали Паули. В 1957 году Швингер размышлял о том, что слабое ядерное взаимодействие переносят три частицы поля, и потом его студент Глэшоу обратился к теории поля Янга – Миллса SU(2), чтобы учесть в ней все три частицы.
Открытие механизма Хиггса в 1964 году показало, каким образом безмассовые бозоны могут приобретать массу. Вайнберг и Салам пошли дальше и в 1967–1968 годах применили механизм Хиггса к нарушению электрослабой симметрии. В 1971 году было показано, что получившаяся теория поддается перенормировке. И теперь переносчики слабого взаимодействия найдены именно там, где их и ждали увидеть.
Само существование W– и Z-частиц с предсказанными массами дало довольно убедительное свидетельство, что электрослабая теория SU(2) × U(1) в сути своей верна. А если теория верна, то взаимодействие с вездесущим энергетическим полем (полем Хиггса) отвечает за сообщение массы переносчикам слабого взаимодействия. А если поле Хиггса существует, значит, должен существовать и бозон Хиггса.
Однако, чтобы найти бозон Хиггса, требовался коллайдер еще мощнее.
8
Глубокий пас
Опыт, который приобрели физики, работая над объединением теорий электрослабого взаимодействия, они могли применить к более грандиозной задаче. Из теории электрослабого взаимодействия вытекало, что вскоре после Большого взрыва температура Вселенной была так высока, что слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия были неразличимы. Вместо этого существовало единое электрослабое взаимодействие, переносчиком которого были безмассовые бозоны.
Это так называемая электрослабая эпоха. Когда температура Вселенной снизилась, фоновое поле Хиггса «кристаллизовалось», и более высокая калибровочная симметрия электрослабого взаимодействия была нарушена (или, вернее сказать, скрыта). Безмассовые бозоны электромагнитного взаимодействия (фотоны) беспрепятственно продолжали движение, но бозоны слабого взаимодействия вступили во взаимодействие с полем Хиггса, приобрели массу и стали W– и Z-частицами. И вследствие этого слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия сейчас совсем не похожи друг на друга ни силой, ни масштабом.
В 1974 году Вайнберг, американский теоретик Ховард Джорджи и австралийка Хелен Куинн показали, что силы всех трех взаимодействий становятся почти равными при энергии между сотней миллиардов и сотней триллионов ГэВ[122]. Эти энергии, соответствующие температуре примерно 10 октиллионов (1028) градусов, преобладали в течение примерно одной стодециллионной (10–35) доли секунды после Большого взрыва.
Разумно предположить, что в эту эпоху Великого объединения сильное ядерное и электрослабое взаимодействия были также неразличимы и представляли собой единое электроядерное взаимодействие. Все переносчики взаимодействия были идентичны, и не было ни массы, ни электрического заряда, ни аромата кварков (верхних, нижних), ни цвета (красного, зеленого, синего). Чтобы нарушить эту симметрию еще более высокого порядка, требовались хигг совские поля, кристаллизующиеся при более высоких температурах и таким образом приводящие к отделению кварков, электронов и нейтрино друг от друга, а также разделению взаимодействия на сильное и электрослабое.
Один из первых примеров такой теории великого объединения[123] (ТВО) разработали Глэшоу и Джорджи в 1974 году. В ее основе лежала группа симметрии SU(5), по их словам «калибровочная группа мира»[124]. Одним из следствий симметрии более высокого порядка было то, что все элементарные частицы были гранями друг друга. Теория Глэшоу и Джорджи позволяла преобразования между кварками и лептонами. То есть кварк внутри протона мог трансформироваться в лептон. «Тогда я понял, что это делает протон, базовый элемент атома, нестабильным, – сказал Джорджи. – У меня сразу испортилось настроение, и я пошел спать»[125].
Поскольку теории великого объединения оперируют с таким уровнем энергии, которого никогда не удастся достичь в коллайдерах, построенных на Земле, возникает желание усомниться в их ценности. Однако ТВО предсказывают существование новых частиц, которые в принципе могут быть открыты в экспериментах со столкновениями. И хотя эпоха Великого объединения закончилась миллиарды лет назад, ее последствия для современной Вселенной мы можем наблюдать и по сей день.
По крайней мере, так рассуждал молодой американский физик Алан Гут, недавно защитивший докторскую диссертацию. Он подтвердил, что среди предсказанных ТВО новых частиц есть магнитный монополь – гипотетическая элементарная частица, обладающая ненулевым магнитным «зарядом», равного отдельно взятому полюсу магнита, северному или южному. В мае 1979 года Гут вместе с таким же молодым доктором физики, американцем китайского происхождения Генри Таем начал работать над определением количества магнитных монополей, которые, скорее всего, возникли в результате Большого взрыва. Они стремились объяснить, почему, если магнитные монополи действительно образовались в начале существования Вселенной, сегодня мы их не наблюдаем.
Гут и Тай поняли, что можно подавить образование монополей, изменив характер фазового перехода от эпохи Великого объединения к электрослабой эпохе. Для этого нужно было вмешаться в свойства полей Хиггса. Гут и Тай открыли, что монополя исчезают, если вместо гладкого фазового перехода или «кристаллизации» при температуре перехода Вселенная, напротив, претерпевает
Когда в декабре 1979 года Гут изучал широкие следствия начального момента сверхохлаждения, оказалось, что оно предсказывает период необычайного экспоненциального расширения пространства-времени. Сначала Гута не взволновал подобный результат, но он быстро понял, что это взрывное расширение может объяснить некоторые важные свойства наблюдаемой Вселенной, чего не могла сделать общепринятая космологическая теория Большого взрыва. «Я даже не помню, как придумывал название этому необычайному феномену экспоненциального расширения, – позднее писал Гут, – но, судя по моим дневниковым записям, в конце декабря я уже называл его
Инфляционная модель кое в чем изменилась, в основном благодаря дальнейшему исследованию свойств полей Хиггса, которые нарушили симметрию в конце эпохи Великого объединения. Первые теории предсказывали слишком большую однородность, то есть довольно плоскую Вселенную без структуры – ни звезд, ни планет, ни галактик. Космологи начали понимать, что зачатки современной наблюдаемой структуры должны были заложить квантовые флуктуации ранней Вселенной, усиленные инфляцией. Но свойства полей Хиггса, которые требовались для этого, были несовместимы с полями Хиггса в теории Глэшоу – Джорджи.
Так или иначе, результаты экспериментов в начале 1980-х годов подтверждали, что протон более стабилен, чем подразумевала теория Джорджи и Глэшоу[128]. Космологов уже не сдерживали теории физики элементарных частиц, и они свободно занялись подгонкой наблюдаемой Вселенной при помощи дальнейшей настройки хиггсовских полей, которые в совокупности стали называться
Браут и Энглер, Хиггс, Гуральник, Хейген и Киббл изобрели поле Хиггса, чтобы объяснить нарушение симметрии в теории поля Янга – Миллса. Вайнберг и Салам показали, что этот же фокус можно применить к нарушению электрослабой симметрии, и с его помощью были верно предсказаны массы W– и Z-частиц. Тот же фокус позднее использовали, чтобы объяснить нарушения симметрии электроядерного взаимодействия. Он имел несколько удивительных последствий, которые привели к открытию инфляционной космологической модели и точному предсказанию крупномасштабной структуры Вселенной.
Полностью теоретические понятия хиггсовского поля и ложного вакуума стали ключевыми как в Стандартной модели физики элементарных частиц, так и в той модели, которая потом оформится как Стандартная космологическая модель Большого взрыва. Существуют ли эти хиггсовские поля на самом деле? Выяснить это можно было только одним способом.
Бозоны Хиггса великих объединяющих хиггсовских полей обладают огромной массой и просто недоступны для земных коллайдеров. Однако, хотя массу первоначального бозона Хиггса электрослабого поля Хиггса оказалось трудно предсказать с какой-либо точностью, в середине 1980-х считалось, что коллайдеры следующего поколения будут на это вполне способны.
Американские физики никак не могли оправиться от того, что их европейские соперники первыми открыли частицы W и Z. Июньская передовица New York Times гласила «Европа: 3, США: даже не Z0» и заявляла, что европейские физики ушли вперед в гонке за новыми фундаментальными элементами природы[130]. Физикам США нужен был реванш. Они твердо решили, что бозон Хиггса будет открыт в Америке.
3 июля 1983 года в Фермилабе заработал ускоритель Тэватрон. Его 6-километровое кольцо достигло расчетной энергии 512 ГэВ всего через 12 часов. Тэватрон обещал энергию столкновений протонов с антипротонами 1 ТэВ. Он обошелся в 120 миллионов долларов. ISABELLE, новый 400-гигаэлектровольтный протон-протонный коллайдер, строившийся в Брукхейвене, считался уже совсем устаревшим. В июле Консультативный комитет по физике высоких энергий Департамента энергетики США закрыл Брукхейвенский проект.
В ЦЕРНе должно было начаться строительство Большого электронно-позитронного коллайдера, который займет 27-километровое кольцо почти в 200 метрах ниже уровня земли под франко-швейцарской границей, которую кольцо пересекало в четырех местах. БЭП должен был стать самым крупным объектом гражданского строительства в Европе. Однако БЭП предназначался для обнаружения частиц W и Z, чтобы лучше разобраться в их природе, а также поиска до сих пор не найденного истинного кварка. Он не собирался охотиться за бозоном Хиггса.
Тэватрон, пожалуй, обладал возможностями, чтобы заметить бозон Хиггса, но никто не мог дать гарантий. Пришло время мыслить широко. Ледерман уже раньше предлагал совершить гигантский скачок вперед – построить супермассивный протон-протонный коллайдер с использованием сверхпроводящих магнитов, способный достигать энергии столкновения до 40 ТэВ. Он назвал его Дезертроном[131], потому что его предполагалось построить среди широкой пустынной равнины и потому что он единственный мог пересечь «энергетическую пустыню» – энергетическую пропасть, которая, как предсказывали теории Великого объединения, будет лишена интересной новой физики. Дезертрон превратился в Очень большой ускоритель (Very Big Accelerator, VBA). Закрыв проект ISABELLE, Консультативный комитет по физике высоких энергий настаивал на приоритетном строительстве VBA, который вскоре переименовали в Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК).
Проектная разработка ССК была закончена к концу 1986 года. Затраты на строительство оценили в 4,4 миллиарда долларов, что сразу же перенесло его в разряд крупных научных проектов, которые требовали одобрения президентом. Ледермана попросили сделать короткую десятиминутную видеопрезентацию проекта, чтобы показать ее президенту Рональду Рейгану. Ледерман воспользовался шансом и воззвал к первопроходческому духу Рейгана, проведя прямую аналогию между исследованием белых пятен в физике элементарных частиц и освоением американского Запада.
Официально проект ССК был представлен Рейгану и его администрации в Белом доме в январе 1987 года. Последовал обмен доводами за и против вложения средств.
Руководитель Административно-бюджетного управления при президенте утверждал, что одобрение проекта ничего не даст, разве что порадует нескольких физиков. Рейган ответил, что, пожалуй, это как раз стоит принять в внимание, потому что он в свое время совсем не радовал школьных учителей физики.
Когда споры улеглись, все взгляды обратились к Рейгану, который и должен был принять окончательное решение. Рейган процитировал отрывок из Джека Лондона: «Лучше пусть я буду пеплом, чем пылью. Пусть лучше иссякнет моя искра в ослепительной вспышке, чем плесень задушит ее»[132]. Он объяснил, что эти слова когда-то сказали квотербеку Кену Стэблеру по прозвищу Змея. Стэблер привел «Окленд Рейдерз» к победе на Суперкубке по американскому футболу 1977 года. Он прославился благодаря точным пасам и особенно 38-метровому пасу Дейву Касперу (по прозвищу Привидение), который сравнял счет в последние секунды матча плей-офф с «Балтимор Кольтс». Из-за равного счета судьи назначили овертайм, и в конце концов «Рейдерс» вышли победителями.
Стэблер понимал цитату Джека Лондона с точки зрения собственного подхода к американскому футболу. «Делай глубокий пас», – сказал Стэблер[133]. В трудную минуту лучше рискнуть и сгореть яркой вспышкой.
Рейган, столп второсортных голливудских фильмов перед тем, как пришел в политику в 1964 году, получил прозвище Гиппер, после того как снялся в роли студентафутболиста Джорджа Гиппа (Гиппера) в фильме 1940 года «Кнут Рокне – стопроцентный американец». Гипп умер от инфекции горла в возрасте 25 лет, и в фильме звучат его знаменитые слова: «И последнее, что сказал мне Джордж: «Рок, – сказал он мне, – если вдруг ребятам придется туго и они будут проигрывать, скажи им, пусть выйдут и покажут все, что они могут, и хоть разок выиграют ради Гиппера»[134].
Можно не сомневаться, что концепция ССК вызвала в душе Рейгана глубокий отклик. Уже околдованный обещанием ученых дать Америке оборонительный рубеж в виде Стратегической оборонной инициативы (СОИ, прозванной «Звездными войнами»), он сгорал от желания выйти и показать все, что они могут, ради научного превосходства США. Гиппер был готов сделать глубокий пас.
Проект получил президентское одобрение, но все же вызывал много сомнений. В своем докладе представитель Департамента энергетики объяснял, что ССК станет международным предприятием при финансовой поддержке других стран. Но заявления американских физиков сорвали ему всю игру. С какой стати другие страны будут поддерживать проект, который явно задуман для того, чтобы вернуть американцам лидерство в физике высоких энергий? У Европы, во всяком случае, были твердые обязательства перед ЦЕРНом. Неудивительно, что ССК не привлек особого внимания за океаном.
Возмущение нарастало и в самом сообществе американских физиков и теперь вылилось в открытую конфронтацию. При таких огромных затратах чем придется пожертвовать ради поиска бозона Хиггса? Были много и других, по отдельности гораздо менее дорогостоящих проектов, которые с гораздо большей вероятностью могли привести к потенциально ценным технологическим прорывам. Бюджета американских физиков не хватило бы на финансирование всех этих проектов вместе с ССК, и они оказались под угрозой. Неужели физика высоких энергий действительно в тысячу раз более ценна, чем другие области науки?
Слова «большая наука» превратились в ругательство.
ССК пользовался поддержкой со стороны конгресса и сената, пока не было известно предполагаемое местонахождение нового коллайдера. Национальные академии наук и техники США получили 43 предложения от 25 разных штатов. Техасское правительство назначило специальную комиссию, и та пообещала выделить миллиард долларов, если ССК построят на территории Техаса. Возможно, имело смысл построить новый коллайдер на территории Фермилаба, где уже была готовая инфраструктура и множество физиков, которые потребуются для работы. Но в ноябре 1988 года Национальные академии решили, что ССК будет строиться в геологической формации мелового периода Остин-Чок, глубоко под техасской прерией в округе Эллис, где когда-то располагались хлопковые плантации.
Вице-президент Рейгана техасец Джордж Буш сменил его на президентском посту всего за два дня до того, как было объявлено место строительства. Никто не намекал, что академии приняли предвзятое решение, но Буш вступил в ряды убежденных сторонников проекта. Однако теперь, когда стало известно место, поддержка конгрессменов и сенаторов от других штатов стала быстро сходить на нет.
Физикам приходилось вырывать средства у конгресса в постоянной борьбе, и каждый раз, когда проект ставили на рассмотрение, их вызывали в конгресс. Между тем предварительная смета расходов росла как на дрожжах, по мере того как инженеры яснее осознавали все последствия строительства огромного кольца сверхпроводящих магнитов. К тому времени, как в 1990 году государство выделило средства для начала строительства, смета почти удвоилась до 8 миллиардов долларов.
В Остин-Чоке пробурили пробные шурфы, у Ваксахачи, на части площади в 7 тысяч гектаров, отведенной под проект правительством Техаса, построили кое-какую инфраструктуру. Возникли лаборатории для конструирования и испытания магнитов. Поднялись крупные постройки, где разместились охладители, чтобы охлаждать до жидкого состояния гелий, необходимый для поддержания нужной температуры сверхпроводящих магнитов.
Для работы на детекторах сформировались два коллектива. Коллаборация соленоидального детектора должна была включать тысячу физиков и инженеров из более чем ста различных научных институтов мира. Это был детектор общего назначения стоимостью 500 миллионов долларов. Как ожидалось, он должен был начать регистрировать данные еще до конца 1999 года. Предполагалась также группа работы с гамма-излучением, электронами и мюонами (группа ГЭМ) такой же величины, чтобы составлять конкуренцию коллаборации соленоидального детектора.
Многие физики решили рискнуть и либо взяли продолжительный отпуск на своей текущей работе, либо совсем уволились и переехали, чтобы работать на проекте ССК. В целом около двух тысяч человек собралось в районе Ваксахачи. Постороннему человеку, незнакомому с делами ССК, вся эта деятельность, наверное, казалась весьма воодушевляющей. Строились лаборатории, бурились шурфы, съезжались толпы людей.
Но были другие признаки, не такие радужные. Власти США бились с уже большим бюджетным дефицитом, который продолжал расти. В январе 1992 года президент Буш вернулся из поездки в Японию с пустыми руками: японцы настаивали, что ССК не является международным проектом и потому они не будут его поддерживать. Все громче звучали протесты против «большой науки». В июне палата представителей конгресса проголосовала за поправку к федеральному бюджету, которая закрывала проект ССК. Проект не закрылся только благодаря вмешательству сената.
О тучах уныния, которые начали сгущаться вокруг проекта, рассказал Вайнберг в своей популярной книге «Мечты об окончательной теории», опубликованной в 1993 году. Он писал:[135] «Несмотря на продолжающееся строительство и бурение, я знал, что финансирование проекта может прекратиться. Я мог представить себе, как засыплют пробные шурфы и опустеет здание магнитов, и только слабеющие воспоминания немногих фермеров останутся свидетелями того, что в округе Эллис планировали построить огромную научную лабораторию. Возможно, я находился под влиянием викторианского оптимизма [Томаса] Гексли, но мне не верилось, что это случится или что в наше время поиск окончательных законов природы будет прекращен».
В опубликованной в том же году книге Ледермана «Частица Бога», намного более мечтательной, он грубо пробуждается от грез, в которых любезно беседовал с греческим философом Демокритом[136]: «Черт». Сонно поднимая голову от бумаг, я понял, что снова дома. Мне бросилась в глаза фотокопия с газетным заголовком: «Конгресс ставит под вопрос финансирование суперколлайдера». Мой компьютер запикал, это пришло электронное «приглашение» в Вашингтон на сенатское слушание по вопросу ССК».
В ноябре 1992 года на президентских выборах в США победил Билл Клинтон, обойдя Джорджа Буша и независимого кандидата – техасского бизнесмена Росса Перо. К следующему июню смета ССК выросла до 11 миллиардов, и палата представителей снова проголосовала против. Как заметил Рафаэль Каспер, заместитель директора ССК: «Голосование против ССК стало в какой-то момент символом фискальной ответственности. Вот дорогостоящий проект, против которого можно голосовать»[137].
Клинтон в основном поддерживал проект, но не так преданно, как Буш и Рейган. К тому же у проекта появился соперник в виде программы строительства Международной космической станции стоимостью 25 миллиардов долларов, которая также должна была базироваться в Техасе, в Джонсоновском космическом центре НАСА в Хьюстоне.
В сентябре 1993 года Вайнберг, Рихтер и Ледерман сделали последнюю отчаянную попытку помочь ССК. Британский физик Стивен Хокинг прислал видеообращение в поддержку. Но все напрасно.
В октябре палата представителей США с перевесом в один голос проголосовала в пользу МКС. На следующий день она проголосовала против ССК два к одному. На этот раз не было никаких отсрочек. Финансирование выделялось для консервации уже построенных объектов. Уже было потрачено 2 миллиарда и вырыт 23-километровый туннель (см. рис. 19), но никакой викторианский оптимизм не мог спасти проект. ССК умер.
Писатель Герман Вук, лауреат Пулицеровской премии, написал роман «Яма в Техасе» на основе истории ССК. В авторском предисловии он говорит так[138]:
«После того как [физики] изобрели атомную и водородную бомбы, они были любимцами конгресса. Но все внезапно и грубо кончилось. Единственное, что осталось от так и не начавшегося поиска хиггсовского бозона, – это яма в Техасе, огромная заброшенная яма.
Она по-прежнему там».
К моменту, когда конгресс США закрыл проект ССК в октябре 1993 года, уже было потрачено 2 миллиарда долларов и вырыт 23-километровый туннель под техасской прерией.
16 декабря 1994 года, через год с небольшим после закрытия ССК, страны – участники ЦЕРНа проголосовали за выделение 15 миллиардов долларов в течение 20 лет на перестройку БЭПа, когда истечет его срок действия, и переоборудование его в протон-протонный коллайдер. Идея Большого адронного коллайдера (БАК) впервые обсуждалась еще за 10 лет до того, на симпозиуме ЦЕРНа в швейцарской Лозанне в марте 1984 года. Он мог бы достичь энергии столкновения до 14 ТэВ, это меньше половины максимальной энергии ССК, но более чем достаточно, чтобы найти бозон Хиггса.
Руббиа заявил, что ЦЕРН «выложит туннель БЭПа сверхпроводящими магнитами»[139].
9
Фантастический миг
В проекте ССК физики сильно рискнули и проиграли. Ропот недовольства, которое в конце концов привело к закрытию американского проекта, начал раздаваться и в Европе. К счастью для ЦЕРНа, он финансировался средствами не одной отдельной страны. Однако страны-участницы, недовольные величиной отчисляемых вложений, все же могли решить и прекратить финансирование. В апреле 1993 года, всего за полгода до того, как палата представителей США приняла окончательное решение закрыть проект ССК, министр науки Великобритании Уильям Уолдгрейв поставил перед британским сообществом физики высоких энергий неожиданную задачу.
Поставленная Уолдгрейвом задача предвосхищала серьезный сдвиг в научной политике консервативного правительства во главе с премьер-министром Джоном Мейджором. Правительственный доклад, который должен был быть опубликован в следующем месяце, смещал акцент в научной политике в сторону инноваций, имевших целью более эффективное накопление богатств и повышение качества жизни граждан Великобритании. Иными словами, британская наука должна была служить интересам британской экономики к пользе «британского народа». Правительство собиралось полностью пересмотреть свою поддержку науки и технологии.
Все это не предвещало ничего хорошего. Британия еще оправлялась от последствий глобальной рецессии, наступившей после падения фондового рынка в октябре 1987 года, и с трудом могла позволить себе ежегодно вкладывать в ЦЕРН 55 миллионов фунтов. Хотя физики могли указать на многие дополнительные выгоды от ЦЕРНа, например проект присоединения к гипертекстовому Интернету, в результате чего Тим Бернерс-Ли изобрел Всемирную паутину в 1990 году, пожалуй, объяснить, каким образом открытие бозона Хиггса непосредственно улучшит накопление богатств и качество жизни британского народа, было трудновато.
К счастью, физиков еще не просили делать подобного рода обоснования. Но Уолдгрейв ясно дал понять, что им придется очень постараться, чтобы объяснить, чего такого они пытаются добиться.
Что это за штука, которую называют бозоном Хиггса? Чем она так важна, что нужно тратить миллиарды долларов только ради того, чтобы ее найти? «Если вы поможете мне в этом разобраться, у меня будет больше шансов помочь вам получить деньги на его поиски», – сказал Уолдгрейв слушателям на ежегодной конференции британского Института физики[140]. Он сказал, что если бы ктонибудь простым английским языком, на одном листе бумаги объяснил, из-за чего весь сыр-бор, тогда он подарил бы ему бутылку винтажного шампанского.
Разумеется, весь сыр-бор поднялся из-за того, что поле Хиггса стало играть ключевую роль в Стандартной модели. Без поля Хиггса не нарушилась бы электрослабая симметрия[141]. Без нарушения симметрии W– и Z-частицы были бы безмассовыми, как фотон, и электрослабое взаимодействие было бы объединено. Без взаимодействия между элементарными частицами и полем Хиггса не было бы массы: ни материи, ни звезд, ни планет, ни жизни. А прямо доказать существование этого поля можно было, только найдя частицу этого поля – бозон Хиггса. Найдите бозон Хиггса, и мы тут же узнаем гораздо больше об истинной природе материального мира.
Чтобы объяснить механизм Хиггса простым языком, понятным даже политику, требовалась простая аналогия. Дэвид Миллер, профессор физики элементарных частиц и астрономии в Университетском колледже Лондона, посчитал, что он нашел именно такую. Он решил, что достаточно будет небольших косметических изменений и у него получится живая картина, если он воспользуется опытом самого Уолдгрейва, опытом общения с выдающейся личностью, которая еще недавно господствовала в британской политике: бывшим премьер-министром Маргарет Тэтчер. Он написал[142]:
«Представьте себе вечеринку с членами политических партий, которые равномерно распределены по комнате и все разговаривают с ближайшим соседом. Входит мадам бывший премьер-министр и идет по комнате. Все партийные функционеры, находящиеся радом, с силой притягиваются к ней и скапливаются вокруг нее. По мере движения она притягивает тех, к кому приближается, а те, кого она оставила, снова равномерно распределяются по комнате. Из-за того что вокруг нее все время скапливается толпа народа, она приобретает массу больше обычной, то есть у нее больший импульс при той же скорости движения по залу. При движении ее труднее остановить, а после остановки ее труднее заставить двигаться вновь, так как процесс скопления приходится начинать сначала. Это и есть механизм Хиггса в трех измерениях и с усложнениями, которое вносит принцип относительности.
Чтобы сообщить массу частицам, мы предположили фоновое поле, которое локально искажается, когда частица движется сквозь него. Искажение – скопление поля вокруг частицы – генерирует массу частицы. Возьмем пример прямо из физики твердых тел. Вместо поля, распределенного по всему пространству, твердое тело содержит решетку положительно заряженных атомов кристалла. Когда электрон движется по решетке, атомы притягиваются к нему, отчего эффективная масса электрона становится в сорок раз больше массы свободного электрона.
Постулированное поле Хиггса в вакууме – своего рода гипотетическая решетка, пронизывающая нашу Вселенную. Оно необходимо нам, потому что иначе мы не можем объяснить, почему Z– и W-частицы, переносящие слабое взаимодействие, массивны, а фотон, переносящий электромагнитное взаимодействие, не имеет массы».
Так Миллер описал механизм, при помощи которого безмассовые элементарные частицы (которые в аналогии представляют Тэтчер) взаимодействуют с полем Хиггса (равномерным распределением партийных функционеров) и таким образом приобретают массу, как показано на рис. 20. Чтобы объяснить бозон Хиггса, Миллер продолжал:
«А теперь представьте, что по комнате с партийными функционерами прошел слух. Те, кто находится рядом с дверью, слышат его первыми и скапливаются в группу, чтобы узнать подробности. Потом они разворачиваются и переходят к ближайшим соседям, которым тоже хочется послушать. По комнате проходит волна скоплений. Она может распространиться до всех четырех углов или образовать компактный узел, который переносит новость по линии функционеров от двери до какого-то высокопоставленного лица по ту сторону комнаты. Так как информацию переносят скопления людей и так как именно скопления сообщали дополнительную массу бывшему премьер-министру, тогда скопления – переносчики слуха тоже имеют массу.
Объяснение механизма Хиггса, которое использовал Дэвид Миллер в своей конкурсной заявке, занявшей первое место. По мере движения Маргарет Тэтчер через «поле» партийных функционеров поле скапливается вокруг нее, и движение замедляется. Так приобретается масса.
Бозон Хиггса, как предсказано, является таким скоплением в поле Хиггса. Нам будет гораздо проще поверить, что поле существует и что механизм сообщения массы другим частицам верен, если мы увидим саму частицу Хиггса. И этому тоже есть аналогия в физике твердых тел. Кристаллическая решетка может переносить волны скоплений, и ей не требуется, чтобы электрон двигался и притягивал атомы. Эти волны могут вести себя так, как если были бы частицами. Они называются фотонами и тоже бозоны. Механизм Хиггса и поле Хиггса могут существовать в течение всей жизни нашей Вселенной, но при этом может не существовать бозона Хиггса. Это должно установить новое поколение коллайдеров».
Рис. 21 наглядно это иллюстрирует.
Уолдгрейв получил 117 заявок, что само по себе говорит о важности поисков. Вперед вышли пятеро, но сообщество физиков признало лучшей заявку Миллера. Миллер не забыл забрать свою бутылку «Вдовы Клико», хотя, по всей видимости, так его и не попробовал. «Моя жена, ее сестра и подружка моего сына выпили все шампанское», – рассказал он[143].
Несмотря на стесненные обстоятельства, британское правительство продолжало вкладывать средства в ЦЕРН[144].
Бозон Хиггса похож на слух, который шепотом передается по «полю» партийных работников. На поле происходит скопление тех, кто желает услышать слух, и формируется локализованная «частица», которая затем движется по комнате.
Когда охота за бозоном Хиггса приостановилась, оставалось найти еще несколько частиц Стандартной модели. 2 марта 1995 года две соперничающие исследовательские группы по 400 физиков каждая объявили об открытии истинного кварка. Его удалось установить по продуктам его распада. Энергетические протоны и антипротоны сталкиваются и образуют пару из истинного кварка и истинного антикварка. Обе частицы затем распадаются на прелестный кварк и W-частицу. W-частица распадается на мюон и мюонное антинейтрино. Кварк распадается на верхний и нижний кварки. В конечном итоге получается столкновение, продукт которого мюон, мюонное антинейтрино и четыре кварковых струи. У истинного кварка огромная масса – 175 ГэВ, почти в 40 раз больше массы его партнера третьего поколения – прелестного кварка.
Помимо бозона Хиггса, еще оставалось открыть таунейтрино. О его открытии Фермилаб объявил через пять лет, 20 июля 2000 года. Тогда появилась возможность составить порядок слабых взаимодействий, меняющих один аромат кварка на другой (см. рис. 22).
Еще оставалась какая-то надежда, что Тэватрон или БЭП обнаружат бозон Хиггса, и потому они работали на пределе своих возможностей. Проблема была в том, что невозможно было точно предсказать массу бозона Хиггса. В отличие от частиц W и Z физики не очень понимали, где его искать.
Поделиться книгой: