Нет языка, и нет наречия, где не слышался бы голос их.

Псалмы 18:4

 

Вы, наверное, думаете, что после выхода статьи Вайнберга физики всего мира устроили праздники с фейерверками. На самом же деле за следующие три года после публикации теории Вайнберга ни один физик, включая и самого Стивена, не нашел повода сослаться на эту статью – на сегодняшний день одну из самых цитируемых работ в физике элементарных частиц. Если в исследовании природы и было сделано великое открытие, то этого никто тогда еще не заметил.

В конце концов, максвелловское объединение электричества и магнетизма позволило сделать чудесное предсказание о том, что свет – это электромагнитная волна, скорость которой можно вычислить из первичных принципов, и – кто бы мог подумать! – измеренная скорость света оказалась равна предсказанной. Эйнштейновское объединение пространства и времени позволило предсказать замедление часов для движущихся наблюдателей, и – смотри‑ка! – они действительно замедляются, причем именно так, как предсказано. В 1967 г. объединение слабого и электромагнитного взаимодействий Глэшоу – Вайнберга – Салама предсказало три новых векторных бозона, которые были почти в сто раз тяжелее любой обнаруженной к тому времени частицы. Она предсказала также новые типы взаимодействия вещества с электронами и нейтрино благодаря новопредсказанной Z‑частице, которую не только никто до той поры не видел, но само существование которой ставилось под сомнение данными многих экспериментов. Она также требовала существования нового и тоже никем не виданного до той поры массивного фундаментального скалярного бозона – частицы Хиггса, притом что никаких фундаментальных скалярных частиц на тот момент известно не было. И наконец, если говорить о ней как о квантовой теории, никто вообще не знал, имеет ли она смысл.

Поэтому нисколько не удивительно, что эта идея не произвела сразу же эффекта разорвавшейся бомбы. Тем не менее не прошло и десяти лет, как все переменилось, и в физике элементарных частиц начался самый продуктивный в плане теории период после открытия квантовой механики. И хотя калибровочная теория слабого взаимодействия дала старт этому процессу, результат оказался гораздо масштабнее.

 

* * *

 

Первой трещинкой в дамбе, сдерживающей воды прогресса, стала в 1971 г. работа голландского магистранта Герарда ’т Хоофта. Я навсегда запомнил, как пишется его имя, потому что один из моих особенно талантливых и остроумных бывших коллег по Гарварду, покойный Сидни Коулмен, шутил, что если бы у Герарда были запонки с монограммой, то и на них пришлось бы поставить апостроф. До 1971 г. многие крупнейшие теоретики мира пытались понять, пропадут ли расходимости – настоящее проклятие в большинстве квантовых теорий поля – в калибровочных теориях со спонтанным нарушением симметрии, как они пропадали в аналогичных теориях без нарушения симметрии. Но ответ постоянно ускользал. Интересно, что доказательство, которого не заметили другие, нашел молодой магистрант, работавший под руководством закаленного профессионала – Мартина Вельтмана. Нередко мы, физики, увидев какой‑то новый результат, способны быстро вникнуть в детали и представить, как и сами могли бы сделать это открытие. Но многие озарения ’т Хоофта – а их было много, поскольку почти все новые идеи 1970‑х гг. так или иначе проистекали из его теоретических изобретений, – исходили, кажется, из какого‑то скрытого от глаз резервуара интуитивных знаний.

Еще одна замечательная черта Герарда – его мягкость, скромность и стеснительность. От человека, который прославился в своей области еще студентом, можно было бы ожидать некоторого чувства собственного превосходства. Но с самой первой нашей встречи – еще раз: я тогда был зеленым магистрантом – Герард относился ко мне как к интересному другу, и мне приятно сказать, что наша дружба продолжается. Я всегда стараюсь помнить о его отношении, когда встречаюсь с молодыми студентами; иногда они кажутся стеснительными или напуганными, но я всегда стараюсь следовать примеру Герарда и подражать его открытому великодушию.

Его научный руководитель Тини Вельтман, как его часто называли, производил совершенно противоположное впечатление. Не то чтобы с Тини нельзя было приятно пообщаться. Это не так. Но он всегда с самого начала разговора давал мне ясно понять: что бы я ни сказал, я все равно недостаточно понимаю суть дела. Я всегда получал удовольствие от его интеллектуальных провокаций.

Важно отметить, что ’т Хоофт никогда не взялся бы за эту задачу, если бы Вельтман не был одержим ею, хотя большинство остальных ученых уже сдались и отказались от борьбы. Идею о том, что кому‑то в конце концов удастся расширить методы, разработанные Фейнманом и другими учеными для обуздания квантовой электродинамики, и применить их к более сложным теориям, таким как теория Янга – Миллса со спонтанными нарушениями симметрии, многие специалисты считали попросту наивной. Но Вельтман упрямо продолжал работать над проектом, и он мудро подобрал себе в помощь магистранта, который к тому же оказался гением.

Потребовалось некоторое время, чтобы идеи ’т Хоофта и Вельтмана проникли в сознание их коллег, а новые методы, разработанные ’т Хоофтом, получили общее признание, но уже через год или около того физики согласились, что теория, предложенная Вайнбергом, а позже Саламом, имеет смысл. Цитирование статьи Вайнберга внезапно стало экспоненциально расти. Однако «имеет смысл» и «верна» – две разные вещи. Неужели природа действительно воспользовалась той самой теорией, что предложили Глэшоу, Вайнберг и Салам?

Довольно долго этот ключевой вопрос оставался открытым, и некоторое время даже казалось, что ответ должен быть «нет».

Важным нововведением этой теории было требование существования новой нейтральной частицы Z помимо заряженных частиц, предложенных несколькими годами ранее Швингером и другими и необходимых для превращения нейтронов в протоны, а электронов в нейтрино. Оно означало, что должен существовать еще один тип слабого взаимодействия, не только для электронов и нейтрино, но и для протонов и нейтронов, передаваемый путем обмена этими новыми нейтральными частицами. В данном случае, как и в электромагнетизме, тип взаимодействующих частиц меняться не должен. Такие взаимодействия получили известность как взаимодействия посредством нейтральных токов, и очевидным способом проверки данной теории был поиск таких взаимодействий. А искать их лучше всего было в поведении тех единственных в природе частиц, которые чувствуют только слабое взаимодействие, а именно нейтрино.

Возможно, вы помните, что предсказание нейтральных токов было одной из причин, по которым не сработала гипотеза, предложенная Глэшоу в 1961 г. Но модель Глэшоу не была полноценной теорией. Массы частиц просто вставлялись в уравнения вручную, а потому контролировать квантовые поправки было невозможно. Однако, когда Вайнберг и Салам предложили свою модель для электрослабого объединения, уже имелись все необходимые для детальных предсказаний элементы. Масса Z‑частицы была предсказана и, как показал ’т Хоофт, появилась возможность надежно рассчитать все квантовые поправки, в точности так, как это делалось для квантовой электродинамики.

Это было и хорошо и плохо, потому что не оставалось никакого места для маневра на случай каких‑либо расхождений с данными наблюдений. И в 1967 г. такие расхождения действительно обнаружились. При высокоэнергетических столкновениях нейтрино с протонами не наблюдалось никаких нейтральных токов, хотя верхний предел устанавливался на уровне примерно десяти процентов от частоты более знакомых слабых взаимодействий нейтрино и протонов со сменой знака, таких как нейтронный распад. Перспективы смотрелись печально, и большинство физиков пришли к выводу, что слабых нейтральных токов не существует.

Вайнберг, лично заинтересованный в успехе этого квеста, в 1971 г. разумно заявил, что пространство для маневра все же есть. Но большинство остальных членов сообщества с такой позицией не согласились.

В начале 1970‑х гг. в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) были проведены новые эксперименты на протонном ускорителе, в которых протонами высоких энергий бомбардировали длинную мишень. Большинство частиц, получившихся при столкновении, поглощались мишенью, но нейтрино вылетали с другого конца – их способность к взаимодействию настолько слаба, что они могли пройти мишень насквозь без поглощения. Получившийся пучок энергичных нейтрино затем попадал в размещенный на его пути детектор, способный зарегистрировать те немногочисленные события, в которых нейтрино взаимодействовали с веществом детектора.

Был построен новый громадный детектор, получивший название «Гаргамель» в честь великанши – матери Гаргантюа из романа французского писателя Рабле. Эта «пузырьковая камера» размером пять на два метра была наполнена перегретой жидкостью, в которой при прохождении энергичных заряженных частиц оставался след из пузырьков, чем‑то напоминающий туманный след невидимого самолета высоко в небе.

Интересно, что, когда экспериментаторы, построившие «Гаргамель», встретились в 1968 г., чтобы обсудить планы экспериментов с нейтрино, идея поиска нейтральных токов даже не упоминалась – ясное свидетельство того, что многие физики считали этот вопрос решенным. Гораздо больший интерес для них представляла возможность развить полученные незадолго до того неожиданные результаты экспериментов на Стэнфордском линейном ускорителе SLAC, где электроны высоких энергий использовались как зонды для исследования строения протонов. Использование в этом качестве нейтрино могло повысить точность измерений, поскольку нейтрино не заряжены.

Однако после результатов ’т Хоофта и Вельтмана, в 1972 г., экспериментаторы начали всерьез воспринимать описание слабого взаимодействия, данное калибровочной теорией, и в первую очередь гипотезой Глэшоу – Вайнберга – Салама. А значит, пора было заняться поисками нейтральных токов. У группы, работавшей с детектором «Гаргамель», в принципе было все необходимое для этого, хотя сам детектор конструировался не для этой задачи.

Большинство энергичных нейтрино в пучке при взаимодействии с протонами мишени должны были превращаться в мюоны – более тяжелые аналоги электронов. Эти мюоны вылетали из мишени, оставляя за собой длинный след, характерный для заряженной частицы, до самой кромки детектора. Протоны превращались в нейтроны, которые сами по себе не оставляют следов, но, сталкиваясь с ядрами, порождают короткий «ливень» заряженных частиц, оставляющих следы. Таким образом, эксперимент был нацелен на регистрацию мюонных следов с сопутствующим коротким ливнем заряженных частиц; они регистрировались как отдельные сигналы, говорящие в то же время об одном акте слабого взаимодействия.

Однако иногда нейтрино, провзаимодействовав с веществом вне детектора, порождало нейтрон, который, влетев в детектор, мог вступить там во взаимодействие. Такие события должны были оставлять след в виде одного только ливня сильно взаимодействующих частиц, порожденного нейтроном, без сопутствующего ему мюонного следа.

Когда на детекторе «Гаргамель» начался поиск нейтральных токов, внимание ученых сосредоточилось именно на таких изолированных каскадах заряженных частиц без сопутствующего им мюона. В событиях, связанных с нейтральными токами, нейтрино, взаимодействующее с нейтроном или протоном в детекторе, не превращается в заряженный мюон, но просто упруго отскакивает и уходит за пределы детектора, не оставив следа. Наблюдать при этом можно только каскад частиц отдачи – ту же сигнатуру, что остается после более обычных нейтринных взаимодействий вне детектора, порождающих нейтроны, которые попадают в детектор и порождают ливень ядерных частиц.

Таким образом, задачей эксперимента, если ставить целью однозначное обнаружение нейтральных токов, было отличить события, порождаемые нейтрино, от аналогичных событий, порождаемых нейтронами. (Эта же задача представляет главную сложность для экспериментаторов при поиске любых частиц, вступающих в слабые взаимодействия, включая и гипотетические частицы темного вещества, поиск которых сегодня идет в подземных детекторах по всему миру.)

Первый единичный электрон отдачи без каких бы то ни было сопутствующих ему следов заряженных частиц в детекторе удалось пронаблюдать в 1973 г. Такой электрон мог возникнуть в результате более редкого, но предсказанного для нейтральных токов столкновения нейтрино с электроном вместо протона или нейтрона. Вообще‑то единичного события недостаточно, чтобы с определенностью заявить о новом открытии в физике элементарных частиц. Однако этот результат дал надежду, и к марту 1973 г. тщательный анализ нейтронного фона и наблюдавшихся изолированных ливней частиц, похоже, уже подтверждал, что нейтральные токи слабого взаимодействия действительно существуют. Тем не менее только к июлю 1973 г. исследователи в ЦЕРН выполнили все необходимые проверки, чтобы уверенно заявить о регистрации нейтральных токов, что они и сделали в августе на конференции в Бонне.

История могла бы на этом и закончиться, но, к несчастью, вскоре после этого другая группа ученых, занятая поисками нейтральных токов, перепроверила их данные на своей установке и обнаружила, что предыдущий сигнал, означавший наличие нейтральных токов, куда‑то исчез. Это породило немалую суматоху и скепсис в физическом сообществе, а нейтральные токи, казалось, вновь попали под подозрение. В конце концов группа, работавшая на «Гаргамели», повторила все с начала, проверила детектор непосредственно на протонном пучке и собрала намного больше данных. Почти год спустя, в июне 1974 г., группа представила на очередной конференции неопровержимые доказательства существования сигнала. Тем временем конкурирующая группа нашла причину ошибки и подтвердила результат «Гаргамели». Глэшоу, Вайнберг и Салам были оправданны.

Нейтральные токи пробили себе дорогу, и уже казалось, что замечательное объединение слабого и электромагнитного взаимодействий вот‑вот случится. Но оставались еще две нерешенные проблемы, которые требовали внимания.

Открытие нейтральных токов при нейтринном рассеивании подтвердило идею о существовании Z‑частицы, но это никак не гарантировало, что слабое взаимодействие полностью соответствует образу, который предложили Глэшоу, Вайнберг и Салам и в котором слабое и электромагнитное взаимодействия были едины. Чтобы разобраться в этом, требовался эксперимент с использованием частицы, принимающей участие как в слабом, так и в электромагнитном взаимодействии. Электрон идеален в этом отношении, поскольку участвует только в этих двух взаимодействиях.

Когда электроны взаимодействуют с другими зарядами посредством электромагнитного притяжения, левые и правые электроны ведут себя одинаково. Однако теория Вайнберга – Глэшоу – Салама требовала, чтобы слабые взаимодействия для левых и правых частиц проходили по‑разному. Из этого следовало, что тщательные измерения рассеяния поляризованных электронов – электронов, заранее приведенных в левое или правое состояние при помощи магнитных полей, – на разных мишенях должно было бы, по идее, выявить нарушение симметрии правого и левого, но не настолько резкое, как асимметрия, наблюдавшаяся в нейтринном рассеянии, потому что нейтрино всегда чисто левое. Уровень нарушения при рассеянии электронов, если он существует, должен был бы отражать степень, в которой слабое взаимодействие и электромагнетизм смешаны в объединенной теории.

На самом деле идею проверки такой интерференции с использованием рассеяния электронов предложил еще в 1958 г. замечательный советский физик Яков Зельдович. Но прошло двадцать лет, прежде чем появилась техническая возможность ставить эксперименты с достаточной чувствительностью. Так что в случае с открытием нейтральных токов дорога к успеху была полна ухабов и тупиков.

Одна из причин, по которым проверка этой идеи потребовала так много времени, состояла в том, что слабое взаимодействие и правда очень слабое. Поскольку доминирующим способом взаимодействия электронов с веществом является электромагнитное взаимодействие, предсказанная асимметрия правого и левого, возникающая вследствие обмена Z‑частицей, мала – меньше одной десятитысячной. Для проверки наличия такой асимметрии нужен был пучок одновременно интенсивный и с хорошей известной первоначальной поляризацией.

Лучше всего для этих экспериментов подходил Стэнфордский линейный ускоритель. Он построен в 1962 г. и был самой длинной – две мили – из когда‑либо построенных человеком столь прямолинейных конструкций. В 1970 г. в нем появились поляризованные пучки, но только в 1978 г. удалось разработать и поставить эксперимент с чувствительностью, достаточной для поиска влияния слабого взаимодействия на рассеяние электронов.

Хотя успешное наблюдение нейтральных токов в 1974 г. стало началом широкого признания теории Вайнберга – Глэшоу – Салама физиками‑теоретиками, эксперимент SLAC 1978 г. был необычайно важен; дело в том, что в 1977 г. два эксперимента в области атомной физики дали результаты, которые, если бы они подтвердились, однозначно опровергли бы эту теорию.

В нашей истории до сих пор принципиальную роль играл свет, освещавший (простите за каламбур) наши представления не только об электричестве и магнетизме, но и о пространстве, времени и в конечном итоге о природе квантового мира. Так что было понятно, что свет способен помочь разобраться и с электрослабым объединением.

Первым большим успехом квантовой электродинамики стало верное предсказание спектра водорода, а со временем и других атомов. Но если электроны ощущают и слабое взаимодействие, то это даст небольшую добавочную силу между электронами и ядрами, которая должна изменить – хотя и очень слабо – характеристики их атомных орбит. Как правило, эту разницу заметить невозможно, поскольку слабые эффекты тонут в электромагнитных. Но слабое взаимодействие нарушает четность, так что те самые поправки к электромагнитному взаимодействию от слабых нейтральных токов, которые исследовали при помощи поляризованных электронных пучков, могут дать в атомах новые эффекты, которых не было бы, если бы действовал один только электромагнетизм.

В частности, для тяжелых атомов теория Вайнберга – Салама предсказывала, что если сквозь газ из атомов пропустить поляризованный свет, то направление поляризации света повернется примерно на одну миллионную долю градуса из‑за нарушающего четность действия нейтральных токов в атомах, сквозь которые прошел свет.

В 1977 г. статьи с результатами двух независимых экспериментов в области атомной физики, проведенных в Сиэтле и в Оксфорде, были опубликованы подряд в журнале Physical Review Letters . Результаты были удручающие. Никакого оптического поворота не удалось увидеть на масштабе, вдесятеро меньшем, чем тот, что предсказывала теория электрослабого взаимодействия. Если бы только один эксперимент дал такой результат, он, скорее всего, показался бы сомнительным. Но одинаковый результат двух независимых экспериментов на разном оборудовании выглядел очень убедительно. Казалось, теория опровергнута.

Тем не менее проект SLAC, начавшийся тремя годами ранее, шел полным ходом, и, поскольку подготовка к эксперименту уже началась, его проведение было утверждено и первые данные ожидались в начале 1978 г. Нулевой результат предыдущих опытов побудил стэнфордских ученых добавить в свой эксперимент несколько дополнительных «звоночков», чтобы в том случае, если никакого эффекта не обнаружится, была бы гарантия, что они могли бы его заметить, если бы он был.

Уже через два месяца после старта эксперимент начал демонстрировать явные признаки нарушения четности, и к июню 1978 г. ученые объявили ненулевые результаты его работы, согласующиеся с предсказаниями модели Глэшоу – Вайнберга – Салама, основанной на измеренном рассеянии нейтрино нейтральными токами, что позволило, в свою очередь, измерить силу Z‑взаимодействия.

Тем не менее вопросы оставались, особенно с учетом явного расхождения этих результатов с результатами Сиэтла и Оксфорда. В Калтехе на одном из семинаров по этому вопросу Ричард Фейнман в очень типичной для него манере сразу обратил внимание на ключевой экспериментальный вопрос и поинтересовался, проверяли ли экспериментаторы на SLAC, одинаково ли хорошо детектор отзывается на левые и правые электроны. Оказалось, что не проверяли, но теоретические соображения и не давали им оснований считать, что детекторы могут по‑разному вести себя при пучках электронов с разной поляризацией. (Как известно, восемь лет спустя Фейнман сумеет разобраться и в другой сложной проблеме, связанной с трагическим взрывом «Челленджера»; тогда он просто продемонстрировал разрушение уплотнительного кольца и комиссии по расследованию, и публике, наблюдавшей за происходящим по телевизору.)

До осени авторы эксперимента SLAC постарались исключить и этот, и другие поводы для беспокойства и осенью объявили окончательный результат, соответствующий предсказанию Глэшоу – Вайнберга – Салама с погрешностью менее 10 %. Электрослабое объединение получило подтверждение!

Я по сей день не знаю, есть ли у кого‑нибудь хорошее объяснение, почему первоначальные результаты у атомных физиков оказались ошибочными (позже те же эксперименты давали результаты, соответствующие теории Глэшоу – Вайнберга – Салама); можно лишь сказать, что физические эксперименты и теоретическая интерпретация результатов этих экспериментов – дело сложное.

Как бы то ни было, всего год спустя, в октябре 1979 г., Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг были удостоены Нобелевской премии за теорию электрослабого взаимодействия, получившую теперь экспериментальное подтверждение и объединившую две из четырех сил природы, на основе одной фундаментальной симметрии – калибровочной инвариантности. Если бы калибровочная симметрия не нарушалась скрытым от глаз образом, слабое и электромагнитное взаимодействия выглядели бы совершенно одинаково. Но тогда все частицы, из которых мы состоим, не имели бы массы и нас бы здесь не было, чтобы это заметить…

Это, однако, еще не конец нашей истории. Два из четырех – это всего лишь два из четырех. Сильное ядерное взаимодействие, исследованием которого в значительной степени мотивировалась работа, приведшая в конечном итоге к электрослабому объединению, продолжало упорно сопротивляться всем попыткам объяснения даже тогда, когда теория электрослабого взаимодействия окончательно оформилась. Ни одно объяснение сильного ядерного взаимодействия через спонтанное нарушение калибровочных симметрий не выдерживало испытания экспериментом.

Таким образом, пока ученые‑философы XX столетия пробирались – нередко весьма извилистыми и слабо освещенными путями – к выходу из нашей пещеры теней, чтобы хотя бы одним глазком взглянуть на скрытую в обычных условиях под поверхностью вещей реальность, на постепенно проступающем прекрасном гобелене природы все еще не хватало одной силы, необходимой для понимания строения вещества на фундаментальном уровне.

 

Глава 19

Свободен наконец

 

…отпусти народ мой…

Исход 9:1

 

Долгая дорога к электрослабому объединению стала демонстрацией интеллектуального упорства и изобретательности. Но она же была и вынужденным отступлением. Чуть ли не все основные идеи, предложенные Янгом, Миллсом, Юкавой, Хиггсом и другими учеными, приведшие в конечном итоге к появлению этой теории, были разработаны в процессе безуспешной на первый взгляд борьбы за понимание мощнейшей силы природы – сильного ядерного взаимодействия. Вспомним, что эта сила и проявляющие ее сильно взаимодействующие частицы настолько запутали физиков, что в 1960‑е гг. многие из них совсем потеряли надежду когда‑либо объяснить это взаимодействие методами квантовой теории поля, которая к тому времени так успешно описывала электромагнетизм и слабое взаимодействие.

Был, правда, один успех, связанный с гипотезой Гелл‑Манна и Цвейга о том, что все сильно взаимодействующие частицы, наблюдавшиеся до того момента, включая протон и нейтрон, можно интерпретировать как состоящие из более фундаментальных объектов, которые, как я уже говорил, Гелл‑Манн назвал кварками. Все известные, а заодно и неизвестные на тот момент сильно взаимодействующие частицы можно было без труда классифицировать, если считать, что они состоят из кварков. Более того, аргументы от симметрии, побудившие, в частности, Гелл‑Манна выдвинуть свою модель, стали основой для осмысления прежде непонятных данных по реакциям сильно взаимодействующего вещества.

Тем не менее Гелл‑Манн допускал, что его схема может быть всего лишь математической конструкцией, полезной для классификации, а на самом деле кварков не существует и за этим термином не стоит реальных частиц. В конце концов, ни на одном ускорителе и ни в одном эксперименте с космическими лучами никогда не наблюдали ни одного свободного кварка. Вероятно также, что Гелл‑Манн находился под влиянием популярной идеи о том, что квантовая теория поля, а следовательно, и понятие элементарных частиц как таковых не работает в ядерных масштабах. Даже в 1972 г. он заявлял: «Позвольте подчеркнуть тот главный момент, что, вполне возможно, нам удастся построить исчерпывающую теорию адронов, основанную на кварках и некоем клее… Но это совершенно не означает никакого конфликта с бутстрап‑теорией, поскольку сущности, с которых мы начинаем, вымышленные».

С этой точки зрения попытки описать сильное взаимодействие при помощи калибровочной квантовой теории поля Янга – Миллса, в которой взаимодействие переносится реальными калибровочными частицами, предпринимаются зря. Это просто казалось невозможным. Сильное взаимодействие работало, судя по всему, только на ядерных масштабах, так что если уж описывать его калибровочной теорией, то фотоноподобные частицы, которые будут переносить это взаимодействие, должны быть тяжелыми. Но при этом не было данных в пользу хиггсовского механизма с его массивными сильно взаимодействующими хиггсоподобными частицами, которые легко должны были бы обнаруживаться в экспериментах. Обобщая, можно сказать, что взаимодействие было, попросту говоря, настолько сильным, что, даже если бы оно описывалось калибровочной теорией, все методы квантовой теории поля, придуманные для вывода предсказаний и замечательно работавшие с другими силами, не сработали бы в применении к сильному взаимодействию. Вот почему Гелл‑Манн в приведенной цитате говорит о бутстрапе – имеется в виду дзеноподобная идея о том, что по‑настоящему фундаментальных частиц просто не существует. Аплодисменты без рук, пожалуйста.

Всякий раз, когда теория, как в данном случае, заходит в тупик, очень полезно использовать эксперимент в качестве ориентира, и как раз это произошло в 1968 г. Серия основополагающих экспериментов, которые провели Генри Кендалл, Джерри Фридман и Ричард Тейлор с использованием новопостроенного ускорителя SLAC, на котором электроны высоких энергий рассеивались на протонах и нейтронах, обнаружила нечто замечательное. Выяснилось, что протоны и нейтроны действительно имеют некую субструктуру, но она была очень странной. Столкновения демонстрировали свойства, которых никто не ожидал. Указывали ли они на кварки?

Теоретики не замедлили прийти на помощь. Джеймс Бьёркен продемонстрировал, что явления, которые наблюдали экспериментаторы и которые стали называть скейлингом, можно понять, если считать, что протоны и нейтроны состоят из фактически не взаимодействующих точечных частиц. Затем Фейнман интерпретировал эти объекты как реальные частицы, которые он назвал партонами, и предположил, что в них можно распознать Гелл‑Манновы кварки.

Однако у этой картины была одна по‑настоящему крупная проблема. Если все сильно взаимодействующие частицы состоят из кварков, то кварки, безусловно, должны и сами участвовать в сильном взаимодействии. Почему же все выглядит так, будто они почти свободны внутри протонов и нейтронов и при этом не вступают в сильное взаимодействие друг с другом?

Более того, в 1965 г. Намбу, Хан Му Юн и Оскар Гринберг предположили и убедительно обосновали, что если сильно взаимодействующие частицы построены из кварков и являются фермионами, как электроны, то Гелл‑Маннова классификация известных частиц по различным сочетаниям кварков в них получится непротиворечивой только в том случае, если кварки обладают каким‑то новым видом внутреннего заряда – новым калибровочным зарядом Янга – Миллса. Из этого следовало, что они вступают в сильное взаимодействие посредством нового набора калибровочных бозонов, которые тогда назвали глюонами. Но где эти глюоны, и где эти кварки, и почему нет никаких свидетельств сильного взаимодействия кварков внутри протонов и нейтронов, если они действительно совпадают с партонами Фейнмана?

Еще одна проблема с кварками состояла в том, что поскольку протоны и нейтроны участвуют в слабых взаимодействиях и при этом состоят из кварков, то кварки тоже, по идее, должны участвовать не только в сильных, но и в слабых взаимодействиях. Гелл‑Манн в свое время определил три разных типа кварков, из которых, по его мнению, строились все известные на тот момент сильно взаимодействующие частицы. Мезоны можно было сконструировать из пар кварк – антикварк. Протоны и нейтроны могли состоять из трех кварков с дробными зарядами, которые Гелл‑Манн бесхитростно назвал верхними (u, up) и нижними (d, down) кварками. Протон включал в себя два u‑кварка и один d‑кварк, а нейтрон – два d‑кварка и один u‑кварк. В дополнение к этим двум типам кварков еще один тип – более тяжелая версия d‑кварка – требовался для построения экзотических новооткрытых элементарных частиц. Гелл‑Манн назвал этот кварк странным (s, strange); при этом говорилось, что частицы, в которых s‑кварк содержится, обладают «странностью».

Когда впервые появилась гипотеза о нейтральных токах как составной части слабого взаимодействия, возникла проблема. При взаимодействии с Z‑частицами u‑, d‑ и s‑кварки могли оставаться u‑, d‑ и s‑кварками и до, и после взаимодействия посредством нейтрального тока, точно так же как электроны остаются электронами и до, и после такого взаимодействия. Однако поскольку d‑ и s‑кварки обладают в точности одинаковыми электрическим зарядом и изотопическим спином, ничто не должно мешать s‑кварку превратиться в d‑кварк при взаимодействии посредством Z‑частицы. Это позволило бы частицам, включающим в себя s‑кварки, распадаться с образованием частиц, в состав которых входят d‑кварки. Но никаких подобных «меняющих странность» процессов не наблюдалось, несмотря на высокую чувствительность экспериментов. Что‑то было не так.

Это отсутствие «меняющих странность нейтральных токов» сумел блестяще объяснить, по крайней мере в принципе, Шелдон Глэшоу в соавторстве с Джоном Илиопулосом и Лучано Майани в 1970 г. Эти ученые восприняли кварковую модель всерьез и предположили, что если существует четвертый кварк, получивший название очарованного (c, charm), с таким же зарядом, как у u‑кварка, то при вычислении частоты превращения s‑кварка в d‑кварк произойдет замечательное математическое сокращение – и изменяющие странность нейтральные токи будут подавлены, в полном согласии с результатами экспериментов.

Более того, из этой схемы начинала вырисовываться красивая симметрия между кварками и такими частицами, как электроны и мюоны, в которой все их можно было разбить на пары, связанные со слабым взаимодействием. Парой для электрона при этом становилось его собственное нейтрино, и для мюона аналогично. Верхний и нижний кварки также образовывали пару, а очарованный и странный кварки – вторую. Тогда W‑частицы, взаимодействуя с одной из частиц в каждой паре, превращали бы их во вторую частицу той же пары.

Однако ни один из приведенных аргументов не решал центральной проблемы сильного взаимодействия между кварками. Почему никто никогда не видел ни одного кварка? И если сильное взаимодействие действительно описывается калибровочной теорией с глюонами в качестве калибровочных частиц, то как, хотя бы в принципе, можно увидеть глюон? Наконец, если глюоны действительно не имеют массы, то почему сильное взаимодействие имеет такой малый радиус действия?

Эти проблемы, по мнению некоторых ученых, указывали на то, что квантовая теория поля – негодный подход к пониманию сильного взаимодействия. Фримен Дайсон, сыгравший такую важную роль в разработке первой успешной квантовой теории поля – квантовой электродинамики, утверждал, имея в виду сильное взаимодействие: «В ближайшие сто лет верная теория не будет найдена».

Одним из тех, кто был убежден, что квантовая теория поля обречена, был блестящий молодой теоретик Дэвид Гросс. Как ученик Джеффри Чу – автора бутстрап‑гипотезы о ядерной демократии, в которой элементарные частицы представляли собой всего лишь иллюзию, прикрывающую структуру, в которой реальны были только симметрии, но не частицы, – Гросс был прекрасно подготовлен и решительно настроен прикончить квантовую теорию поля раз и навсегда.

Не забывайте, что даже в конце 1965 г., когда Ричард Фейнман получал свою Нобелевскую премию, процедура, которую он и другие ученые разработали для избавления от расходимостей в квантовой теории поля, все еще считалась своего рода фокусом; многие полагали, что на малых масштабах что‑то капитально не так с картиной, которую представляет квантовая теория поля.

В 1950‑е гг. советский физик Лев Ландау показал, что электрический заряд электрона зависит от масштаба, на котором вы его измеряете. Виртуальные частицы выскакивают из ниоткуда в пустом пространстве, так что электроны и все остальные элементарные частицы окружены облаком виртуальных пар частица – античастица. Эти пары экранируют заряд в точности так же, как экранируется заряд в диэлектрических материалах. Положительно заряженные виртуальные частицы стремятся теснее окружить отрицательный заряд, поэтому на некотором расстоянии физические эффекты исходного отрицательного заряда снижаются.

Это означало, по мнению Ландау, что чем ближе подходишь к электрону, тем больше будет казаться его реальный заряд. Если при измерении на больших расстояниях мы получаем для заряда электрона некую конкретную величину, как и происходит на самом деле, то это должно означать, что «чистый» заряд на электроне, то есть заряд на фундаментальной частице, рассматриваемый без учета всей бесконечной оболочки в виде пар частица – античастица, окружающих ее на все более мелких масштабах, должен быть бесконечным. Ясно, что с этой картиной что‑то откровенно не так.

Гросс находился под влиянием не только своего научного руководителя, но и преобладающих взглядов того времени, в первую очередь аргументов Гелл‑Манна, единолично доминировавшего в теоретической физике конца 1950‑х – начала 1960‑х. Гелл‑Манн считал, что нужно использовать алгебраические соотношения, возникающие из размышлений о теориях поля, а затем сохранить эти соотношения, отбросив при этом теорию поля. Он заявлял, очень по‑гелл‑манновски описывая ситуацию: «Мы могли бы сравнить этот процесс с методом, который иногда используется во французской кухне: кусок фазаньего мяса готовится между двумя ломтиками телятины, которые затем выбрасывают».

Таким образом, можно было вычленить потенциально полезные для предсказаний свойства кварков, а затем игнорировать возможность реального существования кварков. Однако Гросса уже не устраивало простое использование идей, связанных с глобальными симметриями и алгебрами, он хотел исследовать динамику, которая могла бы по‑настоящему описывать физические процессы внутри сильно взаимодействующих частиц. Гросс и его соавтор Кёртис Каллан опирались на более раннюю работу Джеймса Бьёркена и хотели показать, что заряженные частицы, расположенные, судя по всему, внутри протонов и нейтронов, должны иметь спин ½, то есть точно такой же, как у электронов. Позже, уже с другими соавторами, Гросс показал, что при аналогичном анализе рассеяния нейтрино на протонах и нейтронах данные ЦЕРН демонстрируют, что эти компоненты выглядят в точности как кварки, существование которых предположил в свое время Гелл‑Манн.

Если нечто крякает как утка и ходит как утка, то это, вероятно, и есть утка. Так что у Гросса и других ученых реальность кварков теперь сомнений не вызывала.

Но как бы ни были убеждены Гросс и другие в реальности кварков, они были в равной мере убеждены, что из этого вытекает невозможность для полевой теории дать корректное описание сильного взаимодействия. Результаты эксперимента требовали, чтобы компоненты практически не взаимодействовали между собой и, в частности, не вступали бы в сильное взаимодействие.

В 1969 г. коллеги Гросса по Принстону Кёртис Каллан и Курт Симанзик заново открыли систему уравнений, которую до них исследовал Ландау, а затем Гелл‑Манн и Фрэнсис Лоу, описывавшую, как величины в квантовой теории поля изменялись бы при изменении масштаба. Если партоны, существование которых вытекало из экспериментов на SLAC, вообще вступают в какие‑либо взаимодействия – как должны, по идее, вести себя кварки, – то наблюдались бы рассчитанные Бьёркеном измеримые отклонения от скейлинга, и результаты, которые Гросс с соавторами вывели из сравнения теории с данными экспериментов на SLAC, тоже потребовалось бы модифицировать.

В следующие два года, учитывая результаты ’т Хоофта и Вельтмана и растущий успех предсказаний теории слабых и электромагнитных взаимодействий, все больше ученых вновь стали обращать внимание на квантовую теорию поля. Гросс решил доказать с высокой общностью, что ни одна разумная квантовая теория поля ни при каких условиях не может воспроизвести наблюдаемые на SLAC экспериментальные результаты, связанные с природой протонов и нейтронов. Тем самым он надеялся прикончить целое направление в попытках объяснения сильного взаимодействия. Во‑первых, он собирался доказать, что единственный способ объяснить результаты SLAC – это сделать так, чтобы каким‑то образом на коротких расстояниях сила квантово‑полевых взаимодействий падала бы до нуля, то есть чтобы поля фактически прекращали взаимодействовать на коротких расстояниях. После этого он рассчитывал показать, что ни одна квантовая теория поля не в состоянии этого обеспечить.

Не забывайте: Ландау показал, что квантовая электродинамика – классическая непротиворечивая квантовая теория поля – ведет себя в точности противоположным образом. Сила электрических зарядов из‑за окружающего их облака виртуальных частиц и античастиц возрастает, по мере того как уменьшается масштаб, на котором происходит зондирование частиц (таких как электроны).

В начале 1973 г. Гросс и его соавтор Джорджо Паризи завершили первую часть работы, а именно доказали, что если сильное ядерное взаимодействие описывается любого рода фундаментальной квантовой теорией поля, то скейлинг, наблюдаемый на SLAC, требует, чтобы сильное взаимодействие компонентов протона сходило на нет на малых масштабах.

Далее, Гросс попытался показать, что никакие теории поля на самом деле не ведут себя так, чтобы сила взаимодействия на малых расстояниях сходила на нет; такое поведение он назвал асимптотической свободой. С помощью Сидни Коулмана из Гарварда, посещавшего как раз в то время Принстон, Гросс сумел провести это доказательство для всех разумных квантовых теорий поля, за исключением калибровочных теорий типа теории Янга – Миллса.

В этот момент Гросс взял к себе нового студента – двадцатиоднолетнего Фрэнка Вильчека, который приехал в Принстон из Чикагского университета, чтобы изучать математику, но после курса теории поля, который читал Гросс, переключился на физику.

Гросс был либо удачлив, либо проницателен, поскольку ему довелось быть научным руководителем дипломных работ двух самых, вероятно, замечательных умов среди физиков моего поколения – Фрэнка Вильчека и Эдварда Виттена. Виттен стал одним из лидеров революции в физике 1980‑х и 1990‑х гг., связанной с теорией струн, и единственным физиком, удостоенным престижной Филдсовской медали – высшей награды для математиков. Вильчек, вероятно, один из немногих подлинных физиков‑универсалов. В начале 1980‑х гг. мы с Фрэнком подружились и часто работали в соавторстве, и он не только один из самых изобретательных физиков, с какими мне приходилось работать, но и обладает поистине энциклопедическими знаниями в своей области. Он прочел едва ли не все когда‑либо написанные труды по физике и впитал почерпнутую из них информацию. За прошедшие годы он сделал множество фундаментальных открытий не только в физике элементарных частиц, но также в космологии и материаловедении.

Гросс поручил Вильчеку исследовать вместе с ним единственную остававшуюся брешь в своем доказательстве и определить, как меняется сила взаимодействия в теориях Янга – Миллса по мере уменьшения расстояния, чтобы доказать, что и в этих теориях тоже не наблюдается асимптотической свободы. Они решили явно и непосредственно просчитать поведение взаимодействий в этих теориях на все меньших и меньших масштабах.

Это была сложнейшая задача. С тех пор были разработаны инструменты, позволяющие провести такой расчет в виде домашней работы на выпускном курсе. К тому же считать всегда проще, если знаешь, как знаем мы сегодня, каким должен быть ответ. После нескольких сумбурных месяцев, многочисленных фальстартов и численных ошибок в феврале 1973 г. они завершили расчет и обнаружили, к великому удивлению Гросса, что на самом деле теории Янга – Миллса обладают асимптотической свободой: сила взаимодействия в них действительно стремится к нулю, по мере того как взаимодействующие частицы сближаются. Позже в своей нобелевской лекции Гросс сказал: «Для меня открытие асимптотической свободы было совершенно неожиданным. Подобно атеисту, который только что услышал голос из неопалимой купины, я тут же обратился в истинную веру».

Сидни Коулман поручил своему студенту Дэвиду Политцеру проделать аналогичные вычисления; его независимый результат совпал с результатом Гросса и Вильчека и был получен примерно в то же время. То, что результаты совпали, дало обеим группам дополнительную уверенность в их достоверности.

Мало того, что теории Янга – Миллса оказались асимптотически свободными, выяснилось, что это единственный класс теорий поля, обладающий этим свойством. Это побудило Гросса и Вильчека предположить в первых строках их совместной эпохальной статьи, что теория Янга – Миллса, возможно, и правда объясняет сильное взаимодействие с учетом этой ее уникальности и того, что экспериментальные результаты SLAC 1968 г., по‑видимому, делают асимптотическую свободу непременным требованием к любой теории сильного взаимодействия.

Которая из теорий Янга – Миллса верна, предстояло еще определить, как и понять, почему безмассовые калибровочные частицы, которые служат визитной карточкой теорий Янга – Миллса, никому никогда не попадались на глаза. И связанный с этим, возможно, самый важный и давний вопрос: а где же кварки?

Но, прежде чем я перейду к этим вопросам, еще один момент. Вас, возможно, интересует, почему поведение теорий Янга – Миллса так отличается от поведения их более простого сородича – квантовой электродинамики, для которой Ландау показал, что сила взаимодействия между электрическими зарядами возрастает на малых масштабах.

Ключевой момент здесь довольно тонкий и кроется в природе безмассовых калибровочных частиц в теории Янга – Миллса. В отличие от фотонов в электродинамике, не имеющих электрического заряда, глюоны – предсказанные переносчики сильного взаимодействия – обладают зарядами Янга – Миллса и потому взаимодействуют друг с другом. Но, поскольку теории Янга – Миллса сложнее квантовой электродинамики, заряды на глюонах тоже сложнее, чем простые электрические заряды на электронах. Каждый глюон похож не только на заряженную частицу, но и на маленький заряженный магнит.

Если поднести маленький магнитик к железному предмету, железо намагнитится и в результате вы получите более мощный магнит. Что‑то аналогичное происходит и в теориях Янга – Миллса. Если у меня имеется некая частица с зарядом Янга – Миллса, скажем кварк, то кварки и антикварки могут возникать в вакууме вокруг этого заряда и экранировать его, как происходит в электромагнетизме. Но глюоны тоже могут выскакивать из вакуума, и поскольку они работают как маленькие магнитики, то стремятся выстроиться в направлении поля, порождаемого первоначальным кварком. Это увеличивает силу поля, что, в свою очередь, побуждает новые глюоны выскакивать из вакуума, что увеличивает силу поля, и т. д.

В результате чем глубже вы проникаете внутрь виртуального глюонного облака, то есть чем ближе подбираетесь к кварку, тем слабее будет казаться поле. В конечном итоге, когда вы сблизите два кварка, взаимодействие между ними станет настолько слабым, что они начнут вести себя так, будто вовсе не взаимодействуют, – а это главная отличительная черта асимптотической свободы.

Я воспользовался здесь глюонами и кварками как своеобразными ярлычками, но следует заметить, что асимптотическая свобода не указывала однозначно на какую‑то конкретную теорию Янга – Миллса. Однако Гросс и Вильчек признавали, что естественным кандидатом была та теория Янга – Миллса, которую Гринберг и другие постулировали как необходимую для того, чтобы кварковая гипотеза Гелл‑Манна объясняла наблюдаемую природу элементарных частиц. В этой теории каждый кварк несет на себе один из трех различных типов заряда, которые обозначаются, за отсутствием более подходящих названий, цветами: красный, зеленый и синий. Именно из‑за такой терминологии Гелл‑Манн пустил в обращение для этой теории Янга – Миллса название «квантовая хромодинамика» – квантовая теория цветных зарядов, по аналогии с квантовой электродинамикой – квантовой теорией электрических зарядов.

Гросс и Вильчек исходили из того, что квантовая хромодинамика является корректной калибровочной теорией сильного взаимодействия кварков, поскольку наблюдательные данные говорили в пользу подобной симметрии, связанной с кварками.

Не более чем через год после этих теоретических достижений замечательная идея асимптотической свободы получила столь же замечательное экспериментальное подкрепление. Эксперименты на SLAC и еще на одном ускорителе в Брукхейвене на Лонг‑Айленде привели к поразительному и неожиданному открытию новой массивной элементарной частицы, причем было похоже, что частица эта включает в себя новый кварк – тот самый очарованный кварк, что был предсказан Глэшоу и его коллегами четырьмя годами раньше.

Но в этом открытии была своя загадка, поскольку новая частица жила намного дольше, чем можно было ожидать на основании измеренного времени жизни более легких нестабильных сильно взаимодействующих частиц. Открывшие новую частицу экспериментаторы говорили, что ее обнаружение было подобно тому, как случайно встретить в джунглях новый вид людей, живущих не до ста, а до десяти тысяч лет.

Если бы это открытие было сделано хотя бы на пять лет раньше, оно показалось бы необъяснимым. Но в данном случае судьба благоприятствовала подготовленному разуму. Том Аппельквист и Дэвид Политцер, работавшие в то время в Гарварде, быстро поняли, что если асимптотическая свобода действительно является свойством сильного взаимодействия, то можно показать, что взаимодействия, управляющие более массивными кварками, должны быть слабее взаимодействий, управляющих более легкими и более знакомыми кварками. А более слабое взаимодействие означает, что частицы распадаются медленнее. То, что могло казаться загадкой, в данной ситуации служило подтверждением новой идеи асимптотической свободы. Казалось, все встало на свои места.

За исключением всего одной, но весьма существенной вещи. Если теория квантовой хромодинамики – это теория взаимодействий между кварками и глюонами, то где, собственно, сами кварки и глюоны? Как так получается, что никто и никогда не видел их в эксперименте?

Ответить на этот вопрос помогла асимптотическая свобода, предоставившая ключевое свидетельство. Если сильное взаимодействие ослабевает по мере приближения к кварку, то, напротив, по мере отдаления от кварка оно должно усиливаться. Представьте тогда, что произойдет, если я попытаюсь растащить кварк и антикварк, связанные сильным взаимодействием. Когда я начинаю их растаскивать, мне требуется все больше и больше энергии, поскольку сила притяжения между ними возрастает с расстоянием. Со временем поля вокруг кварков накопят так много энергии, что энергетически выгодным станет появление из вакуума новой пары кварк – антикварк, каждый член которой свяжется с одной из первоначальных частиц. Этот процесс схематически показан на рисунке.

 

 

Это похоже на растягивание резиновой ленты. В конце концов лента, вместо того чтобы растягиваться до бесконечности, разорвется на две части. Каждый кусок ее в данном случае будет символизировать новую связанную пару кварк – антикварк.

Что это должно означать для экспериментаторов? Ну, если я ускоряю частицу, к примеру электрон, и она сталкивается с кварком внутри протона, то кварк будет выбит из протона наружу. Но, когда кварк начинает выходить из протона, его взаимодействие с остающимися кварками усилится, и в конечном итоге станет энергетически выгодно, чтобы из вакуума выскочила пара кварк – антикварк и ее составляющие связались как с выбитым кварком, так и с его остающимися собратьями. Это означает, что возникнет ливень сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны, нейтроны, пионы и т. д., движущийся вдоль траектории первоначального выбитого кварка, и аналогичный ливень сильно взаимодействующих частиц в направлении движения оставшихся от протона исходных кварков. А потому никто и никогда не увидит кварки по отдельности.

Аналогично, если частица сталкивается с кварком, то при отскоке кварк иногда, прежде чем связаться с появившимся из вакуума антикварком, испускает глюон. Далее, поскольку глюоны взаимодействуют и с кварками, и между собой, новый глюон может испустить еще несколько глюонов. Эти глюоны, в свою очередь, также будут окружены новыми кварками, возникшими из вакуума, и породят новые сильно взаимодействующие частицы, движущиеся вдоль направлений движения каждого из первоначальных глюонов. В этом случае можно ожидать увидеть в некоторых случаях не одиночный ливень, движущийся в направлении движения первоначального кварка, а несколько таких ливней, соответствующих каждому из новых глюонов, испущенных по пути.

Поскольку квантовая хромодинамика – конкретная, вполне определенная теория, по ней можно предсказать частоту, с которой кварки будут испускать глюоны, и частоту, с которой можно будет увидеть одиночный ливень частиц, или, как принято говорить, струю, выброшенную при столкновении электрона с протоном или нейтроном, а также частоту, с которой можно будет увидеть две струи, и т. д. Со временем, когда ускорители стали достаточно мощными, чтобы наблюдать на них все эти процессы, экспериментально наблюдаемые частоты в точности совпали с предсказаниями теории.

Есть все основания считать, что эта картина свободных кварков и глюонов, которые быстро связываются с новыми кварками и антикварками, так что никто и никогда не сможет наблюдать свободный кварк или глюон, соответствует действительности. Это явление называется конфайнментом , или невылетанием кварков, поскольку кварки и глюоны всегда заключены внутри сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны и нейтроны, и не могут вылететь из них, без того чтобы не оказаться заключенными внутри вновь созданных сильно взаимодействующих частиц.

Поскольку реальные процессы, за счет которых кварки оказываются заключенными внутри частиц, протекают, когда взаимодействие становится все сильнее и сильнее по мере удаления кварка от его первоначальных компаньонов, стандартные вычислительные методы квантовой теории поля, пригодные для не слишком сильных взаимодействий, перестают работать. Так что эта проверенная экспериментом картина не может в настоящий момент быть полностью подтверждена точными расчетами.

Сможем ли мы когда‑нибудь разработать математические инструменты, необходимые для того, чтобы, отталкиваясь от первичных принципов, аналитически продемонстрировать, что конфайнмент действительно представляет собой математическое свойство квантовой хромодинамики? Это вопрос на миллион долларов, причем в буквальном смысле. Математический институт Клэя объявил приз в миллион долларов за строгое математическое доказательство того, что квантовая хромодинамика действительно не допускает появления свободных кварков или глюонов. Хотя ни одного претендента на приз пока не объявилось, у нас все же есть сильные косвенные свидетельства в пользу этой идеи, причем исходят они не только из экспериментальных наблюдений, но и из численных моделей, которые с хорошей точностью соответствуют сложным взаимодействиям квантовой хромодинамики. Это внушает оптимизм, хотя ничего и не гарантирует. Нам еще предстоит подтвердить, что это свойство теории, а не компьютерной модели. Однако для физиков, хотя, может быть, и не для математиков, это выглядит достаточно убедительно.

Последнее прямое подтверждение того, что квантовая хромодинамика верна, пришло из той области, где точные расчеты возможны. Поскольку кварки на коротких расстояниях не абсолютно свободны, то, как я уже упоминал, должны иметь место вычислимые поправки к экзотическим явлениям скейлинга при высокоэнергетических столкновениях электронов с протонами и нейтронами, которые первоначально наблюдались на SLAC. Идеальный скейлинг требовал бы абсолютно невзаимодействующих частиц. Поправки, которые можно рассчитать на основе квантовой хромодинамики, должны наблюдаться только в куда более чувствительных экспериментах, чем те, что первоначально проводились на SLAC. Их проверка стала возможна лишь после разработки новых ускорителей высоких энергий. Спустя примерно тридцать лет было собрано достаточно данных, чтобы убедиться в соответствии теоретических предсказаний и эксперимента с точностью 1 %, и квантовая хромодинамика как теория сильного взаимодействия получила наконец точное подтверждение в своих деталях.

В 2004 г. Гросс, Вильчек и Политцер были наконец удостоены Нобелевской премии за открытие асимптотической свободы. Экспериментаторы, первыми обнаружившие сейлинг на SLAC, – а это было ключевое наблюдение, подтолкнувшее теоретиков в верном направлении, – получили Нобелевскую премию гораздо раньше, в 1990 г. А экспериментаторы, открывшие очарованный кварк в 1974 г., получили Нобелевку всего через два года, в 1976 г.

Но самая большая награда – это, как говорил Ричард Фейнман, не признание в форме медали или денежной премии и даже не похвала из уст коллег или публики, но счастье реально узнать о природе нечто новое.

 

* * *

 

В этом смысле 1970‑е гг. были, возможно, богатейшим десятилетием XX века, если не всей истории физики. В 1970 г. только один тип фундаментальных взаимодействий мы понимали полностью, то есть как квантовую теорию, и это была квантовая электродинамика. К 1979 г. мы разработали и экспериментально проверили величайшее, возможно, теоретическое сооружение, созданное до сего момента человеческим разумом, – Стандартную модель физики элементарных частиц, точно описывающую три из четырех известных взаимодействий в природе. Путь к этой вершине охватывает всю историю современной физики, начиная с исследования природы движущихся тел Галилеем и последовавшие открытие законов движения Ньютоном, экспериментальное и теоретическое исследование природы электромагнетизма, объединение пространства и времени Эйнштейном, открытие ядра, квантовой механики, протонов, нейтронов, открытие собственно слабого и сильного взаимодействий.

Но самой замечательной чертой на этом долгом пути к свету было то, насколько фундаментальная природа реальности не похожа на те тени реальности, которые мы ежедневно видим вокруг себя, и насколько фундаментальные величины, управляющие, на первый взгляд, нашим существованием, на самом деле вовсе не фундаментальны.

Основными составляющими наблюдаемого вещества являются частицы, которые никому и никогда не удавалось наблюдать непосредственно и которые, если мы правы, никогда и никому не удастся наблюдать непосредственно, – кварки и глюоны. Свойства сил, управляющих взаимодействиями этих частиц, а также частиц, которые более столетия лежали в основе экспериментальной физики, – электронов, на фундаментальном уровне тоже радикально отличаются от свойств, которые мы наблюдаем непосредственно и от которых зависит наше существование. Сильное взаимодействие между протонами и нейтронами – это всего лишь дальнодействующий остаток от лежащего в его основе взаимодействия между кварками, фундаментальные свойства которых маскируются сложными взаимодействиями внутри ядра. Слабое и электромагнитное взаимодействия, которые на поверхности кардинально различаются: одно – близкодействующее, другое – дальнодействующее и вдобавок в тысячи раз сильнее первого, – на самом деле теснейшим образом связаны и отражают, по существу, разные грани одного и того же целого.

Это целое скрыто от нас из‑за природной случайности, мы называем ее спонтанным нарушением симметрии, и она делает эти два взаимодействия – слабое и электромагнитное – отличными друг от друга в мире нашего опыта, скрывает их подлинную природу. Более того, свойства частиц, порождающих характеристики того прекрасного мира, который мы видим вокруг себя, возникают лишь благодаря этому спонтанному нарушению симметрии, которое оставляет безмассовой лишь одну частицу – фотон. Если бы нарушения симметрии не случилось и фундаментальные симметрии взаимодействий, управляющих веществом, проявлялись бы явно, – а это, в свою очередь, означало бы, что частицы, передающие слабое взаимодействие, тоже не имели бы массы, как и большинство частиц, из которых мы состоим, – то не появилось бы ничего из того, что мы видим сегодня во Вселенной: галактик и звезд, планет и людей, птиц и пчел, ученых и политиков.

Более того, мы уже знаем, что даже те частицы, из которых мы состоим, – не всё, что существует в природе. Наблюдаемые частицы объединяются в простые группы, или семейства. Из верхних и нижних кварков образуются протоны и нейтроны. Рядом с ними можно обнаружить электрон и его партнера – электронное нейтрино. Далее, по причинам, которых мы по‑прежнему не понимаем, существует более тяжелое семейство, в которое входят очарованный и странный кварки, с одной стороны, и мюон со своим нейтрино – с другой. И наконец, как подтвердили эксперименты в последние десять – двадцать лет, существует третье семейство, в которое входят два новых типа кварков, называемых «прелестным» (b, beauty) и «истинным» (t, truth), а также сопутствующая им тяжелая версия электрона, называемая таоном (тау‑частицей), со своим тау‑нейтрино.

Помимо этих частиц, как я скоро расскажу, у нас есть все основания подозревать существование других элементарных частиц, которых пока никто не видел. Эти частицы, образующие, как мы считаем, загадочное темное вещество, на которое приходится большая часть массы нашей Галактики и всех видимых галактик, могут оказаться невидимыми для наших телескопов, но наблюдения и теории указывают на то, что галактики и звезды не смогли бы сформироваться без темного вещества.

И в самой основе сил, управляющих динамическим поведением всего, что доступно нашему взору, лежит очень красивая математическая конструкция, называемая калибровочной симметрией. Все известные нам взаимодействия – сильное, слабое, электромагнитное и даже гравитационное – обладают этим математическим свойством, и для первых трех из них именно оно гарантирует, что наши теории имеют математический смысл, а противные квантовые расходимости исчезают из расчетов всех величин, которые можно сравнить с экспериментально полученными данными.

За исключением электромагнетизма, все симметрии всех остальных взаимодействий остаются полностью скрытыми от наших глаз. Калибровочная симметрия сильного взаимодействия скрыта потому, что конфайнмент, предположительно, прячет от нас фундаментальные частицы, через которые эта симметрия проявляется. Калибровочная симметрия слабого взаимодействия не проявляется открыто в мире, где мы живем, потому что она спонтанно нарушена, в результате чего частицы W и Z стали чрезвычайно массивными.

 

* * *

 

Тени на стене повседневной жизни – действительно всего лишь тени. И в этом лейтмотив величайшей из когда‑либо рассказанных историй, которая медленно разворачивается вот уже более двух тысяч лет с тех пор, как Платон впервые представил эту идею в своей аналогии с пещерой.

Но какой бы замечательной ни была эта история, две серьезнейшие проблемы никуда не делись. Два действующих лица нашего рассказа таковы, что до недавних пор можно было думать, что ее ключевые аспекты – всего лишь сказка, придуманная теоретиками с чрезмерно разыгравшимся воображением.

Во‑первых, постулированные в 1960 г. для объяснения слабого взаимодействия W‑ и Z‑частицы, почти в сто раз более массивные, чем протоны и нейтроны, оставались до недавнего времени всего лишь теоретическими конструктами, хотя косвенных свидетельств их существования хватало с избытком. Мало того, было предсказано существование невидимого поля – поля Хиггса, которое пронизывает все пространство, маскируя истинную природу реальности и делая возможным наше существование благодаря спонтанному нарушению симметрии между слабым и электромагнитным взаимодействиями.

Кажется сомнительным делом превозносить историю, которая, по ее же собственному заявлению, описывает, почему мы существуем, но в то же время указывает на невидимое поле, пронизывающее все пространство. Это больше напоминает религиозное торжество, а не научное. Чтобы надежно убедиться, что наши представления соответствуют реальности, а не тому, какой мы хотели бы эту реальность видеть, чтобы сохранить достоинство науки, мы просто должны были открыть хиггсовское поле. Только тогда мы смогли бы до конца разобраться, правда ли, что особенности нашего мира, которые мы столь ценим, – на самом деле не более чем особенности случайного ледяного кристалла в морозном узоре на окне. Или, если выражаться точнее, не превосходят по значимости разницы между сверхпроводящим состоянием проводника в лаборатории и нормальным сопротивлением проводов в моем компьютере.

Для решения этой задачи экспериментаторам пришлось приложить не меньше усилий, чем ранее теоретикам для разработки самой теории. Во многих отношениях задача эта была более масштабной: на ее решение ушло более пятидесяти лет и потребовалось создание самого сложного прибора, который когда‑либо пытался построить человек.

 

Глава 20

Побеждая вакуум

 

…кто ударит тебя в правую щеку твою, обрати к нему и другую…

Мф 5:39

 

К концу 1970‑х гг. теоретики оказались на коне, они ликовали и праздновали триумф. Если путь к Стандартной модели был преодолен так стремительно, то какие еще новые миры ожидают ученых? Мечты о теории всего, давно дремавшие, вновь стали просыпаться, и не только в сумеречных уголках коллективного подсознания теоретиков.

Однако калибровочные частицы W и Z по‑прежнему никому не удавалось увидеть, и непосредственное их наблюдение все еще казалось устрашающе сложной задачей. Теория давала точное предсказание их масс – приблизительно в девяносто раз больше массы протона. Сложность получения этих частиц была обусловлена простым физическим обстоятельством.

Фундаментальное уравнение теории относительности Эйнштейна, E = mc ², говорит, что можно превратить энергию в массу, разогнав частицы до энергий, многократно превышающих их массу покоя. После этого можно направить их в мишень и посмотреть, что получится.

Проблема в том, что энергия, которая доступна для порождения новых частиц при столкновениях со стационарной мишенью, соответствует так называемой энергии центра масс. Для тех, кто не испугается лишней формулы, скажу, что она равна квадратному корню из удвоенного произведения энергии ускоренной частицы и энергии частицы мишени, связанной с ее массой покоя. Представьте, что вы разогнали частицу до стократной энергии массы покоя протона, которая составляет примерно один гигаэлектронвольт (1 ГэВ). Тогда при столкновении со стационарными протонами в мишени энергия центра масс, доступная для создания новых частиц, составит лишь около 14 ГэВ. Эта величина чуть больше энергии центра масс, доступной в самом мощном ускорителе частиц в 1972 г.

Чтобы получить энергии, требуемые для образования массивных частиц, таких как W‑ и Z‑бозоны, необходимо столкнуть два встречных пучка частиц. В этом случае полная энергия центра масс будет равняться просто удвоенной энергии каждого пучка в отдельности. Если каждый из двух сталкивающихся пучков имеет энергию, в сто раз превышающую массу покоя протона, то столкновение даст 200 ГэВ энергии, доступной для превращения в массу новых частиц.

Зачем же тогда строить ускорители со стационарными мишенями вместо коллайдеров? Ответ прост. Если я стреляю пулей в дверь амбара, то более или менее гарантированно во что‑нибудь попаду. Однако если я стреляю пулей в другую пулю, летящую навстречу, то мне нужно быть намного более искусным стрелком, чем кто‑либо на этом свете, и иметь лучшее ружье, чем любое из произведенных до сих пор, чтобы гарантированно в эту пулю попасть.

Именно такая задача встала перед экспериментаторами в 1976 г., когда наконец они стали воспринимать электрослабую модель достаточно серьезно, чтобы считать, что ее проверка стоит времени, усилий и денег, которые на это потребуются.

Однако никто не знал тогда, как построить установку, позволяющую получить нужную энергию. Ускорять отдельные пучки частиц или античастиц до высоких энергий тогда уже научились. К 1976 г. протоны удавалось разогнать до 500 ГэВ, а электроны – до 50 ГэВ. При более низких энергиях удавалось успешно организовать столкновения электронов и их античастиц, именно так в 1974 г. были открыты новые частицы, содержащие очарованные кварк и антикварк.

Протоны имеют большую массу и, следовательно, большую энергию покоя, поэтому их проще разогнать до высоких энергий. В 1976 г. в ЦЕРН в Женеве был запущен Протонный суперсинхротрон (SPS) – традиционный ускоритель с фиксированной мишенью, работающий с протонным пучком с энергией 400 ГэВ. Однако к моменту его пуска на другом ускорителе в лаборатории имени Ферми возле Чикаго были уже получены протонные пучки с энергией 500 ГэВ. В июне того же года физики Карло Руббиа, Питер Макинтайр и Дэвид Клайн выдвинули на конференции по нейтрино смелое предложение: превратить SPS в машину для столкновений протонов с их античастицами – антипротонами, что потенциально должно было позволить ЦЕРН получить W‑ и Z‑частицы.

Их дерзкая идея состояла в том, чтобы использовать один и тот же кольцевой туннель для ускорения протонов в одном направлении и антипротонов – в другом. Поскольку эти две частицы имеют противоположные электрические заряды, один и тот же ускоряющий механизм будет оказывать на них противоположное действие. Таким образом, на одном ускорителе принципиально возможно получить два высокоэнергетических пучка, циркулирующих по кольцу в противоположных направлениях.

Логика такого предложения была достаточно прозрачна, но с ее воплощением дело обстояло намного хуже. Прежде всего, учитывая силу слабого взаимодействия, для получения даже нескольких W‑ и Z‑частиц потребовалось бы столкновение сотен миллиардов пар протонов и антипротонов. Но никому еще не удавалось получить и собрать достаточно антипротонов, чтобы сформировать из них пучок в ускорителе.

Далее, вам, наверное, представляется, что если два пучка движутся по одному и тому же туннелю в противоположных направлениях, то частицы в них будут сталкиваться друг с другом на всем протяжении туннеля, а не в детекторах, специально разработанных для регистрации и измерения характеристик продуктов столкновений. Однако на самом деле все обстояло совершенно не так. Сечение даже небольшого туннеля в сравнении с размером области, в которой протон и антипротон могут столкнуться, выглядит настолько огромным, что возникла обратная проблема. Казалось невозможным получить достаточно антипротонов и обеспечить, чтобы они и протоны во встречном пучке были достаточно сжаты, чтобы при сведении обоих пучков, направляемых мощными магнитами, наблюдались бы хоть какие‑то столкновения.

Убедить директорат ЦЕРН переделать один из самых мощных в мире ускорителей, построенный в кольцевом туннеле длиной почти восемь километров на французско‑швейцарской границе, в коллайдер нового типа было бы трудной задачей для большинства людей, но Карло Руббиа – воплощение харизматичной стихии – был на это вполне способен. Мало кто из тех, кто умудрился встать на пути Руббиа, не пожалел об этом впоследствии. На протяжении восемнадцати лет он еженедельно летал между ЦЕРН и Гарвардом, где был профессором. Его кабинет располагался двумя этажами ниже моего, но я всегда знал, когда он находился в городе, потому что мне его было слышно. Помимо того, что идея Руббиа была хороша, пробивая ее, он, по существу, предлагал ЦЕРН превратить SPS из отстающей машины в самый впечатляющий ускоритель мира. Шелдон Глэшоу сказал директорату Центра, побуждая их двигаться вперед: «Вы хотите ходить не спеша – или вы хотите летать?»

И все же, чтобы летать, нужны крылья, и разработка нового метода создания, хранения, разгона и фокусировки пучка антипротонов выпала на долю блестящего физика‑ускорительщика из ЦЕРН Симона ван дер Мера. Его метод был настолько хитроумен, что многие физики, впервые услышав о нем, думали, что он нарушает некоторые фундаментальные принципы термодинамики. Характеристики частиц в пучке должны были измеряться в одном месте кольцевого туннеля, после чего на магниты дальше по туннелю поступал сигнал дать множество мелких корректирующих толчков пролетающим частицам пучка, слегка меняя таким образом энергии и импульсы попутных частиц, чтобы все они в итоге сфокусировались в узкий пучок. Этот метод, получивший название стохастического охлаждения, помогал добиться того, чтобы частицы, слегка отклонившиеся от центральной оси пучка, направлялись бы обратно в его середину.

Совместными усилиями ван дер Мер и Руббиа упорно проталкивали проект, и к 1981 г. коллайдер уже работал, как и планировалось, а Руббиа собрал крупнейшую физическую коллаборацию в истории и построил большой детектор, способный разобраться в миллиардах столкновений протонов с антипротонами в поисках горстки возможных W‑ и Z‑частиц. Однако команда Руббиа была не единственной, кто занимался охотой на эти частицы. В ЦЕРН была собрана еще одна коллаборация и построен еще один детектор. В таких важных экспериментах избыточность представлялась вполне уместной.

Отыскать нужный сигнал среди необъятного фона в этих экспериментах было непросто. Не забывайте, что протоны состоят не из одного кварка и в единичном столкновении протона с антипротоном может произойти множество разных вещей. Более того, ни W‑, ни Z‑частицы нельзя наблюдать непосредственно, а только по продуктам их распада, в случае W‑бозона это электроны и нейтрино. Нейтрино тоже невозможно наблюдать непосредственно. Экспериментаторам следовало суммировать полную энергию и импульс всех исходящих частиц в каждом перспективном событии и искать случаи с большим количеством «пропавшей энергии» – это сигнализировало бы об образовании нейтрино.

К декабрю 1982 г. Руббиа и его коллегам удалось пронаблюдать событие, которое можно было считать кандидатом на обнаружение W‑частицы. Руббиа не терпелось опубликовать статью на базе этого единственного события, но его коллеги были осторожнее, и не без оснований. За Руббиа числилась целая серия открытий, которые впоследствии не всегда находили подтверждение. Но пока суд да дело, он по секрету сообщил подробности полученных результатов коллегам по всему миру.

За несколько следующих недель его команда UA1 получила свидетельства еще пяти событий – кандидатов на обнаружение W‑бозона, а физики его коллаборации разработали несколько куда более строгих тестов, позволявших надежно подтвердить реальность этих кандидатов. 20 января 1983 г. Руббиа провел в ЦЕРН блестящий и надолго запомнившийся семинар, где и представил полученные результаты. Ему аплодировали стоя, что ясно показывало: полученные данные убедили физическое сообщество. Через несколько дней Руббиа подал в журнал Physics Letters статью, в которой объявил об обнаружении шести W‑событий. W‑частица была обнаружена, и масса ее в точности соответствовала предсказанной.

Однако поиск на этом не закончился. Предстояло еще обнаружить Z‑бозон. Предсказанная для нее масса была немного больше, чем у W‑бозона, а потому получить ее сигнал было немного сложнее. Тем не менее примерно через месяц после объявления об открытии W‑бозона оба эксперимента начали поставлять данные о Z‑событиях, и на базе одного такого четкого события 27 мая того же года Руббиа объявил об открытии Z‑частицы.

Калибровочные бозоны электрослабой модели были найдены. Значение этих открытий для укрепления эмпирической базы Стандартной модели лишний раз подчеркнуто тем, что чуть более чем через год после объявления об этих открытиях Руббиа и его коллега по ускорителю ван дер Мер были удостоены Нобелевской премии по физике. Хотя в строительстве и эксплуатации ускорителя и детекторов участвовало огромное количество людей, мало кто осмелился бы отрицать, что без упорства и настойчивости Руббиа и без хитроумного изобретения ван дер Мера это открытие было бы невозможно.

Итак, остался последний не найденный святой Грааль – предсказанная частица Хиггса. В отличие от W‑ и Z‑бозонов, масса бозона Хиггса не устанавливается теорией. Ее связи с веществом и с калибровочными бозонами были предсказаны, поскольку эти связи позволяют фоновому хиггсовскому полю, предположительно существующему в природе, разрушать калибровочную симметрию и придавать массу не только W‑ и Z‑частицам, но и электронам, мюонам и кваркам – вообще всем фундаментальным частицам Стандартной модели, за исключением нейтрино и фотона. Однако ни масса частицы Хиггса, ни сила ее самовзаимодействий по отдельности не определялись заранее по существовавшим на тот момент измерениям. Теория лишь связывала отношение этих величин с измеренной силой слабого взаимодействия между известными частицами.

По консервативным оценкам возможной величины силы самовзаимодействия частицы Хиггса ее масса столь же сдержанно оценивалась как лежащая в диапазоне от 2 до 2000 ГэВ. Верхний предел определялся тем, что, если самосвязывание частицы Хиггса окажется слишком сильным, теория станет относиться уже к сильному взаимодействию и многие расчеты, выполненные с использованием простейшей модели бозона Хиггса, окажутся неверны.

Помимо важной роли бозона Хиггса в разрушении электрослабой симметрии и придании массы другим элементарным частицам, остальные количественные характеристики этой частицы оставались на тот момент экспериментально практически не определенными. Вероятно, именно поэтому Шелдон Глэшоу в 1980‑е гг. называл бозон Хиггса «туалетом» современной физики: все знали, что он безусловно существует, но никто не хотел подробно обсуждать его публично.

То, что Стандартная модель не устанавливала заранее многие детали хиггсовского сектора, не мешало большому числу теоретиков предлагать модели, «предсказывавшие» массу частицы Хиггса на основании неких новых теоретических идей. В начале 1980‑х гг. всякий раз, когда ускорители повышали доступные ученым энергии, выходили новые физические статьи с предсказаниями, согласно которым частица Хиггса должна непременно обнаружиться, как только новая машина будет включена. Затем этот новый порог преодолевался, но, вопреки предсказаниям, ничего не наблюдалось. Становилось ясно, что для исследования всего возможного пространства параметров придется строить принципиально новый ускоритель.

Все описываемое время я был убежден, что частицы Хиггса не существует. Спонтанное нарушение электрослабой калибровочной симметрии определенно имеет место, потому что W‑ и Z‑частицы существуют и имеют массу, но введение в картину нового фундаментального скалярного поля, придуманного специально для выполнения этой задачи, казалось мне искусственным. Во‑первых, никакого другого фундаментального скалярного поля в природном зоопарке частиц никогда не наблюдалось. Во‑вторых, я считал, что с учетом всей той неизвестной физики, которую нам только предстояло открыть на малых масштабах, природа могла бы придумать куда более хитроумный и неожиданный способ нарушения калибровочной симметрии. Стоит постулировать существование частицы Хиггса, и встает следующий очевидный вопрос: «А почему так?» Или конкретнее: «Откуда берется нужная динамика, которая заставляет его сконденсироваться именно на этом масштабе, именно с этой массой?» Я считал, что природа нашла бы способ разбить теорию без такого произвола, и я весьма решительно выражал это свое убеждение, когда проходил собеседование как кандидат в члены Гарвардского общества исследователей после получения докторской степени.

А теперь давайте вспомним, что следует из существования механизма Хиггса. Этот механизм требует существования в природе не только новой частицы, но и невидимого фонового поля, которое должно пронизывать все пространство. Он подразумевает также, что все частицы – не только W‑ и Z‑бозоны, но также и электроны, и кварки – в фундаментальной теории являются безмассовыми. Эти частицы взаимодействуют с фоновым хиггсовским полем и испытывают затем своего рода сопротивление движению, замедляющее их до субсветовых скоростей, – так пловец в патоке будет плыть медленнее, чем в воде. А двигаясь с субсветовой скоростью, частицы ведут себя так, будто обладают массой. Те частицы, которые сильнее взаимодействуют с этим фоновым полем, испытывают большее сопротивление и ведут себя так, будто они более массивны, – так, автомобиль, съехавший с асфальта в грязь, становится труднее толкать, чем по дороге, и толкающим он будет казаться тяжелее.

Все это очень сильное утверждение о природе реальности. Помня, что в сверхпроводниках образующийся конденсат представляет собой сложное состояние связанных пар электронов, я скептически относился к тому, что на фундаментальных масштабах в пустом пространстве все может работать намного проще и чище.

Но как можно исследовать столь замечательное утверждение? Мы используем для этого центральное свойство квантовой теории поля, которым воспользовался и Хиггс, когда предлагал свою идею. Для каждого нового поля в природе должен существовать по крайней мере один новый тип элементарных частиц с этим полем. Но как получить эти частицы, если фоновое поле заполняет собой все пространство?

Очень просто. Мы отшлепаем вакуум.

Я имею в виду, что, если мы сможем сфокусировать достаточно энергии в одной точке пространства, мы можем тем самым спровоцировать появление реальных частиц Хиггса, и их можно будет измерить. Это можно представить примерно так. Говоря языком физики элементарных частиц, используя фейнмановские диаграммы, мы можем считать, что виртуальная частица Хиггса появляется из фонового хиггсовского поля, придавая массу другим частицам. Левая диаграмма соответствует рассеянию частиц, таких как кварки и электроны, на виртуальной частице Хиггса; частицы отклоняются от своего маршрута, испытывая, таким образом, сопротивление своему движению вперед. На правой диаграмме представлен тот же эффект для таких частиц, как W и Z.

 

 

Эту картинку мы легко можем развернуть.

 

 

В этом случае можно представить, что энергичные частицы, такие как W и Z, или кварки и/или антикварки, или электроны и/или позитроны испускают виртуальные частицы Хиггса и испытывают отдачу. Если энергии входящих частиц достаточно велики, то испущенная частица Хиггса может оказаться реальной. Если энергии недостаточно, частица будет виртуальной.

А теперь вспомним, что если частица Хиггса придает другим частицам массу, то сильнее всего она будет взаимодействовать с самыми массивными частицами. Это означает, что легкие частицы, такие как электроны, вероятно, не слишком подходят для непосредственного создания частиц Хиггса на ускорителе. Вместо этого можно представить себе ускоритель с энергией, достаточной для создания тяжелых виртуальных частиц, которые, в свою очередь, будут выплевывать частицы Хиггса – как виртуальные, так и реальные.

Естественными кандидатами на роль инструмента в таком деле являются протоны. Нужно построить ускоритель или коллайдер, который будет начинать с протонов и разгонять их до таких высоких энергий, чтобы образовывалось достаточно тяжелых виртуальных составляющих, способных порождать частицы Хиггса. Эти частицы Хиггса, виртуальные или реальные, будучи тяжелыми, быстро распадутся на более легкие частицы, с которыми бозон Хиггса взаимодействует сильнее всего, – опять же это будут либо истинные или прелестные кварки, либо W‑ или Z‑частицы. Они, в свою очередь, тоже распадутся на другие частицы.

Далее фокус будет состоять в том, чтобы рассмотреть события с наименьшим числом выходящих частиц, которые можно четко засечь, чтобы затем точно определить их энергии и импульсы, и посмотреть, нельзя ли реконструировать серию событий, которая восходила бы к единственной массивной промежуточной частице с предсказанными бозона Хиггса взаимодействиями. Неслабая задачка!

Принципиально это все было понятно уже в 1977 г., еще даже до открытия истинного кварка. (Поскольку прелестный кварк был уже открыт, а все остальные кварки существуют слабыми парами – нижний и верхний, странный и очарованный, – было ясно, что должен существовать еще один кварк, хотя открыть его удалось только в 1995 г. и оказался он в чудовищные 175 раз тяжелее протона.) Однако знать, что необходимо сделать, и на самом деле построить машину, способную это сделать, – две совершенно разные вещи.

 

Глава 21

Готические соборы XXI века

 

…приобретение премудрости выше рубинов.

Иов 28:18

 

Ускорение протонов до достаточно высоких энергий для исследования полного диапазона возможных масс частицы Хиггса далеко выходило за рамки возможностей любой установки в 1978 г., когда были подтверждены все остальные предсказания теории электрослабого взаимодействия, или в 1983 г., когда были открыты W‑ и Z‑частицы. Требовался ускоритель по крайней мере на порядок мощнее самой мощной из существовавших на тот момент установок. Короче говоря, требовался не просто коллайдер, а суперколлайдер.

У Соединенных Штатов, игравших на протяжении всего периода после окончания Второй мировой войны лидирующую роль в науке и технике, была серьезная причина желать построить такую установку. В конце концов, ЦЕРН в Женеве к 1984 г. стал в физике элементарных частиц ведущей лабораторией мира. Американскую гордость так сильно задело то, что и W‑, и Z‑частицы были открыты в ЦЕРН, что шесть дней спустя после пресс‑конференции, на которой объявили об открытии Z‑частицы, The New York Times опубликовала редакционную статью под заголовком «Европа – три, США – даже не зеро!»[13]

Прошла неделя после открытия Z‑частицы, а американские физики уже решили прекратить строительство средних размеров ускорителя на Лонг‑Айленде и пойти ва‑банк. Они решили построить громадный ускоритель с энергией центра масс почти в сто раз большей, чем была доступна на установке SPS в ЦЕРН. Для этого им потребовались бы новые сверхпроводящие магниты, поэтому и свое будущее детище они назвали Сверхпроводящим суперколлайдером (SSC).

После того как в 1983 г. этот проект был предложен сообществом американских специалистов по физике элементарных частиц, между разными штатами разгорелась традиционная борьба за лакомый кусок громадного денежного пирога, связанного со строительством и дальнейшей эксплуатацией ускорителя. После множества политических и научных схваток для строительства было выбрано место в Техасе возле городка Ваксахачи, чуть южнее Далласа. Какими бы соображениями ни руководствовались выбиравшие, Техас представлялся вполне подходящим местом, поскольку всё в этом проекте, утвержденном в 1987 г. президентом Рейганом, говорило об огромных масштабах.

Громадный подземный туннель должен был иметь длину восемьдесят семь километров и стать крупнейшим туннелем в истории человечества. Вообще, проект был в двадцать раз крупнее любого другого проекта в физике, который когда‑либо пытались реализовать. Предполагаемая энергия столкновений двух пучков, в каждом из которых частицы имели бы энергию, в двадцать тысяч раз больше массы протона, была бы примерно в сто раз больше, чем энергия столкновения частиц на том ускорителе в ЦЕРН, где были открыты W‑ и Z‑частицы. При строительстве потребовалось бы десять тысяч сверхпроводящих магнитов беспрецедентной силы.

Из‑за постоянного превышения расходов, отсутствия международного сотрудничества, плохого состояния экономики США и политических махинаций проект SSC был закрыт в октябре 1993 г. Я хорошо помню то время. Незадолго до этого я ушел из Йельского университета, чтобы возглавить кафедру физики в Кейсовском университете Западного резервного района, имея разрешение перестроить кафедру и пригласить в течение пяти лет двенадцать новых членов факультета. Первый год мы рекламировали себя, а затем, в 1993–1994 гг., получили более двухсот заявок от ведущих ученых, которые до этого работали в проекте SSC, а теперь оказались без работы и каких‑либо перспектив. Многие из них были аксакалами, оставившими профессорские посты в престижных университетах ради того, чтобы направлять работы по проекту. Это было тяжелое время, и более половины из этих людей были вынуждены навсегда оставить физику элементарных частиц.

Предполагаемая стоимость проекта успела вырасти с первоначальных 4,4 миллиарда долларов в 1987 г. до примерно 12 миллиардов долларов на момент закрытия в 1993 г. Хотя это было – да и сегодня остается – большой суммой, можно спорить, стоило ли закрывать проект. Два миллиарда долларов были уже потрачены, двадцать четыре километра туннеля – построены.

Решение о закрытии проекта нельзя оценить однозначно, но нельзя не отметить, что при его принятии следовало бы учесть множество вещей, о которых никто не подумал, – от «цены выбора», связанной с потерей Соединенными Штатами заметной доли талантливых физиков‑ускорительщиков и экспериментаторов в области физики элементарных частиц, до утраты множества прорывных открытий, которые могли бы стать результатом вложений в высокотехнологичное развитие и внести вклад в нашу экономику. Более того, если бы SSC был построен и функционировал, как планировалось, мы, возможно, уже более десяти лет как знали бы ответы на экспериментальные вопросы, над которыми работаем до сих пор. Повлияли бы эти ответы на какие‑то наши действия в этот период? Вероятно, мы никогда этого не узнаем.

Пресловутые 12 миллиардов долларов были бы потрачены в течение десяти‑пятнадцати лет, пока шли строительство и ввод коллайдера в строй; в результате стоимость проекта составила бы порядка 1 миллиарда долларов в год. Для федерального бюджета США это немного. Мои собственные политические взгляды хорошо известны, поэтому никого не удивит, к примеру, если я скажу, что безопасность США не пострадала бы, если бы оборонный бюджет страны уменьшился на эту сумму – это намного меньше одного процента от ежегодных расходов. Более того, полная стоимость SSC, вероятно, была бы сравнима с расходами на транспорт и кондиционирование воздуха во время катастрофического вторжения в Ирак в 2003 г., в результате которого наша общая безопасность и благополучие только ухудшились. Не могу не упомянуть еще раз показания Роберта Уилсона на слушаниях в конгрессе по поводу ускорителя лаборатории имени Ферми: «Это не имеет прямого отношения к защите нашей страны и только помогает сделать ее достойной защиты».

Однако это все политика, а не наука, и в демократической стране конгресс, представляя народ, имеет право и обязанность следить за приоритетностью расходования средств на крупные общественные проекты. Сообщество ученых в области физики частиц, возможно, слишком привыкло за время холодной войны к постоянному вливанию средств и не позаботилось как следует о том, чтобы информировать публику и конгресс о целях и задачах проекта. Неудивительно поэтому, что в период суровой экономии первыми под нож попали расходы на то, что выглядело слишком эзотерическим. Я тогда недоумевал, почему нужно непременно уничтожить проект, а не заморозить финансирование и не отложить реализацию до лучших времен – когда, к примеру, улучшится состояние экономики или какие‑нибудь технические новшества позволят заметно снизить стоимость строительства. Ни туннель (в настоящее время затопленный), ни лабораторные здания (их сейчас занимает какая‑то химическая компания) никуда не делись бы.

Невзирая на происходящее в Соединенных Штатах, ЦЕРН продолжал работу над новой установкой – Большим электрон‑позитронным коллайдером LEP, спроектированным по настоянию нового нобелевского лауреата, неукротимого Карло Руббиа, для подробного исследования физики W‑ и Z‑бозонов. Он стал директором лаборатории в 1989 г. – в том самом году, когда новая установка вступила в строй.

Кольцевой туннель длиной двадцать семь километров был прорыт под землей на глубине примерно ста метров вокруг старой установки SPS, которая теперь использовалась для впрыска электронов и позитронов в большее кольцо, где они затем ускорялись до громадных энергий. Новая установка, расположенная на окраине Женевы, была достаточно велика, чтобы пройти под Юрскими горами и зайти на территорию Франции. У европейских стран больше опыта в строительстве туннелей, чем у США, и, когда строительство туннеля было завершено, два его конца встретились с точностью до сантиметра. Кроме того, ЦЕРН является международной организацией с участием многих стран, и его проекты не ложатся на бюджеты стран‑участниц очень уж тяжким бременем.

Новая установка успешно работала десять с лишним лет, и после закрытия проекта SSC в США большой туннель LEP рассматривался как удачный кандидат на создание уменьшенной версии SSC – не настолько мощной, но все же достаточно высокоэнергетической, чтобы исследовать значительную часть пространства параметров, где возможно существование искомой частицы Хиггса. Некоторую конкуренцию такой установке мог составить ускоритель в лаборатории имени Ферми, известный как «Теватрон», работавший с 1976 г., а в 1984 г. ставший мощнейшим в мире коллайдером протонов и антипротонов. К 1986 г. энергия столкновения протонов и антипротонов, циркулирующих в Фермилабе по 6,5‑километровому кольцу сверхпроводящих магнитов, почти в две тысячи раз превышала энергию, эквивалентную массе покоя протона.

Несмотря на значительность этого достижения, его было недостаточно, чтобы исследовать большую часть пространства параметров бозона Хиггса, так что открыть его на «Теватроне» можно было только при большой удаче и снисходительности природы. За «Теватроном» все же числился один очень серьезный успех, давно ожидаемое открытие: на нем был получен увесистый истинный кварк, который в 175 раз тяжелее протона и является самой массивной частицей, обнаруженной по сей день в природе.

Спустя четырнадцать месяцев после кончины SSC совет ЦЕРН без всякой конкуренции одобрил строительство в туннеле LEP новой установки – Большого адронного коллайдера (БАК), по‑английски называемого Large Hadronic Collider (LHC). На разработку проекта, конструирование установки и ее детекторов должно было уйти некоторое время, так что установке LEP предстояло работать в своем туннеле еще почти шесть лет и только потом закрыться на реконструкцию. После этого еще почти десять лет предстояло строить новую установку и детекторы частиц для использования в поисках частицы Хиггса и/или других новых физических явлений.

То есть на все это можно было бы рассчитывать, если бы удалось создать работающую установку и подходящие детекторы. А это представляло собой сложнейшую инженерную задачу, за решение которой когда‑либо брался человек. Технические требования к сверхпроводящим магнитам, вычислительным мощностям и многим другим аспектам установки и детекторов предполагали технологии куда более высокого уровня, чем те, что имелись на тот момент в распоряжении ученых.

На концептуальный проект установки ушел целый год, а еще годом позже были утверждены предложения двух коллабораций, отвечавших за основные экспериментальные детекторы. США, которым в этой гонке ставить было не на кого, были приняты в ЦЕРН в статусе «наблюдателя», что позволило американским физикам стать ключевыми игроками в разработке и проектировании детекторов. В 1998 г. сооружение полости, которая должна была вместить один из двух основных приборов, детектор CMS, пришлось задержать на полгода, поскольку рабочие обнаружили на строительной площадке галло‑римские руины, в том числе виллу и окружающие ее поля.

Через четыре с половиной года громадные подземные пустоты для размещения двух главных детекторов были готовы. За два следующих года 1232 громадных магнита по пятнадцать метров длиной и тридцать пять тонн весом каждый были опущены под землю на глубину пятидесяти метров через специальную шахту и доставлены на предназначенные для них места при помощи специально спроектированного погрузчика, способного перемещаться по туннелю. Через год после этого на место были опущены последние кусочки каждого из двух больших детекторов, и 10 сентября 2008 г. в 10:28 установка первый раз была официально включена.

Через две недели разразилась катастрофа. В коннекторе одного из магнитов произошло короткое замыкание, из‑за которого соответствующий сверхпроводящий магнит перешел в обычное, не сверхпроводящее состояние, высвободив громадное количество энергии и вызвав механические повреждения и утечку жидкого гелия из системы охлаждения. Повреждения оказались достаточно обширными, чтобы потребовалась доработка проекта и проверка всех паек и соединений БАКа; на работы ушло больше года. В ноябре 2009 г. Большой адронный коллайдер наконец вновь заработал, но из‑за опасений за конструкцию в режиме разгона только до семи тысяч эквивалентных масс протона (по отношению к центру масс), а не четырнадцати тысяч, как было задумано. 19 марта 2010 г. установка начала работать со столкновением пучков на этих сниженных энергиях, и в течение двух недель оба детектора начали регистрировать столкновения с соответствующей суммарной энергией.

Эта сухая хроника ничего не говорит о тех невероятно сложных технических задачах, которые приходилось решать в ЦЕРН на протяжении пятнадцати лет с того момента, когда впервые прозвучало предложение о строительстве установки. Если выглянуть из окна самолета перед посадкой в аэропорту Женевы, увидишь только слегка холмистые ухоженные поля и горы в отдалении. Если не знать заранее, то невозможно догадаться, что под этими полями находится самая сложная машина из всех, когда‑либо построенных человеком. Рассмотрим некоторые характеристики установки, залегающей кое‑где на глубине 175 метров под этим безмятежным пасторальным ландшафтом.

 

 

1. В туннеле шириной 3,8 метра и длиной 27 километров располагаются два параллельных кольцевых канала для пучков, которые пересекаются в четырех точках по окружности. Вдоль кольца располагаются более тысячи шестисот сверхпроводящих магнитов, большинство из которых весит более двадцати семи тонн. Туннель настолько длинен, что его кривизна почти незаметна, если посмотреть вдоль.

2. Для того чтобы обеспечивать работу магнитов при температуре менее двух градусов над абсолютным нулем, то есть при температуре ниже, чем у космического микроволнового фона в глубинах межзвездного пространства, используется 96 тонн сверхтекучего ⁴He. Всего используется 120 тонн жидкого гелия, который сперва охлаждают при помощи примерно десяти тысяч тонн жидкого азота. Для этого пришлось изготовить около сорока тысяч герметичных трубных соединений. Объем используемого гелия делает БАК крупнейшей криогенной установкой в мире.

3. Вакуум в каналах, по которым движутся пучки, по техническим требованиям должен быть более разреженным, чем вакуум открытого космоса, с которым сталкиваются астронавты при выполнении задач на внешней поверхности МКС; давление в них должно быть в десять раз ниже атмосферного давления на Луне. Наибольший объем на БАКе, где поддерживается такой вакуум, составляет девять тысяч кубических метров, что сравнимо с внутренним объемом крупного собора.

4. После разгона по туннелю в том или ином направлении протоны движутся со скоростью 0,999999991 скорости света, или всего примерно на 3 метра в секунду медленнее, чем свет. Энергия, которой обладает каждый протон при столкновении, эквивалентна энергии летящего комара, но сконцентрированной в радиальном объеме, в миллион миллионов раз меньшем размера этого комара.

5. Каждый пучок протонов складывается из 2808 отдельных сгустков, стискиваемых в точке столкновения до толщины примерно в четверть толщины человеческого волоса; в каждом сгустке насчитывается 115 миллиардов протонов. Сгустки сталкиваются между собой каждую двадцатипятимиллиардную долю секунды, и всего за секунду происходит более 600 миллионов событий – столкновений частиц.

6. Распределенная компьютерная сеть, разработанная для обработки данных с БАКа, является крупнейшей в мире. Необработанных данных, получаемых с установки за секунду, хватило бы, чтобы заполнить более тысячи терабайтных жестких дисков. Для шести миллионов миллиардов протон‑протонных столкновений, проанализированных в одном только в 2012 г., было обработано более двадцати пяти тысяч терабайт данных – больше, чем содержится информации во всех когда‑либо написанных книгах; для хранения этой информации потребовалась бы стопка CD‑дисков около двадцати километров высотой. Для этого была создана распределенная по миру компьютерная сеть с 170 компьютерными центрами в тридцати шести странах. Когда установка работает, она производит около семисот мегабайт данных в секунду.

7. От тысячи шестисот магнитов требуется сформировать пучки достаточной интенсивности для столкновения, что эквивалентно требованию выстрелить двумя иглами с расстояния в десять километров с такой точностью, чтобы они столкнулись ровно на полпути между двумя точками стрельбы.

8. Настройка пучков настолько точна, что в расчет необходимо брать даже приливные явления, связанные с притяжением Луны и изменением ее положения над Женевой; под действием этих сил окружность БАКа ежедневно меняется на один миллиметр.

9. Чтобы сгенерировать невероятно интенсивные магнитные поля, необходимые для разгона протонных пучков, через каждый из сверхпроводящих магнитов течет ток силой около двенадцати тысяч ампер – это примерно в тысячу раз превышает ток, текущий по проводам в обычном семейном доме.

10. Кабели, из которых намотаны магнитные катушки коллайдера, имеют длину около 270 тысяч километров, что более чем в шесть раз превосходит окружность Земли. А если эти кабели распустить на отдельные жилы, то они протянулись бы до Солнца и обратно более пяти раз.

11. Полная энергия каждого пучка примерно соответствует энергии четырехсоттонного поезда, несущегося со скоростью 150 километров в час. Этой энергии хватило бы, чтобы расплавить пятьсот килограммов меди. А энергия, запасенная в сверхпроводящих магнитах, в тридцать раз превосходит эту величину.

12. Даже с учетом сверхпроводящих магнитов – а именно они позволяют сделать энергопотребление установки приемлемым – во время работы коллайдер расходует примерно столько же электричества, сколько потребляют суммарно все жители Женевы.

Но достаточно рассказывать о самой установке. Для анализа столкновений на БАКе было построено несколько различных больших детекторов. Каждый из четырех функционирующих в настоящее время по размеру примерно соответствует изрядному офисному зданию, а по сложности – крупной лаборатории. Спускаясь под землю, чтобы посмотреть на детекторы, чувствуешь себя Гулливером в Бробдингнеге. Масштабы абсолютно всех компонентов детектора потрясают. Вот фотография детектора CMS, меньшего из двух больших детекторов БАКа.

 

 

Находясь возле детектора, трудно даже целиком охватить его взглядом; в этом можно убедиться на снимке детектора и автора, сделанном с меньшего расстояния.

Сложность этих устройств почти невообразима. Такому теоретику, как я, трудно представить, как одна‑единственная группа физиков, какой бы она ни была, может следить за работой этого устройства, а тем более спроектировать и построить его в точном соответствии с техническими требованиями.

Каждый из двух крупнейших детекторов, ATLAS и CMS, был построен при сотрудничестве более чем двух тысяч ученых. Более десяти тысяч ученых и инженеров из ста с лишним стран участвовали в строительстве коллайдера вместе с детекторами. Рассмотрим меньший из двух детекторов, CMS. Его размеры составляют более двадцати метров в длину, пятнадцать метров в высоту и пятнадцать – в ширину. На его сооружение пошло около 12 500 тонн стали – больше, чем на Эйфелеву башню. Когда с детектором что‑то делают, две его половинки разводят на несколько метров друг от друга. И хотя они не стоят на колесах, при включении мощного магнитного поля детектора их стянуло бы вместе.

 

 

Каждый детектор состоит из миллионов составных частей, в нем есть трекеры, способные измерять траектории частиц с точностью до десятимиллионных долей метра, есть калориметры, с высокой точностью регистрирующие энергию, передаваемую частицами детектору, есть и устройства для измерения скорости частиц по их излучению, испускаемому при прохождении через детектор. В каждом столкновении рождаются сотни или даже тысячи отдельных частиц, и детектор должен отследить почти все и дать ученым возможность реконструировать каждое событие.

Физик Виктор Вайскопф, четвертый генеральный директор ЦЕРН в 1961–1966 гг., однажды сравнил большие ускорители того времени с готическими соборами средневековой Европы. В контексте ЦЕРН и БАКа это сравнение звучит особенно интересно.

Готические соборы строились на пределе, а то и за пределами технических возможностей своего времени и требовали создания новых строительных технологий и новых инструментов. Сотни или даже тысячи лучших мастеров из десятков стран возводили их на протяжении многих десятилетий. По сравнению с ними любые уже существовавшие на тот момент здания казались карликами. И весь практический смысл их сооружения состоял в том, чтобы восславить Господа.

БАК представляет собой самую сложную машину из всех когда‑либо построенных человеком, и для его сооружения потребовалось разработать новые строительные технологии и новые инструменты. Чтобы создать ускоритель и работающие на нем детекторы, потребовались почти два десятилетия усилий тысяч дипломированных ученых и инженеров из более чем сотни стран, говорящих на десятках языков и происходящих из обществ, исповедующих по крайней мере столько же религий. Масштаб этого сооружения затмевает размеры всех машин, построенных до него. И весь практический смысл их сооружения состоял в том, чтобы восславить и исследовать красоту природы.

С этой точки зрения и соборы, и коллайдер представляют собой памятники лучшим, возможно, качествам человеческой цивилизации – способности и готовности придумывать и создавать объекты таких масштабов и такой сложности, что требуется сотрудничество множества отдельных людей со всего света, с целью превратить наше изумление и восхищение устройством космоса в нечто конкретное, что может в будущем улучшить жизнь человека. И коллайдеры, и соборы представляют собой несравненные по величию творения, прославляющие опыт человечества в разных областях. Тем не менее я считаю, что БАК побеждает в состязании с соборами, и его успешное строительство за два десятилетия наглядно демонстрирует, что XXI век пока не лишился культуры и воображения.

И тут мы наконец возвращаемся к тому, что привело нас к 4 июля 2012 г.

К 2011 г. БАК находился в крейсерском режиме, как выразился один из руководителей ЦЕРН. Количество данных, собранных к октябрю того года, уже в четыре миллиона раз превышало то, что было получено при первом запуске в 2010 г., и в тридцать раз – то, что было получено к началу 2011 г.

В этот период сбора данных, о которых физики мечтали сорок лет, по сообществу стали разлетаться слухи, причем многие из них исходили от самих экспериментаторов. Я работаю по совместительству в Австралийском национальном университете в Канберре, а Международная конференция по физике высоких энергий должна была состояться в июле 2012 г. в Мельбурне. Там работает много сотрудников БАКа, и во время своих визитов я постоянно слышал, как экспериментальные данные исключают все больше и больше областей из диапазона возможных масс для бозона Хиггса.

Многих экспериментаторов хлебом не корми, дай только доказать, что теоретики не правы. Так было и в этом случае. Одна участница эксперимента возбужденно сообщила мне меньше чем за полгода до той встречи, что почти весь диапазон возможных масс частицы Хиггса уже проверен и частицы не обнаружено, остался лишь небольшой участочек между 120 и 130 массами протона. Она считала, что к июлю и эту область удастся проверить и исключить. Я, как человек, не слишком веривший в существование бозона Хиггса, не расстроился при этом известии. Более того, я готовил статью, в которой объяснял, почему бозона Хиггса может и не существовать в природе.

Ситуация стала интереснее 5 апреля, поскольку энергию частиц пучка в системе центра масс на БАКе немного увеличили – до восьми тысяч энергий покоя протона. Это, естественно, означало расширение возможностей для открытия новой частицы. К середине июня было объявлено, что руководители двух главных экспериментов и генеральный директор ЦЕРН не приедут в Мельбурн, но представят результаты дистанционно в режиме телеконференции утром 4 июля в главном конференц‑зале ЦЕРН – в том же помещении, где Руббиа в свое время объявил об открытии W‑частиц.

4 июля я был на физическом семинаре в Аспене (штат Колорадо). Учитывая важность предстоящего заявления, физическое сообщество организовало там экран для удаленной презентации в онлайн‑режиме, так что в час ночи мы все могли усесться перед экраном и наблюдать, как творится история. В темном зале Аспенского центра собрались около пятнадцати человек – по большей части физики, хотя было там и несколько журналистов, включая и Денниса Овербая из The New York Times ; он знал, что ему предстоит ночная работа. Как оказалось, ночная работа предстояла и мне. Times заказал мне очерк для следующего выпуска еженедельной научной рубрики, если все пойдет, как ожидалось.

Затем началось шоу, и следующие примерно сорок пять минут докладчики от коллабораций представляли данные с обоих больших детекторов, убедительно демонстрировавшие существование новой элементарной частицы с массой около 125 масс протона. После первоначальной аварии в 2009 г. БАК и оба детектора работали безукоризненно. В первые месяцы меня и многих моих коллег поражали безупречно чистые результаты, которые выдавали детекторы по известным фоновым процессам. Так что нас не удивило, что при появлении в картине чего‑то нового эти детекторы смогли это новое обнаружить, несмотря на невероятно сложную среду, в которой им приходилось работать.

Но этого мало. Новая частица была обнаружена именно в тех каналах распада, которые предсказывались для бозона Хиггса из Стандартной модели. Соотношение распадов с образованием фотонов (через промежуточные истинные кварки или W‑частицы) и распадов с образованием частиц, таких как электроны (через промежуточные Z‑бозоны), тоже более или менее соответствовало предсказанному, как и доля событий с образованием новой частицы в протон‑протонных столкновениях. Среди миллиардов и миллиардов столкновений, проанализированных двумя детекторными коллаборациями на тот момент, было обнаружено около пятидесяти потенциальных кандидатов в бозоны Хиггса. Для более уверенной идентификации предстояло провести еще немало тестов, но, с другой стороны, если эта штука крякает, как бозон Хиггса, и плавает, как бозон Хиггса, то это, вероятно, бозон Хиггса и есть. Свидетельств в пользу этого оказалось достаточно, чтобы в октябре 2013 г. – в первый же год после официального объявления об открытии – Франсуа Энглер и Питер Хиггс были удостоены Нобелевской премии.

В феврале 2013 г. БАК закрыли, чтобы доработать установку и запустить ее, наконец, на расчетной энергии и интенсивности пучка. К последним неделям перед выключением в накопителях ЦЕРН хранилось свыше ста петабайт данных – больше информации, чем можно записать на 100 млн CD‑дисков. Новые результаты продолжали поступать из анализа данных, которые не были полностью обработаны до первого официального объявления (включая и соблазнительные намеки на обнаружение возможной новой и неожиданной тяжелой частицы, в шесть раз тяжелее бозона Хиггса; эти намеки исчезли как раз ко времени отправки этой книги в печать).

Когда речь идет о настоящем открытии, чем больше у вас данных, тем лучше выглядят результаты, тогда как аномальные результаты, как правило, исчезают со временем. На этот раз все выглядело так хорошо, что было даже немного неловко. При сравнении с результатами наблюдений пяти различных предсказанных каналов распада бозона Хиггса на фотоны, Z‑частицы, W‑частицы, тау‑частицы (самый тяжелый из известных родичей электрона) и частицы, содержащие b‑кварки, предсказания Стандартной модели в отношении частицы Хиггса, без всяких дополнительных подгонок, демонстрировали поразительно хорошее совпадение.

Из распределения по углам и энергиям продуктов распада с новым, более обширным набором кандидатов на роль бозона Хиггса детекторы БАКа уже могли разобраться, действительно ли эти частицы являются скалярными; если так, они стали бы первыми замеченными в природе фундаментальными скалярными частицами. 26 марта 2015 г. группа детектора ATLAS огласила в ЦЕРН результаты, показавшие с более чем 99 %‑ной достоверностью, что новая частица имеет нулевой спин и в точности нужное значение четности, чтобы быть хиггсовским скаляром. Природа показала, что не гнушается скалярными полями типа хиггсовского поля, как я, к примеру, считал. Существование столь фундаментального скаляра многое меняет в наших представлениях о том, что в природе возможно, а что нет, и ученые, включая и меня, начинают рассматривать сценарии, на которые прежде не обратили бы никакого внимания.

В сентябре 2015 г., примерно за месяц до того, как был готов первый черновик этой книги, два больших детектора ATLAS и CMS свели свои данные за 2011 и 2012 гг. воедино и впервые провели объединенное сравнение теории и экспериментальных данных. Результат, полученный после колоссального объема вычислений, целью которых был учет отдельных систематических эффектов в каждом эксперименте, для чего во внимание принималось ни много ни мало четыре тысячи двести параметров, показал с остаточной неопределенностью примерно в десять процентов, что новая частица обладает всеми параметрами, предсказанными в Стандартной модели для бозона Хиггса.

Этот простой вывод может вызвать чуть ли не разочарование, ведь за ним стоит полвека целенаправленных усилий тысяч людей – теоретиков, разработавших Стандартную модель, и тех, кто осуществлял невероятно сложные вычисления, без которых невозможно сравнить предсказания с экспериментальными данными, определить фоновые значения и т. д., и тысяч физиков‑экспериментаторов, сумевших построить, испытать и запустить самую сложную из когда‑либо созданных человеком машин. История всех этих людей отмечена невероятными высотами интеллектуальной смелости, годами замешательства, неудач и счастливых случайностей, соперничества и страсти, а главное, настойчивостью научного сообщества, сосредоточенного на единой цели – понять природу на ее самых фундаментальных масштабах. Как во всякой человеческой драме, в этой истории не обошлось также без зависти, упрямства и тщеславия; важнее, однако, то, что в ней действовало уникальное сообщество, построенное совершенно независимо от этнической принадлежности, языка, религии и пола. Эта история несет в себе весь драматизм лучших эпических сказаний и отражает лучшее из того, что наука может предложить современной цивилизации.

То, что природа оказывается столь добра, чтобы на самом деле использовать идеи, которые небольшая группа людей записала на бумаге под впечатлением от абстрактных идей симметрии и с использованием сложной математики квантовой теории поля, мне представляется и всегда будет представляться поистине замечательным. Трудно выразить словами ту смесь восторга и ужаса, которая охватывает тебя при мысли о том, что природа, возможно, и правда работает так, как ты предполагаешь, дописывая на бумаге последние знаки, чаще всего поздно ночью, один в своем кабинете. Полагаю, что это чувство напоминает описанную Платоном реакцию философов, которых впервые вытащили из пещеры на солнечный свет.

Открывая для себя, что природа на самом деле следует простым и элегантным правилам, интуитивно открытым духовными наследниками Платоновых философов из XX и XXI веков, чувствуешь одновременно потрясение и надежду. Такое развитие событий указывает на то, что готовность ученых строить интеллектуальные карточные домики, способные рассыпаться от легчайшей экспериментальной дрожи, не пропала даром. Это дает нам смелость и дальше полагать, что Вселенная на самых величественных своих масштабах познаваема, по поводу чего Эйнштейн однажды выразил свое искреннее изумление.

Выслушав официальное заявление об открытии частицы Хиггса 4 июля 2012 г., я записал:

 

Предположительное открытие частицы Хиггса, возможно, не выльется ни в новый тостер, ни в более быстрый автомобиль. Но оно дает нам замечательный повод восхититься способностью человеческого разума раскрывать тайны природы, а также технологией, которую мы создали, чтобы ими управлять. В том, что кажется нам пустым пространством, мало того, кажется ничем и при этом становится все интереснее и интереснее, заключены те самые элементы, что делают возможным наше с вами существование.

Это сделанное на прошлой неделе открытие изменит наш взгляд на самих себя и наше место во Вселенной. Это ведь и есть признак великой музыки, великой литературы, великой живописи… и великой науки.

 

Еще слишком рано судить или хотя бы полностью предвидеть, к каким изменениям в нашей картине реальности приведут открытие частицы Хиггса на БАКе или те открытия, которые, возможно, за ним последуют. Тем не менее судьба и правда покровительствуют подготовленному разуму, и теоретик, такой как я, чувствует одновременно ответственность и радость, размышляя над этими вопросами.

Может показаться, что природа на этот раз была добра к нам, возможно слишком добра. Эпическая сага, которую я здесь изложил, может еще предложить физике и физикам драматические новые вызовы – и ясно напомнить, что природа существует не для того, чтобы обеспечивать нам комфортное существование. Может быть, мы нашли то, что искали, но никто, откровенно говоря, не ожидал найти только это, и больше ничего…

 

Глава 22

Больше вопросов, чем ответов

 

---

Дата добавления: 2019-09-02; просмотров: 202; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!