Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» - Джим Бэгготт

Открытие механизма Хиггса в 1964 году показало, каким образом безмассовые бозоны могут приобретать массу. Вайнберг и Салам пошли дальше и в 1967–1968 годах применили механизм Хиггса к нарушению электрослабой симметрии. В 1971 году было показано, что получившаяся теория поддается перенормировке. И теперь переносчики слабого взаимодействия найдены именно там, где их и ждали увидеть.

Само существование W– и Z-частиц с предсказанными массами дало довольно убедительное свидетельство, что электрослабая теория SU(2) × U(1) в сути своей верна. А если теория верна, то взаимодействие с вездесущим энергетическим полем (полем Хиггса) отвечает за сообщение массы переносчикам слабого взаимодействия. А если поле Хиггса существует, значит, должен существовать и бозон Хиггса.

Однако, чтобы найти бозон Хиггса, требовался коллайдер еще мощнее.

Глава, в которой Рональд Рейган горой стоит за сверхпроводящий суперколлайдер, но, когда шесть лет спустя конгресс закрывает проект, от него остается только яма в Техасе

Опыт, который приобрели физики, работая над объединением теорий электрослабого взаимодействия, они могли применить к более грандиозной задаче. Из теории электрослабого взаимодействия вытекало, что вскоре после Большого взрыва температура Вселенной была так высока, что слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия были неразличимы. Вместо этого существовало единое электрослабое взаимодействие, переносчиком которого были безмассовые бозоны.

Это так называемая электрослабая эпоха. Когда температура Вселенной снизилась, фоновое поле Хиггса «кристаллизовалось», и более высокая калибровочная симметрия электрослабого взаимодействия была нарушена (или, вернее сказать, скрыта). Безмассовые бозоны электромагнитного взаимодействия (фотоны) беспрепятственно продолжали движение, но бозоны слабого взаимодействия вступили во взаимодействие с полем Хиггса, приобрели массу и стали W– и Z-частицами. И вследствие этого слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия сейчас совсем не похожи друг на друга ни силой, ни масштабом.

В 1974 году Вайнберг, американский теоретик Ховард Джорджи и австралийка Хелен Куинн показали, что силы всех трех взаимодействий становятся почти равными при энергии между сотней миллиардов и сотней триллионов ГэВ[122]. Эти энергии, соответствующие температуре примерно 10 октиллионов (1028) градусов, преобладали в течение примерно одной стодециллионной (10–35) доли секунды после Большого взрыва.

Разумно предположить, что в эту эпоху Великого объединения сильное ядерное и электрослабое взаимодействия были также неразличимы и представляли собой единое электроядерное взаимодействие. Все переносчики взаимодействия были идентичны, и не было ни массы, ни электрического заряда, ни аромата кварков (верхних, нижних), ни цвета (красного, зеленого, синего). Чтобы нарушить эту симметрию еще более высокого порядка, требовались хигг совские поля, кристаллизующиеся при более высоких температурах и таким образом приводящие к отделению кварков, электронов и нейтрино друг от друга, а также разделению взаимодействия на сильное и электрослабое.

Один из первых примеров такой теории великого объединения[123] (ТВО) разработали Глэшоу и Джорджи в 1974 году. В ее основе лежала группа симметрии SU(5), по их словам «калибровочная группа мира»[124]. Одним из следствий симметрии более высокого порядка было то, что все элементарные частицы были гранями друг друга. Теория Глэшоу и Джорджи позволяла преобразования между кварками и лептонами. То есть кварк внутри протона мог трансформироваться в лептон. «Тогда я понял, что это делает протон, базовый элемент атома, нестабильным, – сказал Джорджи. – У меня сразу испортилось настроение, и я пошел спать»[125].

Поскольку теории великого объединения оперируют с таким уровнем энергии, которого никогда не удастся достичь в коллайдерах, построенных на Земле, возникает желание усомниться в их ценности. Однако ТВО предсказывают существование новых частиц, которые в принципе могут быть открыты в экспериментах со столкновениями. И хотя эпоха Великого объединения закончилась миллиарды лет назад, ее последствия для современной Вселенной мы можем наблюдать и по сей день.

По крайней мере, так рассуждал молодой американский физик Алан Гут, недавно защитивший докторскую диссертацию. Он подтвердил, что среди предсказанных ТВО новых частиц есть магнитный монополь – гипотетическая элементарная частица, обладающая ненулевым магнитным «зарядом», равного отдельно взятому полюсу магнита, северному или южному. В мае 1979 года Гут вместе с таким же молодым доктором физики, американцем китайского происхождения Генри Таем начал работать над определением количества магнитных монополей, которые, скорее всего, возникли в результате Большого взрыва. Они стремились объяснить, почему, если магнитные монополи действительно образовались в начале существования Вселенной, сегодня мы их не наблюдаем.

Гут и Тай поняли, что можно подавить образование монополей, изменив характер фазового перехода от эпохи Великого объединения к электрослабой эпохе. Для этого нужно было вмешаться в свойства полей Хиггса. Гут и Тай открыли, что монополя исчезают, если вместо гладкого фазового перехода или «кристаллизации» при температуре перехода Вселенная, напротив, претерпевает сверхохлаждение. В таком случае температура падает так быстро, что Вселенная «застревает» в состоянии Великого объединения при температуре гораздо ниже температуры перехода[126].

Когда в декабре 1979 года Гут изучал широкие следствия начального момента сверхохлаждения, оказалось, что оно предсказывает период необычайного экспоненциального расширения пространства-времени. Сначала Гута не взволновал подобный результат, но он быстро понял, что это взрывное расширение может объяснить некоторые важные свойства наблюдаемой Вселенной, чего не могла сделать общепринятая космологическая теория Большого взрыва. «Я даже не помню, как придумывал название этому необычайному феномену экспоненциального расширения, – позднее писал Гут, – но, судя по моим дневниковым записям, в конце декабря я уже называл его инфляцией»[127].

Инфляционная модель кое в чем изменилась, в основном благодаря дальнейшему исследованию свойств полей Хиггса, которые нарушили симметрию в конце эпохи Великого объединения. Первые теории предсказывали слишком большую однородность, то есть довольно плоскую Вселенную без структуры – ни звезд, ни планет, ни галактик. Космологи начали понимать, что зачатки современной наблюдаемой структуры должны были заложить квантовые флуктуации ранней Вселенной, усиленные инфляцией. Но свойства полей Хиггса, которые требовались для этого, были несовместимы с полями Хиггса в теории Глэшоу – Джорджи.