Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира - Шон Кэрролл

Гуральник, Хаген и Киббл (ГХК) завершили свою собственную статью вскоре после того, как были опубликованы статьи Энглера с Браутом и Хиггса. Статья ГХК выросла из давних дискуссий Гуральника с Хагеном еще тех времен, когда они оба были студентами в Массачусетском технологическом институте. Они написали свою первую совместную статью после того, как Хаген остался в аспирантуре в Массачусетском технологическом институте, а Гуральник переехал чуть вверх по реке – в Гарвард. Эти обсуждения возобновились после того, как Гуральник уехал в постдокторантуру в Имперский колледж в Лондон, где преподавал Абдус Салам, и, естественно, спонтанное нарушение симметрии там горячо обсуждалось. Киббл тоже преподавал в этом колледже, и они с Гуральником часто размышляли вместе, как обойти теорему Голдстоуна. Визит Хагена в Лондон побудил троицу изложить свои результаты в статье.

В октябре 1964 года, как вспоминали участники этой истории, «буквально в тот самый момент, когда Хаген и Гуральник запечатывали конверт с рукописью для отправки в Physical Review Letters, в офис вошел Киббл, держа в руке две статьи Хиггса и одну Энглера и Браута». Энглер и Браут представили статью 26 июня 1964 года, и она была опубликована в августе, две работы Хиггса были представлены 27 июля и 31 августа и вышли в сентябре и октябре соответственно, а статья ГХК была послана 12 октября и появилась в ноябре. В первый момент им не пришло в голову, что их «обошли» в открытии, хотя они поняли, что эти работы, о которых они до тех пор не подозревали, затрагивали похожую тему. ГХК рассудили, что Энглер с Браутом и Хиггс успешно решили вопрос о том, как калибровочные бозоны могли бы получить массу при спонтанном нарушении симметрии, но обошли вопрос о том, что в условиях теоремы Голдстоуна неправильно, а это было центральным пунктом обсуждения в статье англо-американского триумвирата. Они чувствовали, что рассуждения Энглера и Браута по поводу того, что случается с различными колеблющимися полями, были несколько туманными, а статьи Хиггса имели тот недостаток, что были написаны не на языке квантовой механики.

И тогда ГХК вынули свою статью из конверта и добавили ссылку на эти работы: «Предмет нашего рассмотрения – теория, которая была частично сформулирована Энглером и Браутом и имеет некоторое сходство с теорией Хиггса». Поскольку почти одновременное рождение идей – не слишком редкое явление, в физической литературе принята следующая процедура: если какая-то статья выходит до того, как ваша собственная окончательно написана, вы пишете в примечании со ссылкой на нее объяснение типа «в то самое время, когда данная работа была почти закончена, мы получили статью похожего содержания…». ГХК не сделали этого явно, но никто не сомневается, что их работа была практически завершена до того, как они что-либо услышали о работах конкурентов. Эти работы достаточно разные, и работа ГХК появилась через такое короткое время после выхода первых статей, что не было никаких оснований заподозрить, что авторы основывались на работах Энглерта, Браута и Хиггса.

Гуральник, Хаген и Киббл провели тщательный квантовомеханический анализ проблемы спонтанного нарушения калибровочной симметрии. Они сосредоточились на том, как обойти условия теоремы Голдстоуна, и очень досконально изучили этот вопрос. Они, однако, не совсем верно ввели бозон Хиггса. В то время как реальный бозон Хиггса должен быть массивным, ГХК искусственно положили его массу равной нулю. В отношении этой частицы они выразились недвусмысленно: «Нетрудно заметить, что в нашей теории есть безмассовая частица, однако она совершенно не взаимодействует с другими (массивными) возбуждениями и не имеет ничего общего с голдстоуновскими бозонами». Эти утверждения верны в модели, которую они рассматривали, но только потому, что они положили взаимодействие и массу бозона Хиггса равными нулю, а в реальном мире, как мы считаем, он имеет массу и взаимодействует с другими частицами.

Была еще одна команда, двигавшаяся в том же направлении, хотя и с некоторым запозданием (всего на несколько месяцев). В то время общение между учеными Советского Союза и стран Запада было затруднено из-за многочисленных политических и бюрократических барьеров. В 1965 году, когда в Москве физики Александр Мигдал и Александр Поляков, которым тогда было по девятнадцать лет, занялись вопросами спонтанного нарушения симметрии в калибровочных теориях, они ничего не знали о работах их зарубежных коллег, вышедших в 1964 году. Статья советских физиков получила отрицательные отзывы рецензентов и не была напечатана до 1966 года.

Несмотря на всю эту кипучую деятельность нескольких групп, многие ученые были настроены скептически в отношении того, что в локальных симметриях удастся избежать безмассовых частиц. Хиггс рассказывал историю про то, как он давал семинар в Гарварде, и теоретик Сидни Коулман подзуживал своих учеников «порвать этого трюкача, который думает, что может перехитрить Голдстоуна с его теоремой». (Я могу ручаться за достоверность этой истории, так как много лет спустя Коулман на лекции по квантовой теории поля нам сам ее рассказывал.) Но у Энглера, Браута, Хиггса, Гуральника, Хагена и Киббла был важный козырь – они оказались правы. И очень скоро их идеи пригодились. Случилось это тогда, когда было сделано одно из триумфальных открытий, определивших структуру Стандартной модели.

Все эти обсуждения различных видов спонтанного нарушения симметрии затрагивали основные вопросы квантовой теории поля: при каких обстоятельствах оно может произойти и что может при этом случиться? Предстояло увидеть, имеют ли явления, описанные в теории, отношение к реальному миру. И вот прошло совсем немного времени, и они были востребованы при анализе слабых взаимодействий.

Первая перспективная теория слабых взаимодействий была предложена Энрико Ферми в 1934 году. Ферми воспользовался идеей нейтрино, незадолго до этого выдвинутой Вольфгангом Паули для построения модели нейтронного распада, протекающего – как теперь мы бы сказали – по каналам слабых взаимодействий. Как мы увидели в главе 7, расчет Ферми, кроме того, был одним из первых успешных расчетов в рамках квантовой теории поля.

Теория Ферми хорошо описывает данные, но только если не требовать от нее слишком многого. Многие расчеты в квантовой теории поля строятся по такой схеме: сначала находится приблизительный ответ, а затем постепенно включаются вклады от более сложных диаграмм Фейнмана, и ответ шаг за шагом уточняется. В теории Ферми начальное приближение дает очень хороший ответ, но следующая аппроксимация (которая должна быть небольшой поправкой) оказывается бесконечной. Эта неприятность называется проблемой расходимости, тут сидит большая проблема, которая будет довлеть над физикой элементарных частиц на протяжении всего XX века. Бесконечность, конечно, не может быть правильным ответом, поэтому она служит указанием на то, что ваша теория где-то не верна. Теория должна соответствовать экспериментальным данным, но она также должна быть правильной и в математическом смысле.

Проблема расходимости возникает не только в слабых взаимодействиях, от нее пострадал и электромагнетизм – по идее одна из самых простых и легких для понимания квантовых теорий поля из всех существующих на данный момент. Оказывается, однако, что бесконечности можно приручать. Подобная процедура называется «перенормировкой», и за ее изобретение Фейнман, Швингер и Томонага получили Нобелевскую премию.