Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

ее. Мы можем определить величину поля Хиггса, измерив, насколько далеко пробка находится от оси, идущей точно по середине бутылки. Иными словами, если пробка находится на вершине холмика, поле Хиггса равно нулю; если же где-то во рву, то оно ненулевое. На этом рисунке мы также можем определить энергию, запасенную в массе поля: это просто высота пробки, покоящейся в бутылке. Это означает, что самое низкое энергетическое состояние — когда пробка лежит где-то во рву. Как и ожидалось, поле Хиггса обживается в вакууме, где его величина не равна нулю, а симметрия кажется нарушенной.

Вот только на самом деле она не нарушена, а просто скрыта.

Чтобы выявить базовую симметрию, нам нужно выбрать ноль. Оказывается, он прячется в спектре частиц. Вспомните, что частица — это всего лишь колебание в вакууме; в данном случае это колебания кусочка пробки. Ее можно шевелить двумя способами: двигая ее поперек или вдоль рва. Если вы начнете двигать ее поперек рва, вы перемещаете ее вверх по стенке бутылки. Высота пробки говорит нам о количестве энергии, хранящейся в массе поля, поэтому такое колебание мы связываем с частицей, имеющей массу. Если говорить о реальном бозоне Хиггса, то он оказывается тяжелой частицей, которая в конце концов была обнаружена при столкновении протонов в туннеле ЦЕРН. Однако если вы шевелите пробку вдоль рва, ее высота не меняется. Это означает, что в массу поля энергия не передается, поэтому мы связываем такое колебание с безмассовой частицей. Собрав все воедино, мы видим, что в спектре колебаний присутствуют два разных типа частицы: одна с массой, а другая — с нулевой массой. Такая нулевая масса — это скрытая симметрия, заново открывающая свой ноль!

Безмассовые колебания

Колебания, связанные с массой

В 1962 году ученый из Кембриджа Джеффри Голдстоун объединил усилия со Стивеном Вайнбергом и пакистанским физиком Абдусом Саламом, чтобы доказать, что всякий раз, когда вы пытаетесь скрыть симметрии в вакууме, симметрия реагирует и вы обнаруживаете какой-нибудь безмассовый бозон. Это утверждение, названное теоремой Голдстоуна, оказалось катастрофой, ведь весь смысл спонтанного нарушения симметрии заключался в том, чтобы создать массивный бозон, такой как W или Z, а вовсе не безмассовый голдстоуновский.

Специалисты по физике элементарных частиц были готовы выбросить полотенце[129]. Ободрение пришло от неожиданного источника — американского физика, занимавшегося конденсированными состояниями и мало интересовавшегося микроскопическим танцем отдельных частиц. Филип Андерсон — по его собственным словам, «задумчивый брюзга», — обладал опытом общения со скрытыми симметриями, поскольку ему приходилось работать со сверхпроводниками. С его точки зрения, всем нужно было помнить, что W и Z — калибровочные поля, а проблемная симметрия — калибровочная симметрия. Как мы видели в предыдущей главе, это означает, что вы можете использовать симметрию в любой точке пространства и времени. Мы знаем, что при открытой симметрии соответствующий калибровочный бозон гарантированно не имеет массы. Но если она скрыта, он имеет возможность обрести какую-то массу. Помимо массы, Андерсон указал на ключевую разницу между безмассовыми и массивными калибровочными бозонами: она заключается в количестве рабочих частей. У безмассового калибровочного бозона их всего две — например, две поляризации фотона, — а у массивного три. Андерсон задался вопросом, не возникает ли дополнительная рабочая часть из-за недостающей частицы, предсказанной Голдстоуном. Когда в реальном мире симметрия нарушается, дело не в том, что голдстоуновских бозонов нет. Они есть, но каким-то образом поглощаются тяжелыми W- и Z-бозонами. Они становятся их частью, прячутся внутри, обеспечивая в точности нужное количество рабочих частей.

Никаких подробностей Андерсон не предложил. Его аргументы были интуитивными и основывались на простом мире, где ему не требовалось беспокоиться об Эйнштейне и относительности. Многие специалисты по физике элементарных частиц полагали, что это окажется камнем преткновения: если должным образом учесть относительность, все рассуждения полностью развалятся.

Окончательный прорыв произошел в трех великолепных статьях, поданных в престижный научный журнал Physical Review Letters (более известный как PRL) в период с июня по октябрь 1964 года. Их написали шесть мудрых людей — Браут и Энглер, Хиггс, а также Гуральник, Хейген и Киббл; пятеро из них соберутся в ЦЕРН почти полвека спустя, ожидая подтверждения своей работы. Детали оказались примерно такими, как и надеялся Андерсон, но на этот раз с учетом относительности. Всякий раз, когда хиггсовское поле вваливается в вакуум, как пробка в нашу пустую винную бутылку, симметрия нарушается. Бозон Хиггса начинает придавать массу калибровочному бозону, и ни Голдстоун, ни его раздражающие бозоны не могут этому помешать. Часто говорят, что калибровочный бозон «съедает» голдстоуновский. Звучит как каннибализм, но именно так бозон может стать тяжелым. Частица Голдстоуна поглощается калибровочным бозоном, что дает ему дополнительную рабочую часть, необходимую для массивности.

Первыми свою статью опубликовали два бельгийца — Роберт Браут[130] и Франсуа Энглер, которые ничего не знали об идее Андерсона. В каком-то смысле можно было рассказать две истории: историю калибровочного поля и историю поля, нарушающего симметрию. Браут и Энглер сосредоточились на калибровочном поле. Питер Хиггс, уроженец Ньюкасла на северо-востоке Англии, сконцентрировался на нарушителе симметрии — бозоне Хиггса, как его теперь называют. Он показал, как этот нарушитель делится на две части: одна поглощается калибровочным полем и придает ему массу, другая — массивная частица сама по себе, как пробка, колеблющаяся вверх по стенке винной бутылки. Когда говорят о частице, открытой в ЦЕРН, — о бозоне Хиггса, а не о поле Хиггса, — подразумевается именно это колебание. Первоначально Хиггс отправил свою статью в журнал Physics Letters, где публиковались некоторые его предыдущие работы, однако ее отклонили. «Она не требует срочной публикации», — сказали в редакции. Хиггс сразу же передал свою работу в PRL, где ее рецензировал Намбу. Второго отказа не было.

Тем временем Карл Хейген отправился в Лондон к своему старому другу из Массачусетского технологического института Джеральду Гуральнику. В то время Гуральник состоял в постдокторантуре Имперского колледжа Лондона, в котором также работал молодой сотрудник Том Киббл. Приезд Хейгена побудил их рассмотреть теорему Голдстоуна: как скрыть симметрию и избежать проклятого голдстоуновского бозона. Когда Гуральник и Хейген собрались опубликовать свое решение в журнале, вошел Киббл, размахивая новой статьей Браута и Энглера и еще одной, написанной Питером Хиггсом. При ближайшем рассмотрении ученые решили, что их не обставили. Эти статьи не проанализировали теорему Голдстоуна так, как сделали они, и не учитывали квантовые аспекты проблемы.

Поначалу никто не обратил особого внимания ни на одну из статей, однако Киббл продолжал действовать. Он добавил новые детали и к 1967 году снабдил Вайнберга всеми необходимыми компонентами