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

Хотя может показаться, что предположения в модели Глэшоу, объединяющей электромагнетизм и слабые взаимодействия, были довольно искусственные, в них явно присутствовало рациональное зерно. На другом берегу океана – в Имперском колледже в Великобритании – почти такую же теорию разработали Абдус Салам и Джон Уорд. Каждый из них был очень опытным физиком. Уорд, родившийся в Англии, провел по несколько лет в Австралии и СТТТА и считался одним из основателей квантовой электродинамики. Он, вероятно, больше всего известен физикам своим «тождеством Уорда» из квантовой теории поля – математическим соотношением, которое обеспечивает выполнение локальных симметрий. Салам, родившийся в Пакистане, когда он еще был частью Индии и находился под британским контролем, впоследствии превратился в политического активиста и стал продвигать науку в развивающихся странах. Уорд и Салам часто работали вместе, и некоторые их самые интересные статьи по вопросам объединения взаимодействий были написаны в соавторстве.

Следуя почти такой же логике, что и Глэшоу, Салам и Уорд придумали модель с двумя различными симметриями, одна из которых нарушала четность, а другая, которая не нарушала, предсказывала безмассовый фотон и три массивных калибровочных бозона слабых взаимодействий. Они опубликовали эту работу в 1964 году, по-видимому, не зная о более ранней статье Глэшоу. Как и у Глэшоу, в их модели симметрия нарушалась искусственно, а не спонтанно. Как и Глэшоу, они не использовали результаты Гуральника, Хагена, и Киббла по спонтанному нарушению симметрии, но у них, в отличие от Глэшоу, не было никаких оправданий, поскольку их кабинеты находились буквально через коридор друг от друга.

Частично такое странное отсутствие контактов между ними могло быть связано с естественной сдержанностью Уорда. В своей книге «Загадка бесконечности» Фрэнк Клоуз приводит поразительную историю, рассказанную ему Джеральдом Гуральником: «Как-то Гуральник и Уорд обедали вместе в местном пабе, и Гуральник начал рассказывать о своей еще не завершенной работе по скрытой симметрии. «Я не успел почти ничего сказать, а [Уорд] уже остановил меня. Он прочел мне лекцию о том, что я не должен открыто говорить о своих неопубликованных идеях, потому что их могут украсть, а то и опубликовать прежде, чем я закончу работу над ними». В результате этого предостережения Гуральник не расспросил Уорда о работе, которую тот делал с Саламом».

Можно согласиться с таким осторожным подходом к обсуждению неопубликованных работ, но даже самые скрытные физики обычно не боятся обсуждать уже опубликованные результаты. По какой-то причине, однако, Салам и Уорд узнали о результатах Гуральника, Хагена и Киббла лишь через несколько лет – случилось это, когда Саламу об их работе рассказал Том Киббл. После этого Салам в течение многих лет ссылался на нее как на «механизм Хиггса-Киббла».

Окончательно все вместе кусочки мозаики сложились в 1967 году. Стивен Вайнберг был одноклассником Шелдона Глэшоу – они учились вместе в Бронксе, в школе Бронкс-Сайенс, но они никогда не работали вместе в той области теоретической физики, которая впоследствие привела их обоих к Нобелевской премии (совместно с Саламом) в 1977 году. Сегодня Вайнберг имеет статус уважаемого старейшины в физике, он этакий политик от науки, а также автор ряда нашумевших книг и множества эссе, публиковавшихся в The New York Review of Books и других изданиях. (В свое время Вайнберг был главным лоббистом Сверхпроводящего суперколлайдера и добивался бы его строительства, даже если бы ускоритель решили строить не в Техасе, куда Вайнберг переехал в 1982 году.)

А в 1967 году Вайнберг был еще совсем молодым профессором Массачусетского технологического института, каждый день приезжавшим в кампус на своем красном «камаро». В то время Вайнберг глубоко погрузился в проблему спонтанного нарушения симметрии, но пытался применить его в основном для того, чтобы разобраться в сильных взаимодействиях. Вдохновленный недавней работой Тома Киббла, Вайнберг играл с набором симметрий, и в результате незаметно для него самого его модель стала сильно напоминать более ранние модели Глэшоу и Салама с Уордом. Проблема была в том, что в его модели тоже возникал безмассовый нейтральный калибровочный бозон, которого, по-видимому, не было в сильных взаимодействиях.

В сентябре того же года Вайнберг вдруг понял, что он решал неправильно сформулированную задачу. Его модель, не очень адекватно описывающая сильные взаимодействия, отлично описывала слабые и электромагнитные взаимодействия. Раздражающий всех безмассовый бозон был на самом деле не ошибкой, а присущим этим взаимодействиям элементом – фотоном. В короткой статье под названием «Теория лептонов» Вайнберг объединил все эти идеи и изложил теорию, в которой каждый современный аспирант, специализирующийся в области физики элементарных частиц, немедленно распознает единую электрослабую модель – компонент Стандартной модели. В статье Вайнберг ссылался на статью Глэшоу, но не на работу Салама и Уорда, о которой ему все еще не было известно. Используя идеи Киббла, Вайнберг смог прямо предсказать массы W– и Z-бозонов, чего ни Глэшоу, ни Салам с Уордом сделать не могли, так как они вставляли их массы вручную. Вайнберг в своей теории объяснил механизм, посредством которого все фермионы, а также калибровочные бозоны приобретают массы. Он даже отметил, что модель поддается перенормировке, хотя в то время не мог предложить никаких убедительных аргументов в пользу этого. Самосогласованная теория электрослабого объединения была, наконец, построена.

Почти тогда же Киббл и Салам поняли, что оба интересуются нарушением симметрии, и Киббл объяснил свою теорию Саламу. Салам подумал, что может переработать единую модель, которую они разработали с Уордом, включив в нее скалярные бозоны, нарушающие симметрию, и даже прочитал лекцию на эту тему в Имперском колледже для небольшой аудитории. По неизвестным причинам Салам не изложил эти идеи сразу в виде статьи. Вообще-то он был чрезвычайно плодовитым ученым, но в те дни его внимание было направлено в основном на гравитацию, а не на субатомные силы. И как следствие, его идея о том, что в модель Салама-Уорда нужно добавить механизм Хиггса, в напечатанном виде появилась только через год в трудах конференции (где он также процитировал статью Вайнберга).

Статьи Вайнберга и Салама по отдельности имели примерно такое же влияние, как четырехметровый блин, плашмя упавший с высоты пяти сантиметров (как образно выразился Курт Воннегут по другому поводу[11]). В академических кругах, и, в частности, в естественных науках наиболее объективным количественным показателем важности данной работы является индекс цитируемости, то есть число ссылок других авторов на данную статью. В период с 1967 по 1971 год на статью Вайнберга сослались лишь несколько раз (что касается двух других авторов, то ни один из них в последующие годы по-настоящему не занимался этой темой). Однако уже начиная с 1971 года в течение четырех последующих десятилетий статью Вайнберга процитировали более 7500 раз – в среднем чаще, чем раз в два дня!