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

Так что произошло в 1971 году? Был получен некий потрясающий экспериментальный результат? Нет, зато был потрясающий теоретический результат: молодой аспирант из Голландии – Герард Хоофт, научным руководителем которого был Мартинус («Тини») Вельтман, доказал, что теории со спонтанно нарушенной калибровочной симметрией перенормируемы, несмотря на то, что калибровочные бозоны массивны. Другими словами, Хоофт показал, что теория электрослабого взаимодействия математически непротиворечива. Это было то, что и предполагал Вайнберг и Салам, хотя многие специалисты в этой области до 1971 года оставались скептически настроенными. По словам Сидни Колмана, Хоофт «расколдовал лягушку Вайнберга и Салама и превратил ее в принца». Герард Хоофт с тех пор стал считаться одним из самых креативных и блестящих умов в физике. Он и Вельтман вместе получили Нобелевскую премию в 1999 году за работы по электрослабой теории и спонтанному нарушению симметрии.

Но и замечательные экспериментальные результаты не заставили себя долго ждать. Главным следствием модели Глэшоу-Салама-Уорда-Вайнберга было существование тяжелых нейтральных Z-бозонов. Роль W-бозонов была хорошо известна – при рождении они изменяют идентичность фермиона (например, при распаде нейтрона нижний кварк превращается в верхний). Если существовал Z-бозон, это означало бы, что есть такие слабые взаимодействия, в которых частицы сохраняют свою идентичность, например нейтрино может рассеиваются на атомных ядрах. Именно такие события увидели на детекторе «Гаргамель» в ЦЕРНе в 1973 году, что и обеспечило присуждение Нобелевской премии Глэшоу, Саламу и Вайнбергу в 1979 году. (Уорд остался за бортом, поскольку, как уже говорилось, премию могут получить не больше трех человек.) Но это были лишь косвенные признаки воздействия W– и Z-бозонов, а сами они будут обнаружены еще через нескольких лет, когда их найдет Карло Руббиа.

А пока все было подготовлено к открытию бозона Хиггса.

Физики – тоже люди, и ничто человеческое им не чуждо. Как правило, ими движет чувство, которое Ричард Фейнман называл «удовольствием от открытия нового», но как только они узнают что-то интересное, им хочется получить признание общественности. В этой книге, следуя общепринятой в физическом сообществе практике, я использую для названия процесса обретения массы калибровочными бозонами с помощью спонтанного нарушения симметрии термин «механизм Хиггса», а для скалярной частицы, предсказанной этой моделью, – «бозон Хиггса». В то же время понятно, что, хотя вклад самого Хиггса в создание теории очень важен, он не был единственным. Почему именно это название прижилось и как должно быть по справедливости?

Никто не знает точно, откуда взялось это название – «бозон Хиггса». Ясно одно – не от самого Питера Хиггса. Физики элементарных частиц считают, что во всем виноват Бенджамин Ли – талантливый корейско-американский физик, трагически погибший в автомобильной катастрофе в 1977 году. Ли узнал о спонтанном нарушении калибровочной симметрии из разговора с Хиггсом, и затем, в 1972 году делая важный доклад на конференции в лаборатории Ферми, он неоднократно ссылался на «мезон Хиггса». Это было в сразу же после появления революционного результата Хоофта, когда все судорожно пытались понять, в чем состоят его идеи. Именно из-за того, что физики – люди, они, как и все прочие, в разговоре лучше всего запоминают первые слова, и поэтому доклад, который услышало очень много людей и в котором использовался этот термин, привел к тому, что название прижилось.

По другой версии, все началось со статьи Стивена Вайнберга, опубликованной в 1967 году. Когда в 1964 году вышли оригинальные статьи о спонтанном нарушении симметрии в калибровочных теориях, об этом размышляло не так много физиков, но в 1971 году после прорыва Хоофта многие поспешили заняться этой темой. Статья Вайнберга была хорошей отправной точкой, в ней содержались ссылки на все три статьи Хиггса, а также статьи Энглера и Браута и Хагена, Гуральника и Киббла. Однако в списке литературы Хиггс стоял на первом месте. Так получилось по ошибке: названия журналов Physical Review Letters (где появилась вторая статья Хиггса) и Physical Letters (где была напечатана статья Энглера и Браута) были перепутаны. Иногда такие незначительные ляпсусы имеют далеко идущие последствия.

Но, пожалуй, самое главное, что название «бозон Хиггса» – очень подходящее имя для частицы, ведь именно в статье Хиггса впервые было обращено пристальное внимание на частицу-бозон, а не на «механизм», благодаря которому он возник. Кто-то скажет, что этого не достаточно, но, впрочем, какова альтернатива? Возможно, в первые дни был шанс придумать название, не связанное с конкретным человеком, например, «радиальный бозон» или «реликон», поскольку этот бозон – единственный сохранившийся след процесса нарушения симметрии. Название «электрослабый бозон» тоже могло подойти, хотя была опасность спутать его с W– и Z-бозонами, поэтому наиболее точным было бы название «электрослабый скалярный бозон».

Но при отсутствии таких предложений (не сказать, что эти предложения очень хороши), трудно установить справедливость названием. Сам Хиггс называет эту частицу «бозоном, которому было дано мое имя», а иногда и ссылается на «АБЭГХХКХ механизм» – по первым буквам фамилий Андерсона, Браута, Энглера, Гуральника, Хагена, Хиггса, Киббла и Хоофта. Джо Ликкен из Фермилаба предпочел Намбу Хоофту и придумал аббревиатуру «ХЭХКБАНГ», которая по крайней мере не так труднопроизносима, но от этого не стала более привлекательной. Ликкен сам признался, что «это было бы глупым названием».

В конечном счете следует признать, что название частицы – это просто ярлык. Оно не может и не должно описывать полную и справедливую историю развития идеи. Мы можем назвать частицу и бозоном Хиггса, понимая, что Хиггс – не единственный, кто заслуживает славы. (Учитывая наличие финансовых проблем в современной физике частиц, мне кажется, что название можно было бы успешно продать примерно за $10 миллиардов. И тогда бозон назывался бы, к примеру, «бозон Макдональдса» или еще кого-нибудь.)

Как мы уже рассказывали, Намбу и Голдстоун помогли нам понять многое про спонтанное нарушение симметрии, но сами ограничились случаем глобальных симметрий. Андерсон отметил, что калибровочные симметрии отличаются от глобальных и, в частности, не приводят к появлению каких бы то ни было остаточных безмассовых частиц, но не построил чистой релятивистской модели. Это сделали независимо Энглер с Браутом, Хиггс и Гуральник с Хагеном и Кибблом. Все три группы шли немного разными путями, но получили в основном одни и те же ответы, и все они заслуживают почестей. Это же можно сказать о Хоофте, который показал, что теория была непротиворечива в математическом смысле.

По традиции Нобелевская премия (кроме премии мира) дается определенным людям, а не группам, и не более чем трем ученым в течение одного года. Нет сомнений, что кандидаты борются за премии, по крайней мере неявно. Вельтман и Хоофт уже получили Нобелевскую премию за работы по перенормируемой электрослабой теории. Андерсон тоже уже получил Нобелевскую премию, правда за совсем другое, но на самом деле это уменьшило его шансы на вторую премию (даже если бы он оказался в этой области первым). Роберт Браут скончался в 2011 году, а премию Нобеля посмертно не дают.