Новости – В мире
В мире
Завершение модели «частицы Бога»
Марри Гелл-Ман, 11 мая 2010 года. Фото: Jiu / ImageChina / AFP / East News
В Москве вышла книга «Бозон Хиггса», написанная Джимом Бэгготтом
31 августа, 2014 06:05
5 мин
Большей части населения нет дела до главных научных проблем их времени. Но иногда научные концепции становятся частью массовой культуры. В XIX веке это было электричество, в веке ХХ — теория относительности и квантовая механика. Сейчас вряд ли есть человек, который ничего не слышал о бозоне Хиггса, но объяснить внятно, что это такое, может далеко не каждый. Для заинтересованных в этом людей британский популяризатор науки Джим Бэгготт написал книгу, в которой изложена полная история — от появления научной идеи до открытия «частицы Бога».
«Русская планета» с разрешения издательства «Центрполиграф» публикует фрагмент книги Джима Бэгготта «Бозон Хиггса» о завершении создания теоретической модели этого явления.
А можно ли было надеяться на квантовую теорию поля для сильного взаимодействия?
Гелл-Манн получил Нобелевскую премию по физике 1969 года за большой вклад в науку, в основном за открытие странности и восьмеричного пути. Ивар Валлер, член Нобелевского комитета по физике, перечислил его достижения, когда официально представлял Гелл-Манна. Валлер также упомянул кварки и сказал, что, несмотря на усиленные поиски, они все еще не найдены. Однако он любезно признал, что кварки тем не менее имеют большую «эвристическую» ценность.
Гелл-Манну пришлось свыкаться со статусом знаменитости, которым автоматически наделяется нобелевский лауреат. Его завалили приглашениями на конференции и просьбами о статьях, так что ему совсем не хватало времени писать, хотя это и раньше давалось ему с трудом. Он даже пропустил сроки подачи собственной Нобелевской лекции в Шведскую академию, которая собиралась издать сборник лекций Le Prix Nobel. И это были не единственные сроки, которые он нарушил.
Летом 1970 года Гелл-Манн с семьей уехал в Аспен, штат Колорадо. Но он скрывался от обязательств, а не от науки. Там же, в Аспенском физическом центре физики, проводили отпуск и другие физики со своими семьями.
Центр был специально создан для нобелевских лауреатов, которые хотели бы, чтобы их ничто не отвлекало. Его открыли в 1962 году на базе Аспенского института гуманитарных наук после обращения двух физиков. Они предложили создать такое место со спокойной, расслабленной, не слишком организованной атмосферой, куда физики могли бы сбежать от административных обязанностей, которые накладывала на них повседневная университетская работа, и просто говорить друг с другом о науке. Институт отдал под это часть своего кампуса Аспен-Медоус, расположенного в осиновой роще на городской окраине.
Именно в Аспене Гелл-Манн столкнулся с Харальдом Фрицшем, убежденным сторонником модели кварков, который с изумлением узнал, что Гелл-Манн, как ни странно, неоднозначно относится к своему собственному «математическому» изобретению.
Фрицш родился в Цвиккау, городе на юге от Лейпцига. Вместе с коллегой он сбежал из коммунистической ГДР и потом от болгарских властей, на лодке с подвесным мотором они проплыли больше 300 километров по Черному морю и добрались до Турции.
Он получал докторскую степень по теоретической физике в Институте физики и астрофизики Макса Планка в Мюнхене, ФРГ, где одним из его преподавателей был Гейзенберг. Летом 1970 года он проезжал через Аспен, направляясь в Калифорнию.
Еще студентом в ГДР Фрицш проникся убеждением, что кварки должны лежать в основе квантовой теории поля для сильного ядерного взаимодействия. Это были не просто математические приемы. Это было что-то настоящее.
Гелл-Манна впечатлил энтузиазм молодого немца, он согласился, чтобы Фрицш посещал его в Калтехе примерно раз в месяц. Вместе они стали работать над теорией поля на основе кварков. Окончив аспирантуру в ФРГ в начале 1971 года, Фрицш перевелся в Калтех.
Фрицш в некотором роде потряс основы консервативного отношения Гелл-Манна к кваркам. Это было не просто психологическое потрясение: приезд Фрицша в Калтех 9 февраля 1971 года совпал с настоящим землетрясением магнитудой 6,6 по шкале Рихтера, от которого ранним утром того же дня содрогнулась долина Сан-Фернандо недалеко от Силмара. «В память о том случае, — позднее писал Гелл-Манн, — я не стал поправлять покосившиеся картины на стене, пока их снова не потревожило землетрясение 1987 года».
Ульям Бардин, 2008 год. Фото: Fermilab Today
Ульям Бардин, 2008 год. Фото: Fermilab Today
Гелл-Манн добился грантов для себя и Фрицша, и осенью 1971 года они оба поехали в ЦЕРН. Там Уильям Бардин, сын Джона Бардина из теории сверхпроводимости Бардина, Купера и Шриффера, рассказал им о некоторых аномалиях в расчетной скорости распада нейтральных пионов. Бардин некоторое время работал над этими расчетами в Принстоне со Стивеном Адлером. Они показали, что модель кварков с дробными зарядами предсказывает скорость распада, которая получалась в три раза меньше измеренной скорости. Адлер пошел дальше и показал, что модель кварков с целочисленными зарядами Хана — Намбу на самом деле лучше предсказывает скорость в измерениях.
Гелл-Манн, Фрицш и Бардин начали совместную работу над вариантами. Они хотели посмотреть, можно ли согласовать результаты распада нейтрального пиона с вариантом первоначальной модели кварков с дробными зарядами.
Как предполагали Хан и Намбу, им потребовалось новое квантовое число. Гелл-Манн решил назвать это новое квантовое число цветом. В новой системе кварки обладали бы тремя возможными цветными квантовыми числами: синим, красным и зеленым.
Барионы состояли бы из трех кварков разных цветов, так чтобы общий «цветной заряд» был равен нулю и давал «белый» цвет. Например, можно представить, что протон состоит из синего верхнего кварка, красного верхнего кварка и зеленого нижнего кварка (uburdg). Нейтрон состоял бы из синего верхнего кварка, красного нижнего кварка и зеленого нижнего кварка (ubdrdg). Мезоны, например пионы и каоны, состояли бы из цветных кварков и цветных антикварков, так, чтобы общий цветной заряд был нулевым и частицы так же были «белыми».
Это было красивое решение. Цвета кварков давали дополнительную степень свободы, и, значит, принцип Паули не нарушался. Утроение количества видов кварков означало, что скорость распада нейтрального пиона можно предсказать с точностью. И никто не мог ожидать, что цветной заряд проявится в экспериментах, ведь это свойство кварков, а кварки заключены внутри белых адронов. Цвет нельзя увидеть, потому что природа требует, чтобы все наблюдаемые частицы были белыми.
«Мы постепенно поняли, что [цветная] переменная решает все вопросы! — объяснял Гелл-Манн. — Она улучшает статистику и при этом не вынуждает нас использовать сумасшедшие новые частицы. Потом мы поняли, что она вдобавок может решить проблемы с динамикой, потому что на ней можно было построить калибровочную теорию SU(3), теорию Янга — Миллса».
К сентябрю 1972 года Гелл-Манн и Фрицш подробнее разработали модель, состоящую из трех кварков с дробными зарядами, которые имели три аромата — верхний, нижний и странный — и три цвета и были связаны системой из восьми цветных глюонов — переносчиков сильного цветового взаимодействия. Гелл-Манн представил модель на конференции по физике высоких энергий, которая проводилась в честь открытия Национальной ускорительной лаборатории в Чикаго.
Стэнфордский центр линейных ускорителей, 2009 год. Фото: SLAC National Accelerator Laboratory / Flickr
Стэнфордский центр линейных ускорителей, 2009 год. Фото: SLAC National Accelerator Laboratory / Flickr
Но его уже начали одолевать сомнения. Больше всего Гелл-Манна беспокоил статус кварков и механизм, обеспечивающий конфайнмент, и он предпочитал не слишком распространяться о теории. Он упоминал вариант модели с одним глюоном и подчеркивал, что кварки и глюоны — «воображаемые».
Когда они с Фрицшем дошли до написания лекции, их обуяла нерешительность. «Готовя письменный вариант, — позднее писал Гелл-Манн, — к сожалению, мы поддались только что упомянутым сомнениям, и мы ушли в технические вопросы».
Эти колебания не так уж трудно понять. Если цветные кварки действительно всегда заключены внутри белых барионов и мезонов, так что их цветной и дробный электрический заряд нельзя наблюдать, тогда можно сказать, что любые размышления об их свойствах — пустая болтовня.
Теоретики подошли очень близко к большому синтезу: слиянию теорий квантового поля на основе симметрии SU(3) Ч SU(2) Ч U(1), которое позже стало известно как Стандартная модель. Этот синтез должен был подготовить теоретическую основу для экспериментальной физики элементарных частиц в последующие 30 лет. Эта нерешительность была просто глубоким вдохом перед прыжком в воду.
Фактически дразнящие свидетельства существования кварков появились всего за несколько лет до того, во время высокоэнергетических столкновений электронов и протонов. Результат экспериментов, проведенных в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) в Калифорнии, сильно намекал, что протон состоит из точечных частиц.
Однако было неясно, кварки ли эти точечные частицы. Что еще больше сбивало с толку, результаты также предполагали, что составные части внутри протона вовсе не находятся в железной хватке, а ведут себя так, будто могут совершенно свободно бродить по своим просторным жилищам. Как это совмещалось с идеей конфайнмента?
Работа теоретиков подходила к концу. Стандартная модель была почти закончена. Теперь пришла очередь экспериментаторов.
Бэгготт Дж. Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» — М.: Центрполиграф, 2014
поддержать проект
Подпишитесь на «Русскую Планету» в Яндекс.Новостях
Яндекс.Новости
