Посвящается Эндж

Jim Baggott

Higgs

The Invention and Discoveryof the «God Particle»

«HIGGS: THE INVENTATION AND DISCOVERY OF THE ‘GOD PARTICLE’, FIRST EDITION»

Was originally published in English in 2012.

This translation is published by arrangement with Oxford University Press.

Copyright © Jim Baggott 2012

От автора

4 июля 2012 года мгновенно, словно чрезвычайно заразный электронный вирус, по всему миру распространилось известие о том, что в женевском ЦЕРНе открыли нечто весьма напоминающее бозон Хиггса. Все заголовки кричали о новом триумфе физики высоких энергий. Открытие попало в газетные передовицы и вечерние выпуски новостей, о нем услышали миллиарды. Наконец-то, спустя 48 лет после того, как частица была впервые предположена или предсказана в 1964 году, ценой миллиардов долларов найдены признаки ее существования.

Из-за чего же поднялся такой шум? Что это за такая важная птица – бозон Хиггса? Если новая частица действительно тот самый бозон Хиггса, то что ее открытие говорит нам о материальном мире и ранней эволюции Вселенной? Стоила ли находка всех затраченных усилий?

Ответы на эти вопросы дает история так называемой Стандартной модели физики элементарных частиц. Как следует из ее названия, это теоретическая конструкция, при помощи которой физики описывают составные элементы материи и силы, которые удерживают ее или заставляют распадаться. Эта теория создавалась долгими десятилетиями тяжелейшего труда и представляет собой итог попыток интерпретировать окружающий нас физический мир.

Однако Стандартная модель – это еще не «теория всего». Она не учитывает гравитацию. В последние годы в физике появились новые экзотические теории, стремящиеся объединить в себе все фундаментальные взаимодействия, в том числе и гравитационное. Это, например, теории суперсимметрии и суперструн. Несмотря на усилия сотен занимающихся ими ученых-теоретиков, эти новые теории остаются чисто умозрительными и мало подтверждены, если подтверждены вообще, экспериментальными данными. Даже при своих недостатках, выявившихся с момента рождения Стандартной модели в конце 1970-х годов, она до сих пор находится на переднем крае научных исследований.

Бозон Хиггса играет важную роль в Стандартной модели, так как он свидетельствует о существовании поля Хиггса, невидимого энергетического поля, которое пронизывает всю Вселенную. Без поля Хиггса элементарные частицы, из которых состоите вы, я, вся видимая Вселенная, не имели бы массы. Без поля Хиггса масса не могла бы возникнуть и не было бы ничего.

Выходит, мы довольно многим обязаны существованию этого поля. Именно поэтому, среди других причин, бозон Хиггса, то есть частицу хиггсовского поля, в массовой прессе называют «частицей Бога». Ученые просто не выносят этого прозвища, поскольку оно слишком преувеличивает важность частицы и неприятно намекает на связь между физикой и теологией. Однако оно стало очень популярным среди пишущих о науке журналистов и писателей.

Многие предсказанные следствия существования поля Хиггса были подтверждены в экспериментах на коллайдерах еще в начале 1980-х. Но вывести логическое заключение о поле – не то же самое, что обнаружить свидетельствующую о нем частицу. Поэтому так отрадно знать, что поле весьма вероятно существует и здесь, и там, и повсюду. Бозон Хиггса вполне мог быть не обнаружен, и это имело бы катастрофические последствия для Стандартной модели.

Я взялся за эту книгу в июне 2010 года, за два года до открытия бозона. Незадолго до того я закончил рукопись другой книги, называвшейся «Квантовая история: рассказ в 40 мгновениях», где, как следует из названия, изложил историю квантовой физики с начала ХХ века до наших дней. Книга охватывала развитие Стандартной модели и предсказание поля и частицы Хиггса. За несколько месяцев до того Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе вышел на рекордные показатели энергии протон-протонных столкновений в 7 триллионов электронвольт, и я решил, что открытие может быть сделано в ближайшие годы. И, к счастью, оказался прав.

«Квантовая история» вышла в феврале 2011 года. Книга, которую вы держите в руках, отчасти основана на ней.

Я хотел бы поблагодарить Латху Менон и представителей издательства Oxford University Press, которые не побоялись рискнуть и заказать книгу о еще неоткрытой частице. Я следил за событиями в ЦЕРНе по официальным каналам, но также обязан многим блогерам, пишущим о физике высоких энергий – это Филип Гиббс, Томмазо Дориго, Питер Войт, Адам Фалковски, Мэтт Стрэсслер и Джон Баттерворт. Также весьма признателен Джону Баттерворту, Софи Тесори, Джеймсу Гиллису, Лоретт Понс и Линдону Эвансу за их потраченное время и разделенное волнующее ожидание. Еще мне хотелось бы выразить благодарность профессорам Дэвиду Миллеру и Питеру Войту, которые прочли и прокомментировали черновую рукопись, и профессору Стивену Вайнбергу, который внимательно прочел предварительный вариант и любезно поделился своими взглядами во вступительном слове. Уверяю читателя, что все оставшиеся в тексте ошибки полностью лежат на моей совести.

Джим Бэгготт

Рединг,

6 июля 2012 г.

Предисловие

После многих важных открытий в науке выходили научно-популярные книги, которые объясняли обычным читателям, что это за открытия. Но я впервые вижу книгу, которая в основном написана в предвосхищении открытия. То, что эта книга была готова к публикации сразу же после объявления в июле 2012 года об открытии ЦЕРНом (при участии Фермилаба^[1] новой частицы, по всей видимости частицы Хиггса, свидетельствует об удивительной находчивости и предприимчивости Джима Бэгготта и Ox ford Universiry Press.

Скорая публикация книги также говорит об интересе к этому открытию широкой публики. Поэтому, может быть, во вступительном слове мне следует прибавить несколько собственных замечаний о том, что же произошло. Часто приходится слышать, что в поисках частицы Хиггса речь идет о том, откуда взялась масса. Такое объяснение достаточно верно, но его требуется уточнить.

К 1980-м годам у нас сложилась хорошая всесторонняя теория, охватывающая все наблюдаемые элементарные частицы и их взаимодействия друг с другом (кроме гравитационного). Одним из основных элементов теории является симметрия, похожая на семейные отношения между двумя из этих взаимодействий: электромагнитным и слабым ядерным. Электромагнетизму мы обязаны светом; благодаря слабому ядерному взаимодействию частицы внутри ядер атомов меняют заряд в процессе радиоактивного распада. Симметрия объединяет оба взаимодействия в единой электрослабой структуре. Главные положения электрослабой теории прошли тщательную проверку; их истинность не стояла на кону в последних экспериментах ЦЕРНа и Фермилаба и не подверглась бы серьезным сомнениям, даже если бы частица Хиггса не была открыта.

Однако одно из следствий электрослабой симметрии заключается в том, что, если теорию ничем не дополнять, все элементарные частицы, включая электроны и кварки, должны не иметь массы, что, разумеется, не так. Значит, в теорию электрослабого взаимодействия нужно что-то добавить, какой-то новый вид материи или поля, еще не наблюдавшийся ни в природе, ни в лаборатории. Поиск частицы Хиггса – поиск ответа на вопрос: что же это за новая штука, которую нужно туда добавить?

Чтобы ее найти, требовалось не просто топтаться вокруг ускорителя высокой энергии, дожидаясь, не объявится ли что-нибудь. Электрослабая симметрия, точное свойство, лежащее в основе уравнений физики элементарных частиц, каким-то образом должна быть нарушена; она не должна применяться непосредственно к частицам и взаимодействиям, которые мы наблюдаем фактически. Еще с работы Ёитиро Намбу и Джеффри Голдстоуна в 1960–1961 годах известно, что подобное нарушение симметрии возможно в различных теориях, но считалось, что оно обязательно подразумевает существование новых безмассовых частиц, о которых тогда не было известно.

И только исследования, проделанные независимо Робертом Браутом и Франсуа Энглером; Питером Хиггсом; Джеральдом Гуральником, Карлом Хейгеном и Томом Кибблом в 1964 году^[2], показали, что в некоторых теориях эти безмассовые частицы Намбу – Голдстоуна исчезают и служат только для того, чтобы придать массу частицам – переносчикам взаимодействия. Именно это происходит в теории слабого и электромагнитного взаимодействий, которую в 1967–1968 годах предложили Абдус Салам и я. Однако вопрос, какой же новый вид материи или поле в действительности нарушает электрослабую симметрию, все так же оставался без ответа.

Можно предположить две возможности. Одна возможность заключалась в том, что существуют не наблюдавшиеся до сих пор поля, которые пронизывают вакуум, и что, как у магнитного поля Земли север отличается от остальных направлений, у этих неизвестных полей слабое взаимодействие отличается от электромагнитного и частицы – переносчики слабого взаимодействия и другие – приобретают массу, но при этом фотоны (переносящие электромагнитное взаимодействие) остаются с нулевой массой. Такие поля называются скалярными, это значит, что, в отличие от магнитных полей, у них не различаются обычные направления в пространстве. Скалярные поля такого общего вида использованы в наглядных примерах нарушения симметрии у Голдстоуна и позднее в работах 1964 года.

Когда совместно с Саламом использовали нарушение симметрии, разрабатывая современную электрослабую теорию слабого и электромагнитного взаимодействий, мы предположили, что нарушение симметрии происходит благодаря полям такого скалярного типа, пронизывающим все пространство. (Подобную симметрию уже гипотетически предложили Шелдон Глэшоу, а также Салам и Джон Уорд, но не в качестве точного свойства уравнений теории, поэтому они не пошли дальше и не ввели скалярные поля.)

Одно из следствий теорий, в которых симметрию нарушают скалярные поля, в том числе моделей, рассмотренных Голдстоуном и в работах 1964 года, и нашей с Саламом теории электрослабого взаимодействия, состоит в том, что, хотя некоторые из этих полей служат только для придания массы частицам – переносчикам взаимодействий, другие скалярные поля будут проявляться в природе в виде новых физических частиц, которые можно будет получать и наблюдать в ускорителях и коллайдерах. Оказалось, что нам с Саламом нужно ввести в теорию электрослабого взаимодействия четыре скалярных поля. Три скалярных поля использованы для сообщения массы W+-, W^—-и Z⁰-частицам – «тяжелым фотонам», – которые в нашей теории переносят слабое взаимодействие (эти частицы были открыты в ЦЕРНе в 1983–1984 годах и, как оказалось, имеют массы, предсказанные теорией электрослабого взаимодействия). Оставшееся скалярное поле должно проявляться в качестве физической частицы, сгустка энергии и импульса этого поля. Это и есть частица Хиггса, которую физики искали почти 30 лет.

Но была и вторая возможность. Быть может, напротив, нет никаких пронизывающих пространство скалярных полей, нет никакой частицы Хиггса. Наоборот, электрослабую симметрию могут нарушать сильные взаимодействия, которые называются техницветовыми и действуют на новый класс частиц, слишком тяжелых и потому до сих пор не наблюдавшихся. Нечто подобное имеет место в явлении сверхпроводимости. Подобную теорию элементарных частиц в конце 1970-х предложили независимо Леонард Сасскинд и я сам. Она повлекла бы за собой целую чащу новых частиц, связанных техницветовым взаимодействием. Таким образом, перед нами встала альтернатива: скалярные поля или техницвет?

Открытие новой частицы очень сильно склонило бы весы в пользу того, что электрослабую симметрию нарушают скалярные поля, а не техницветовое взаимодействие. Вот почему оно настолько важно.

Однако нужно ответить еще на множество вопросов, прежде чем все станет ясно. Теория электрослабого взаимодействия 1967–1968 годов предсказала все свойства частицы Хиггса, кроме ее массы. Сейчас, когда масса получена экспериментально, мы можем посчитать вероятность всех разных форм распада частиц Хиггса и провести дальнейшие эксперименты, которые подтвердят или опровергнут эти предсказания. На это потребуется некоторое время.

Открытие новой частицы, которая, по-видимому, является частицей Хиггса, ставит перед теоретиками еще одну сложную задачу – понять ее массу. Частица Хиггса – та самая элементарная частица, чья масса возникает не из-за нарушения электрослабой симметрии. С точки зрения фундаментальных принципов теории электрослабого взаимодействия масса частицы Хиггса может иметь какое угодно значение. Вот почему ни Салам, ни я не смогли ее предсказать.

На самом деле в массе частицы Хиггса, которую теперь мы таки наблюдаем, есть нечто непонятное. Чаще всего это называют проблемой иерархии. Поскольку именно масса частицы Хиггса задает величину масс всех остальных известных элементарных частиц, можно предположить, что она должна быть аналогична другой массе, играющей фундаментальную роль в физике: так называемой планковской массе, которая представляет собой фундаментальную единицу массы в теории гравитации (это масса гипотетических частиц, у которых сила гравитационного притяжения друг к другу равна силе электрического взаимодействия между двумя электронами, находящимися на таком же расстоянии друг от друга). Но планковская масса примерно в 100 тысяч триллионов раз больше массы частицы Хиггса. Следовательно, перед нами опять встает вопрос: хотя частица Хиггса так массивна, что для ее обнаружения потребовался гигантский коллайдер, почему же ее масса настолько мала?

Джим Бэгготт предложил мне добавить что-нибудь об эволюции идей в этой области физики, исходя из моего личного опыта. Я расскажу только о двух моментах.

Как рассказывает Бэгготт в главе 4, Филип Андерсон еще до 1964 года утверждал, что безмассовые частицы Намбу – Голдстоуна не были обязательным следствием нарушения симметрии. Почему же доводы Андерсона не убедили ни меня, ни других теоретиков? Это ни в коей мере не значит, что Андерсона не следовало принимать всерьез. Среди всех теоретиков, занимавшихся физикой конденсированного состояния, Андерсон яснее всех понимал, насколько важны принципы симметрии, принципы, играющие важнейшую роль в физике элементарных частиц.

Думаю, доводы Андерсона были отвергнуты главным образом потому, что они основывались на аналогии с такими феноменами, как сверхпроводимость, которые являются нерелятивистскими (то есть это феномены, происходящие в областях, где можно безопасно пренебречь принципом относительности Эйнштейна). Однако Голдстоун, Салам и я строго научно показали неизбежность безмассовых частиц Намбу – Голдстоуна в доказательстве 1962 года, которое основывалось на бесспорной истинности теории относительности. Теоретики физики частиц были готовы согласиться, что Андерсон прав в нерелятивистском контексте сверхпроводимости, но только не в теории элементарных частиц, которая по необходимости включает в себя принцип относительности. Работы 1964 года ясно показали, что наше с Голдстоуном и Саламом доказательство неприменимо к квантовым теориям с частицами – переносчиками взаимодействий, поскольку, в отличие от физических явлений, которые удовлетворяют принципу относительности, математическая формулировка этих теорий в контексте квантовой механики ему не удовлетворяет.

Из-за этой же проблемы с принципом относительности я, как ни старался, не смог после 1967 года доказать, как придумали мы с Саламом, что бессмысленные бесконечности, возникавшие в теории электрослабого взаимодействия, сокращаются, как сокращаются аналогичные бесконечности в квантовой теории электромагнетизма, что уже было показано. Принцип относительности был важен для демонстрации того, как сокращаются бесконечности в теории электромагнетизма. В доказательстве Герарда ’т Хоофта 1971 года, о котором Бэгготт рассказывает в главе 5, использован метод, разработанный ’т Хоофтом совместно с Мартинусом Велтманом, в котором принципы квантовой механики расширяются, позволяя сформулировать теорию так, чтобы она согласовалась с принципом относительности.