В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса - Иэн Сэмпл

В Национальной ускорительной лаборатории в Чикаго команда Руббиа приостановила публикацию своей статьи. Незадолго до того физики решили отрегулировать детектор, чтобы улучшить его характеристики. Было решено пока задержать выход статьи — вдруг удастся получить лучшие результаты. Однако когда детектор заработал снова, результаты резко ухудшились. Треки, которые раньше выглядели как следы нейтральных токов, исчезли!

К ноябрю американская команда полностью поменяла свою точку зрения на ситуацию с нейтральными токами. Их обновленный детектор не фиксировал токов. Физики быстро подготовили черновик статьи, в которой описали причины отказа от выводов своей первой статьи. Заключение маститых специалистов из Фермилаба и университетов Гарварда, Пенсильвании и Висконсина могло нанести мощный удар по репутации ЦЕРНа и дискредитировать выводы европейских ученых.

Несколько недель спустя Карло Руббиа прибыл в ЦЕРН с письмом для Лагаррига от ученых из Национальной лаборатории. Там были плохие новости. “Мы написали статью, — сообщали американцы, — предназначенную для публикации в “Physical Review Letters”, которая скоро будет послана в редакцию. Копия, конечно, будет направлена вам, но по очевидным причинам мы хотели бы неофициально поделиться нашими результатами до ее публикации”. Лагарриг показал письмо членам своей группы. Когда уже все в ЦЕРНе знали о послании американцев, генеральный директор ЦЕРНа Вилли Йенчке созвал срочное заседание группы “Гаргамели” и устроил перекрестный допрос по поводу надежности их результатов108. Если команда Руббиа права, ЦЕРН должен был пройти через ужасное унижение. Однако сотрудники “Гаргамели” стояли на своем. Они рассмотрели все процессы, способные привести к появлению подобных треков в детекторе и исключили все, кроме нейтральных токов. Наши результаты правильны, утверждали они, независимо от того, что получилось у американцев.

Вскоре после возвращения Руббиа из ЦЕРНа у его группы в Национальной ускорительной лаборатории возникли очередные сомнения. Один из членов команды, Дэвид Клайн, заметил восемь событий, зарегистрированных детектором и убедительно свидетельствующих о присутствии нейтральных токов. И теперь вместо того, чтобы отправить вторую статью, в которой авторы похоронили надежду их обнаружить, американская команда опять вернулась к своей первоначальной статье, уже пролежавшей более четырех месяцев в издательстве журнала. Они слегка переделали ее. Вся эта история с очевидностью продемонстрировала не только то, что американская команда находилась под огромным давлением, но и то, что для понимания процессов, происходящих в сложных установках, нужен большой опыт. Остряки шутили, что американские физики охотились на “переменные нейтральные токи”. Работа чикагских физиков была опубликована в апреле 1974 года.

Интенсивные усилия по обнаружению ней тральных токов изнурили команды и в ЦЕРНе, и в Национальной ускорительной лаборатории (вскоре после этого переименованной в Фермилаб). Но результат стоил таких усилий. Это было первое доказательство того, что теория электрослабых взаимодействий правильна и что на ранней стадии развития Вселенной электромагнитное и слабое взаимодействия были объединены.

Не так много научных открытий было должным образом оценено современниками. Поначалу открытия часто кажутся непонятными, загадочными и не имеющими никакого практического применения. Затем, по мере того как растет число ученых, работающих в данной области, значимость их становится ясна. Нейтральные токи — отличный тому пример. Более чем через десять лет после того, как они были обнаружены, ученые начали подозревать, что эти токи играют решающую роль в судьбах умирающих звезд. Судьба стареющих звезд — одна из величайших загадок Вселенной: казалось бы, их свечение в конце жизни должно постепенно ослабевать и в конце концов совсем затухнуть. Однако вместо этого старая звезда вдруг эффектно взрывается с образованием сверхновой! Считается, что в таких сверхновых звездах высвобождается столько энергии, сколько выделит Солнце за всю свою жизнь. Смертельная агония звезды выглядит действительно драматично.

По всей видимости, нейтральные токи управляют взрывами сверхновых звезд, и в процессе таких взрывов и образуются все тяжелые элементы — те самые, что когда-то попали на Землю и без которых жизнь на нашей планете никогда бы не возникла.

Может оказаться, что нейтральные токи регулируют и другие процессы в окружающем нас мире — так, вероятно, именно они отвечают за асимметрию молекул. Действительно, многие молекулы существуют в двух формах, которые во всем идентичны за исключением того, что они зеркально отображают друг друга. Ученые называют их левыми и правыми формами. (Такой вид симметрии называется “хиральность”.) Одна из причуд природы состоит в том, что в некоторых случаях очень важно какая молекула участвует в процессе — правая или левая.

Ричард Фейнман продемонстрировал это свойство молекулярной асимметрии в своих корнеллских лекциях, опубликованных в 1965 году. Фейнман описал эксперимент получения сахара из простейших ингредиентов. Молекулы сахара не сложные — они состоят из 12 атомов углерода, 22 атомов водорода и и атомов кислорода. Что произойдет, если вы положите такой синтетический сахар в небольшое количество воды и добавите бактерии? Оказывается, бактерии съедят только половину сахара. И вот почему. Синтетический сахар содержит равное количество левых и правых молекул. Оба вида молекул химически идентичны, но симметрия их зеркальная. В природе по неизвестным пока причинам молекулы сахара существуют лишь в правой форме, и бактерии эволюционировали так, что могут переварить только эту форму. Если они сталкиваются с левыми молекулами сахара, они их не трогают, потому что просто не знают, что с ними делать. Асимметрия в прямом смысле заложена в наших генах. Двойные спирали нашей ДНК, как и аминокислоты, из которых они сделаны, — “левые”. Происхождение этой асимметрии в природе — одна из самых интригующих загадок биологии.

Ее вероятную разгадку предложил в 1984 году Стивен Мейсон, химик из лодонского Королевского колледжа. Такие частицы, как электроны и кварки, имеют спин, собственный момент количества движения, и он тоже бывает левым или правым. Сила, переносчиками которой являются Z-частицы, действует только на частицы с левым спином. Расчеты Мейсона показали, что, если принять во внимание этот факт, левые формы аминокислот и правые формы сахаров оказываются устойчивее, чем их зеркальные партнеры. Может быть, еще до появления жизни на Земле нейтральные токи сделали некоторые молекулы более стабильными, и они постепенно стали доминантными формами во Вселенной.

Причины асимметрии в природе имеют не только научный интерес. Понять, почему левые и правые молекулы ведут себя по-разному, очень важно для медицины. В 1960-х годах тысячи женщин, ждущих ребенка, чтобы справиться с утренней тошнотой, принимали на ранних стадиях беременности препарат талидомид. Оценки показали, что непосредственным результатом приема этого препарата явилось рождение более 10 000 детей с серьезными дефектами. У многих из них отсутствовали руки и ноги. Препарат вызывал неправильное развитие глаз и ушей, наносил вред сердцу, почкам, пищеварительной системе, половым органам и нервной системе младенцев. Чтобы возник такой сбой в развитии плода, было достаточно разовой дозы препарата. Препарат изготавливался в виде смеси “левых” и “правых” молекул, но ученые теперь знают, что утреннюю тошноту помогала снимать только одна форма, а другая, вероятно, сдерживала активность генов развивающегося эмбриона и вызывала врожденные пороки. Лекарство безопасно, если оно содержит только одну форму молекул.

Роль нейтральных токов в жизни на Земле заинтриговала Абдуса Салама через много лет после того, как он выдвинул идею объединения электромагнитных и слабых взаимодействий. В 1988 году на лекции, посвященной памяти Поля Дирака, он сказал: “Сегодня в научном сообществе все более и более растет уверенность в том, что электрослабая сила является настоящей “силой жизни” и что Бог создал Z-частицы, дабы обеспечить асимметрию “молекул жизни”.

ЦЕРН отметил свой первый крупный успех — открытие нейтральных токов. Эти мимолетные свидетельства того, что теория электрослабых взаимодействий правильна, убедили всех, что и W- и Z-частицы все-таки существуют. Теперь целью ученых стало обнаружение загадочных частиц, поскольку только это бесспорно доказало бы правильность теории электрослабых взаимодействий.

Но тут на пути физиков встало серьезное препятствие. Оказалось, что W- и Z-частицы очень неустойчивы, время жизни их чрезвычайно мало. То есть требовалось их создать искусственно, и задача сия не обещала быть легкой. В 1970-х годах ни один из готовых или еще строившихся ускорителей не мог развить достаточно энергии, чтобы там родились эти частицы. У физиков было два варианта: либо ждать, пока появятся время и деньги на строительство более крупных и мощных ускорителей нового поколения, либо быстро придумать и сконструировать какой-либо паллиатив.