Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Физики обращались к механизму Хиггса многие годы и, используя его, шли от успеха к успеху. Многие аспекты взаимодействий W- и Z-бозонов, помимо их масс, были точно предсказаны с использованием красивых уравнений для безмассовых частиц и калибровочных симметрий с их следствиями, модифицированными заполняющим пространство веществом. Так мы собрали убедительную сумму доводов в пользу существования нашего собственного «космического океана». Но в конечном счете эта версия основывалась на косвенных доказательствах. Не было никакого четкого ответа на очевидный вопрос: из чего он сделан?

Ни одно известное вещество не могло быть основой космического океана. Никакая комбинация известных кварков, лептонов, глюонов или других частиц не имела нужных для этого свойств. Нужно было что-то новое.

В принципе космический океан Хиггса мог бы состоять из нескольких веществ, и сами эти вещества могли бы быть составными. Литература по теоретической физике элементарных частиц содержит сотни, если не тысячи, предложений такого вида. Но среди всех логичных возможностей есть так называемая минимальная модель – самая простая и самая экономная. В этой минимальной модели космическое вещество состоит всего из одного ингредиента. Хотя принятая в этой области терминология сбивает с толку и к тому же постоянно меняется, здесь, когда я говорю о «частице Хиггса», я буду иметь в виду уникальную новую частицу[75], которая была введена, чтобы завершить минимальную модель.

Илл. 36. Эта схема изображает процесс, в результате которого частица Хиггса была получена с помощью глюонов и впервые обнаружена экспериментально – блестящий пример, в котором можно видеть, как работают сообща многие аспекты Главной теории и глубокие принципы квантовой теории

Мы можем сделать много выводов о том, как частица Хиггса взаимодействует с другими формами материи. В конце концов, раз мы находимся внутри этого космического океана, мы все наблюдаем свойства частиц Хиггса в массе с незапамятных времен. Фактически все свойства этой частицы предсказываются единственным образом, как только становится известна ее масса. Например, ее спин и электрический заряд должны быть равны нулю, потому что она должна быть похожа на квант «ничего». Так как мы знали, что мы ищем, стало возможно разработать разумную стратегию поиска частицы Хиггса. Ключевой процесс, с помощью которого была обнаружена частица Хиггса, изображен на илл. 36.

Первый шаг состоит в том, чтобы создать эту частицу. Преобладающий механизм рождения довольно примечателен. Обычное вещество очень слабо взаимодействует с частицей Хиггса H. (Именно поэтому электроны и протоны могут быть намного легче, чем W и Z, – они не чувствуют ее сопротивления.) На самом деле преобладающее взаимодействие происходит не напрямую, а за счет косвенного процесса «слияния глюонов», процесса, который я обнаружил в 1976 г. во время незабываемой прогулки, о которой я расскажу ниже. Он представлен в нижней части илл. 36.

Глюоны не соединяются с частицей Хиггса напрямую. Их взаимодействие – чисто квантовый эффект. Для квантовой механики характерно возникновение спонтанных флуктуаций, или «виртуальных частиц». Обычно такие флуктуации возникают и исчезают без какого-либо заметного эффекта, кроме их влияния на поведение соседних реальных частиц. В наиболее важном процессе слияния глюонов последние передают энергию виртуальной паре, состоящей из топ-кварка t и антитоп-кварка t̅. Кварк и антикварк t и t̅ сильно взаимодействуют с частицей Хиггса – это главная причина того, что они тяжелые, – так что есть значительная вероятность того, что они породят эту частицу перед тем, как исчезнуть.

Самый эффективный способ получить из сталкивающихся протонов частицу Хиггса состоит в том, чтобы столкнуть два глюона, по одному от каждого протона. Остальная часть протонов материализуется в виде беспорядочного фона, обычно содержащего многие десятки частиц.

Распад H на два фотона, H → γγ, показанный ближе к верхней части илл. 36, происходит подобным же образом. Фотоны не связываются непосредственно с частицей Хиггса, а лишь через виртуальные t̅t и W+W− пары. Хотя это довольно редкий вариант распада, он был основным для открытия H-частицы, потому что у него есть два больших преимущества с экспериментальной точки зрения.

Первое преимущество в том, что энергия и импульс фотонов высокой энергии могут быть измерены довольно точно. Мы можем объединить их, согласно кинематике специальной теории относительности, чтобы определить «эффективную массу» пары фотонов. Если фотоны из этой пары образовались вследствие распада частицы с массой М, то их эффективная масса будет равна М.

Второе преимущество в том, что фотонные пары высокой энергии довольно трудно произвести в обычных процессах (не связанных с частицей Хиггса), поэтому с фоном не так уж трудно бороться.

Используя оба этих преимущества, экспериментаторы разработали стратегию поиска: измерять эффективные массы многих фотонных пар и искать избыток таких пар при одном определенном значении относительно соседних.

И – если сказать коротко – это сработало!

Есть еще бонус: поскольку фон может быть вычислен с большой достоверностью, величина превышения над фоном дает меру частоты рождения H, помноженную на коэффициент ветвления, или парциальную ширину именно такого распада – в пару γγ. Тогда можно проверить, согласуется ли измеренный избыток событий с предсказаниями для минимального H, что особенно интересно, поскольку эти частоты рождения открывают новую дверь в неизведанное. Ведь могут существовать и другие тяжелые частицы, пока не наблюдавшиеся, но дающие свой виртуальный вклад в величину частоты рождения! До сих пор наблюдения согласуются с минимальной моделью «без рюшечек», но большая точность одновременно и достижима, и очень желательна.

Очарованный вечер

Вплоть до десяти часов вечера (или около того) тот летний день 1976 г., который оказался самым плодотворным в моей научной карьере, совершенно не предвещал ничего подобного. У моей совсем маленькой дочки Эмити болело ухо, и весь день она была беспокойной, капризной и требовала внимания. Мы с Бетси, неопытные родители, недавно прибывшие в импровизированную деревню Фермилаба, где мы никого не знали, справлялись как могли. Когда наступила темная, типичная для Среднего Запада ночь, изнуренная Эмити наконец погрузилась в сон, а затем и Бетси тоже. Они были похожи на ангелов мира и спокойствия.

Настороженность и энергия, которые требовались, чтобы справляться с потоком маленьких кризисов, все еще были со мной, после того как сами кризисы прошли. В поиске выхода я решил, как часто делаю, выйти погулять. Ночь была кристально ясной; небо сияло; горизонт был резким и далеким; и даже земля, залитая лунным светом, казалась нереальной. С образами земных ангелов, которые остались во мне, и неземным зрелищем, окружавшим меня, я почувствовал невероятный восторг. Это было время для важных размышлений.

В течение нескольких предшествовавших лет теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, основанные на локальной симметрии, прошли путь от смелой авантюры до общепринятого мнения. Когда я подумал об этой ситуации, мне пришло в голову, что, в то время как различные кварки, лептоны, глюоны и виконы – не говоря уже о фотонах – были в центре внимания и в фокусе хорошо продуманных экспериментальных программ, нарушение симметрии оставалось относительно неизведанным. Не было даже заслуживающего внимания предложения проверить самую простую, «минимальную» модель с одной-единственной частицей Хиггса, как описано выше.

Основная проблема проста: частице Хиггса в этой модели «нравится» связываться с тяжелыми частицами, но частицы стабильного вещества, которые мы можем изучать непосредственно или поместить их в наши ускорители, очень легки. Цветные глюоны имеют нулевую массу, так же как фотоны, в то время как u- и d-кварк и электроны имеют незначительную массу.

Но недавно (вы помните, у нас на календаре 1976-й!) возник большой интерес к более тяжелым кваркам. Очарованный кварк c был еще недавним открытием, и были вполне достаточные основания подозревать, что существует два дополнительных, еще более тяжелых вида кварков. (И они правда существуют. Красивый кварк b был обнаружен довольно скоро, в 1977 г., в то время как топ-кварк t не был найден до 1995 г. Им уже были даны имена, и их свойства – с единственным исключением в виде их масс – были вычислены даже до того, как их открыли экспериментально.) Поэтому было естественным подумать, могут ли новые, более тяжелые кварки распахнуть двери, через которые мы могли бы добраться до частицы Хиггса. Я сразу же понял, что это возможно. Можно использовать те же самые приемы, которые привели к успеху с очарованными кварками, чтобы произвести мезоны, основанные на b̅b или t̅t. Эти более тяжелые кварки будут энергично связываться с частицами Хиггса. Если карты лягут удачно – по существу, если эти тяжелые кварки обладают большей массой, чем половина массы частицы Хиггса, – то частицы Хиггса смогут рождаться в распадах таких мезонов. Это было моим первым важным осознанием той ночи.