Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

В 20-е годы было замечено, что при некоторых реакциях энергия не сохраняется – атомы испускают ?-частицы (электроны, обладающие большой скоростью) с меньшей энергией, чем ожидалось. Паули предположил, что недостающую энергию уносит невидимая частица, образующаяся в ходе реакции. Вскоре Ферми назвал эту частицу нейтрино. Считалось, что её очень трудно обнаружить, поскольку она не имеет ни заряда, ни, возможно, массы. И действительно, её с большими трудностями удалось зарегистрировать только в 1956 году.

Одна из наиболее важных реакций с участием нейтрино – распад свободного нейтрона; он распадается на электрон, протон и антинейтрино примерно за 12 мин. Эта реакция называется ?-распадом. В ходе распада проявляется слабое взаимодействие, а значит в нём участвует W-частица; это наиболее изученное проявление слабого взаимодействия.

Первая теория слабых взаимодействий, вернее ?-распада, была предложена Энрико Ферми, итальянским физиком, эмигрировавшим 192 в США вскоре после прихода к власти Муссолини. Хотя он в основном известен как создатель атомного «котла», где впервые удалось провести незатухающую реакцию деления, вклад Ферми в физику этим далеко не ограничивается. Его теория ?-распада оказалась весьма удачной, но вскоре стало ясно, что она нуждается в дополнениях.

В середине 50-х годов произошло важное событие – было обнаружено несохранение чётности (зеркального отражения процесса) при слабых взаимодействиях. Сохранение чётности считалось само собой разумеющимся на протяжении многих лет, пока китайские физики Тзундао Ли и Чженьин Янг не начали изучать это явление. Особенно их интересовал распад частицы, называемой K-мезоном. В то время считалось, что в этой реакции участвуют две частицы ?-(тау) и ?-(тета). Но странным было то, что если не считать распад, все их свойства были совершенно одинаковыми. Янг и Миллс предположили, что это одна и та же частица, и решили посмотреть, какие это будет иметь следствия. Оказалось, что они действительно могли быть одной и той же частицей при условии несохранения чётности. Поначалу это казалось невероятным – все знали, что чётность сохраняется. Однако, внимательно изучив литературу, Ли и Янг выяснили, что никто и никогда этого экспериментально не проверял. В 1956 году учёные опубликовали свои результаты, а через несколько месяцев сотрудница Колумбийского университета Цзиньсян By подтвердила правильность их предположений. В 1957 году Ли и Янг были удостоены Нобелевской премии по физике.

Так впервые выяснилось, что симметрия может нарушаться, и учёные стали подумывать, не нарушается ли она ещё где-нибудь кроме слабых взаимодействий. В числе других этим заинтересовался Стивен Вайнберг, работавший в Массачусетском технологическом институте. Он узнал о нарушении симметрии в 1961 году и, как сказал позднее, «…сразу влюбился в эту идею, но не понимал, что из неё может следовать». В основном Вайнберга смущали массивные мезон и W-частица, в то время как частицы-переносчики должны были бы быть лишены массы. Однако, несмотря на это, он в течение почти двух лет занимался нарушением симметрии при сильных взаимодействиях. Вайнберг пытался как-то включить в свой подход теорию Янга-Миллса, но безмассовые частицы никак не хотели обретать массу.

Выход нашли английские учёные Хиггс и Киббл. Они показали, что если нарушается локальная калибровочная симметрия, некоторые из частиц-переносчиков (называемых также калибровочными частицами) обретают массу. Правда, это становилось возможным, если с вакуумом связано ещё одно, пока не наблюдавшееся поле. Вайнбергу такая идея очень понравилась, и он тут же попробовал применить её к своей работе, к теории сильных взаимодействий. Вскоре он показал, что из этого ничего не выйдет. «Осенью 1967 года по пути в Массачусетский технологический институт я вдруг понял, что применял верный подход, но не к той задаче, к которой было нужно», – вспоминал позже Вайнберг.

Стивен Вайнберг (родился в 1933 году)

Применив новый подход (называемый сейчас механизмом Хиггса) к комбинации электромагнитного и слабого взаимодействий, Вайнберг обнаружил, что из теории следует существование трёх массивных калибровочных частиц и одной безмассовой, – как раз то, что требовалось. Одна из массивных частиц – W-частица, а безмассовая – фотон. А какая же массивная и нейтральная частица остаётся? Очевидно, это одна из предсказанных частиц, называемая Z⁰.

Рассмотрим подробней, как работает механизм Хиггса. Проще всего считать, что сначала все частицы-переносчики не имеют массы. Затем W ^±- и Z⁰-частицы поглощают частицы Хиггса и приобретают массу, а частицы Хиггса превращаются в «призраков». Фотон не поглощает частицу Хиггса и, следовательно, остаётся безмассовым. В шутку об этом говорят так: W ^±- и Z⁰-частицы пожирают частицы Хиггса и толстеют, а фотон постится и остаётся худеньким. Интересно, что непоглощённая частица Хиггса сейчас в принципе может быть обнаружена, и ожидается, что она будет зарегистрирована в ближайшие годы.