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

Однажды несколько недель спустя, в середине сентября Вайнберг ехал в офис в Массачусетском технологическом институте в своем красном спорткаре “камаро”, и вдруг его осенило: неправильной была не сама его теория, а только ее интерпретация! Уравнения, которые он вывел, не описывали тонкие различия между протонами и нейтронами, зато прекрасно описывали так называемую четвертую силу, существующую в природе. “Я дал правильный ответ на неправильный вопрос”, — рассказывал он.

Четвертая сила природы — наверное, самая малоизвестная из всех. Большинство людей знакомы с силой тяжести и электромагнитной силой. Электромагнитное взаимодействие, например, используется в электронных приборах, а еще заставляет волосы вставать дыбом в грозу. Третья сила — сила, участвующая в сильном взаимодействии, она в 137 раз сильнее, чем электромагнитная, и ее дело — удерживать частицы внутри атомных ядер. А вот что такое четвертая сила — не очень ясно. Она отвечает за слабое взаимодействие и за некоторые виды радиоактивного распада. Внутри Солнца слабое взаимодействие превращает водород в дейтерий (тяжелый водород) — сырье для термоядерных реакций, благодаря которым наша звезда светится.

Слабые силы действуют лишь на малых расстояниях. В то время как радиус действия электромагнитной силы огромен, слабая сила ощущается только при приближении на расстояние, равное одной стомиллионной доли нанометра, а это одна сотая диаметра атомного ядра, расстояние столь малое, что физики считают: слабая сила включается лишь при непосредственном контакте частиц.

Приехав в свой офис в Массачусетском технологическом институте, Вайнберг стал набрасывать черновой вариант теории. Вскоре он понял, что безмассовая частица, которая разрушала его прежние построения, была на самом деле фотоном —действительно безмассовой частицей, квантом света и переносчиком электромагнитного взаимодействия. Это было основным выводом и означало, что уравнения Вайнберга в рамках единой обобщающей теории описывают и слабые и электромагнитные силы. Вайнберг, сам не осознавая того, объединил две силы природы. С тех пор как в XIX веке Максвелл объединил электричество и магнетизм, подобное объединение было сделано впервые.

В работе Вайнберга описывалось взаимодействие, которое теперь ученые называют электрослабым. Его расчеты показали, что в начале существования Вселенной электромагнитные и слабые силы переплетались. Затем, по мере расширения и охлаждения Вселенной, они разделились на две отдельные силы, которые мы и наблюдаем в настоящее время. Прорыв, сделанный Вайнбергом, был тем более значительным, что его теория включала в себя механизм Хиггса! Именно поле Хиггса “растащило” со временем электромагнитную и слабую силы.

Объединив электричество и магнетизм в единую теорию электромагнетизма, Максвелл предсказал, что кроме видимого света существуют еще и другие электромагнитные волны. Это намного облегчило жизнь ученым — теперь они знали, где искать доказательства правильности теории. К счастью, в теории Вайнберга тоже содержалось несколько предсказаний. Ученый предугадал три новых вида частиц, названных W- и Z-бозонами. W-бозон (от weak — слабый) существует в двух формах — положительной и отрицательной, а Z-бозон вообще не имеет электрического заряда. Его так назвали именно из-за его нулевого (zero) заряда, а также потому, что Z — последняя буква в английском алфавите, и Вайнберг надеялся, что этот бозон будет последним в семействе частиц, переносящих слабые взаимодействия.

В теории электрослабого взаимодействия Вайнберга механизм Хиггса играет центральную роль. Именно поле Хиггса расщепляет электрослабую силу на две, придав массу W- и Z-бозонам, но оставив при этом фотоны безмассовыми. Поскольку фотоны невесомы, они могут переносить электромагнитное взаимодействие на большие расстояния со скоростью света. A W- и Z-частицы из-за своих существенных масс вообще едва шевелятся, так что слабая сила может передаваться только на крошечные расстояния. Позже физики поняли, что и кварки и электроны тоже получили массы, оказавшись в поле Хиггса.

Работа Вайнберга по электрослабым взаимодействиям была опубликована в следующем месяце — в ноябре 1967 года 85 85 “Модель лептонов”: см. библиографию. . Она стала самой цитируемой статьей в истории физики элементарных частиц. У теории Вайнберга была замечательная особенность —она предсказывала, какие примерно массы должны иметь новые частицы, следовательно, ученые могли немедленно пуститься в их поиски. То есть, если частицы эти действительно существуют в природе и если бы их нашли, событие сие стало бы неоспоримым доказательством правильности и теории Вайнберга, и механизма Хиггса, на котором она основывалась.