Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Тоді як успішне спостереження нейтральних струмів 1974 року означало, що теорія Ґлешоу – Вайнберґа – Салама почала здобувати широке визнання серед фізиків-теоретиків, експеримент у СЦЛП 1978 року був настільки важливим через те, що 1977-го було проведено два атомнофізичні експерименти, результати яких, якщо вони були правильні, упевнено перекреслювали цю теорію.

Досі в нашій оповіді ключову роль відігравало світло, освітлюючи (даруйте за каламбур) наше розуміння не лише електрики й магнетизму, а й простору, часу та, урешті-решт, квантового світу. Так і цього разу стало зрозуміло, що світло може допомогти в пошуках можливого електрослабкого об’єднання.

Першим видатним успіхом квантової електродинаміки стало передбачення спектра водню, а зрештою й інших атомів. Проте якщо електрони відчуватимуть ще й слабку силу, виникне невеличка додаткова сила між електронами та ядрами, яка змінить, хай ледве-ледве, характеристики їхніх атомних орбіт. Здебільшого ці зміни неспостережувані, оскільки слабкі ефекти губляться на тлі електромагнітних. Проте слабкі взаємодії порушують парність, тож та сама слабко-електромагнітна нейтральнострумова інтерференція, досліджувана за допомогою пучків поляризованих електронів, може викликати в атомах новітні ефекти, які зникали б, якби єдиною дієвою силою був електромагнетизм.

Зокрема, у випадку важких атомів теорія Ґлешоу – Вайнберґа – Салама передбачала, що якщо пропустити поляризоване світло крізь газ з атомів, то напрямок поляризації світла повернеться на приблизно одну мільйонну градуса через ефекти, які порушують парність нейтрального струму в атомах, крізь які це світло проходить.

1977 року в «Physical Review Letters» одна за одною вийшли друком статті, присвячені результатам двох незалежних атомнофізичних експериментів, проведених у Сіетлі та Оксфорді. Їхні результати жахали. Жодної оптичної ротації не спостерігали на рівні, удесятеро меншому за передбачений електрослабкою теорією. Якби такий результат було отримано лише в одному експерименті, ситуація була б менш однозначною. Проте однаковий результат двох незалежних експериментів із використанням незалежних методів справляв враження однозначності. Схоже, теорію було спростовано.

Утім, експеримент СЦЛП, який почався трьома роками раніше, був у самому розпалі, і оскільки всі приготування до його проведення вже стартували, було затверджено, що збір даних розпочнеться на початку 1978 року. З огляду на попередні нульові результати атомнофізичних експериментів Стенфордська колаборація доповнила експеримент кількома приблудами, щоб у разі, якщо ніякого ефекту виявлено не буде, бути певними, що, якби такий ефект мав місце, вони могли б його виявити.

Через два місяці після початку експерименту почали з’являтися чіткі ознаки порушення парності, і станом на червень 1978 року науковці оголосили про одержання ненульового результату, який узгоджувався з передбаченнями моделі Ґлешоу – Вайнберґа – Салама й базувався на вимірюванні розсіювання нейтрино під дією нейтрального струму, яке слугувало мірою сили Z -взаємодії.

Проте ще лишалися деякі відкриті питання, у першу чергу пов’язані з явною розбіжністю з результатами експериментів у Сіетлі та Оксфорді. Під час обговорення цієї теми в Калтеху Річард Фейнман у своїй звичній манері зосередився на ключовому спірному експериментальному питанні та поцікавився, чи перевіряли експериментатори зі СЦЛП, що їхній детектор однаково гарно реагує як на ліво-, так і на праворукі електрони. Вони цього не робили, проте з теоретичних міркувань не мали підстав очікувати різної поведінки детекторів у випадку різних поляризацій (вісім років по тому, після трагічного вибуху «Челленджера», Фейнман славетно докопається до суті іншої складної проблеми, ефектно продемонструвавши наслідки втрати еластичності гумовим кільцевим ущільненням членам комісії з розслідування катастрофи та телеглядачам, які дивилися пряму трансляцію засідання).

Упродовж осені група СЦЛП відшліфувала свій експеримент, щоб виключити як це, так і інші поставлені питання, і наприкінці осені відзвітувала про остаточний результат, який узгоджувався з передбаченням Ґлешоу – Вайнберґа – Салама з рівнем невизначеності, меншим за 10 %. Електрослабке об’єднання було реабілітоване!

На сьогодні мені невідомо, чи має хтось гарне пояснення причин одержання хибних результатів початкових атомнофізичних експериментів (результати подальших експериментів відповідали теорії Ґлешоу – Вайнберґа – Салама), окрім того, що проводити експерименти й теоретично інтерпретувати їхні результати – складна справа.