3 В этом никто ничего не поймет

3

В этом никто ничего не поймет

Глава, в которой Марри Гелл-Манн открывает странность и Восьмеричный путь, Шелдон Глэшоу применяет теорию Янга – Миллса к слабому ядерному взаимодействию, и в этом никто ничего не понимает

Янг и Миллс пытались применить квантовую теорию поля к проблеме сильных взаимодействий в надежде повторить успех КЭД. Но оказалось, что теорию нельзя перенормировать и в итоге получаются безмассовые частицы, хотя они должны иметь массу. Очевидно, теория не могла быть решением для сильного взаимодействия.

А как насчет слабого ядерного взаимодействия?

Слабое взаимодействие представляло собой некую тайну. В начале 1930-х годов итальянскому физику Энрико Ферми пришлось прибегнуть к новому типу ядерного взаимодействия в детальной теории бета-радиоактивности. Он изложил свою теорию коллегам, с которыми проводил лыжный отпуск в Итальянских Альпах в Рождество 1933 года. Его коллега Эмилио Сегре впоследствии рассказал, как это было: «…Мы все сидели на одной кровати в гостиничном номере, и мне никак не сиделось, потому что я насажал синяков, пока падал на ледяной наст. Ферми полностью осознавал, насколько важно его открытие, и сказал, что, по его мнению, его запомнят по этой работе, лучшей до тех пор»[36].

Ферми провел параллель между слабым взаимодействием и электромагнитным. В итоге получилась теория, похожая на теорию электромагнетизма, и он смог вывести диапазон энергий (и, следовательно, скоростей) испускаемых бета-электронов. В 1949 году в Колумбийском университете американский физик китайского происхождения Ву Цзяньсюн провел эксперименты, показавшие, что предсказания Ферми верны. С некоторыми небольшими поправками теория Ферми остается верной и по сей день.

Ферми пришел к выводу, что взаимодействие между частицами, участвующими в бета-распаде, примерно в 10 миллиардов раз слабее электромагнитных взаимодействий между заряженными частицами. Оно действительно слабое, но все же имеет некоторые далекоидущие следствия. Из-за слабого взаимодействия нейтроны внутренне нестабильны. Нейтрон, движущийся в свободном пространстве, распадается всего через 18 минут. Это необычное поведение для частицы, считающейся фундаментальной или элементарной[37].

Конечно, прибегать к неизвестной силе природы, чтобы объяснить тип взаимодействия, – это было слишком. Но когда экспериментаторы стали внимательно просматривать «зоопарк» новых элементарных частиц, которые стали обнаруживаться среди обломков высокоэнергетических столкновений, появились свидетельства существования других видов частиц, восприимчивых к слабому взаимодействию.

В 1930-х ученому, который хотел изучать столкновения высокоэнергетических частиц, нужно было забраться на гору. Космические лучи – потоки частиц высоких энергий, приходящих из космоса, – непрерывно заливают верхние слои атмосферы. Некоторые частицы ультравысокой энергии, из которых состоят лучи, могут проникать в нижние слоя атмосферы до уровня горных вершин, где можно изучать их столкновения. Такие исследования зависят от случайного обнаружения частиц, и потому любые два события всегда имеют неодинаковые условия.

Американский физик Карл Андерсон открыл позитрон Дирака в 1932 году. Четыре года спустя он и его соотечественник Сет Неддермейер погрузили свой детектор элементарных частиц на грузовик и отправились на вершину Пайкс-Пик в Скалистых горах, примерно в 10 милях на запад от Колорадо-Спрингс[38]. В следах космических лучей физики обнаружили еще одну новую частицу. Эта частица вела себя, как электрон, но оказалось, что магнитное поле отклоняет ее гораздо меньше.

Частица отклонялась медленнее, чем электрон, и резче, чем протон на аналогичной скорости (в противоположном направлении). Физикам не осталось ничего иного, кроме как заключить, что это новый «тяжелый» электрон с массой примерно в 200 раз больше обычного электрона. Это не мог быть протон, так как масса протона примерно в 2 тысячи раз больше массы электрона[39].

Новую частицу сначала назвали мезотроном, а позднее сократили до мезона. Это было неприятное открытие. Тяжелый вариант электрона? Он не укладывался ни в одну теорию или представление о том, как должны быть организованы фундаментальные частицы природы.

В возмущении американский физик галицийского происхождения Исидор Раби хотел знать: «Кто это при казал?»[40] Уиллис Лэмб в своей Нобелевской лекции 1955 года отозвался в таком же раздраженном духе, сказав: «…Раньше тот, кто находил новую элементарную частицу, получал в награду Нобелевскую премию, но теперь такие открытия должны наказываться штрафом в 10 тысяч долларов»[41].

В 1947 году на вершине Миди-де-Бигор в Французских Пиренеях физик Бристольского университета Сесил Пауэлл со своей командой обнаружил в космических лучах еще одну новую частицу. Новая частица имела чуть большую массу, чем мезон, и была в 273 раза массивнее электрона. Она наблюдалась в положительно и отрицательно заряженных вариантах, а позднее и в нейтральных.

У физиков стали заканчиваться названия. Мезон переименовали в мю-мезон, впоследствии сокращенный до мюон[42]. Новую частицу назвали пи-мезон (пион). С усовершенствованием техники обнаружения частиц в космических лучах разверзлись хляби небесные. За пионом тут же последовали положительный и отрицательный K-мезон (каон) и нейтральная лямбда-частица. Новые названия посыпались как из рога изобилия. Отвечая на вопрос одного молодого физика, Ферми заметил: «Молодой человек, если бы я был в состоянии запомнить названия всех частиц, я пошел бы в ботаники»[43].

Каоны и лямбда-частицы вели себя довольно странно. Они встречались во множестве, что было признаком сильного взаимодействия. Они часто возникали парами, которые образовывали характерные V-образные следы. Затем они продолжали путь и распадались. Их распад занимал гораздо больше времени, чем возникновение, и это позволяло предположить, что, хотя частицы возникают благодаря сильному взаимодействию, их формами распада управляет гораздо более слабое взаимодействие, такое же, по сути дела, которое управляет радиоактивным бета-распадом.

Изоспин не мог объяснить странное поведение каонов и лямбд. Казалось, будто эти новые частицы обладают каким-то дополнительным, до тех пор неизвестным свойством.

Американский физик Марри Гелл-Манн терялся в догадках. Он понял, что может объяснить поведение новых частиц при помощи изоспина, если принять, что изоспины по какой-то причине «сдвигаются» на единицу. Это не имело никакого смысла с точки зрения физики, поэтому, чтобы объяснить сдвиг, он предложил новое свойство, которое впоследствии назвали странностью[44]. Позднее он обессмертил термин цитатой из Фрэнсиса Бэкона: «Не бы вает великой красоты без некоторой странности в пропорциях»[45].

Что бы это ни было, утверждал Гелл-Манн, странность, подобно изоспину, сохраняется в сильном взаимодействии. В сильном взаимодействии с участием обычных (то есть не странных) частиц возникновение странной частицы с странностью +1 должно сопровождаться еще одной странной частицей со странностью –1, так чтобы общая странность сохранялась. Вот почему частицы обычно встречались парами.

Сохранение странности также объясняло, почему странные частицы так долго распадались. Сразу после возникновения преобразование каждой странной частицы назад в обычную было невозможно через быстро действующее сильное взаимодействие, так как это потребовало бы изменения странности (с +1 или –1 до 0). Поэтому странные частицы не распадались довольно долго, так как на них действовало слабое взаимодействие, которое не соблюдает сохранение странности.

И никто не знал почему.

В своей эпохальной работе о бета-радиоактивности Ферми провел аналогию между слабым взаимодействием и электромагнетизмом. Он сделал примерный подсчет относительных сил, которые участвуют во взаимодействиях, использовав массу электрона в качестве критерия. В 1941 году Джулиан Швингер задумался, каковы были бы последствия, если бы Ферми допустил, что слабое взаимодействие переносит гораздо, гораздо более крупная частица. Швингер подсчитал, что если бы эта частица была в несколько сот раз массивнее протона, то слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие фактически могли быть одинаковыми. Это была первая подсказка, что слабое и электромагнитное взаимодействия удастся объединить в одно электрослабое.

Янг и Миллс обнаружили, что для того, чтобы учесть все способы взаимодействий нейтронов и протонов в ядре, им нужно три разных вида силовых частиц. В 1957 году Швингер пришел к выводу относительно слабых взаимодействий. Он опубликовал статью, в которой размышлял о том, что слабое взаимодействие переносят три частицы поля. Две из них W+ W^— (как они называются сейчас) нужны, чтобы объяснить передачу электрического заряда в слабых взаимодействиях. Третья, нейтральная, частица нужна, чтобы объяснить случаи, когда заряд не передавался. Швингер полагал, что этой третьей частицей был фотон.

Рис. 8

Механизм ядерного бета-распада теперь стало возможно объяснить как распад нейтрона (n) на протон (p), с испусканием виртуальной W^—-частицы. W^—-частица затем распадается на электрон (e^—) и антинейтрино (?^—е)

Согласно модели Швингера, бета-радиоактивность происходит следующим образом. Нейтрон распадается, испуская массивную W^—-частицу и превращаясь в фотон. Короткоживущая частица W^— в свою очередь распадается на высокоскоростной электрон (бета-частицу) и антинейтрино (см. рис. 8).

Швингер попросил одного из своих студентов в Гарварде поработать над этой проблемой.

Шелдон Глэшоу, сын еврейских иммигрантов из России, родился в США. В 1950 году он закончил научную школу в Бронксе вместе с одноклассником Стивеном Вайнбергом. Вместе с Вайнбергом он поступил в Корнеллский университет и получил степень бакалавра в 1954 году, а затем стал одним из аспирантов Швингера в Гарварде.

Тяжелые W-частицы, которые Швингер гипотетически предположил, должны были переносить электрический заряд. Как вскоре понял Глэшоу, этот простой факт означал, что на самом деле невозможно отделить теорию слабого взаимодействия от теории электромагнетизма. «Мы должны предположить, – писал он в приложении к докторской диссертации, – что удовлетворительная теория этих взаимодействий может быть создана, только если рассматривать их вместе»[46].

Глэшоу обратился к той же квантовой теории поля SU(2), разработанной Янгом и Миллсом, приняв на веру утверждение Швингера, что три частицы слабого взаимодействия – это две тяжелые W-частицы и фотон. Какое-то время он считал, что ему удалось разработать объединенную теорию слабого и электромагнитного взаимодействия. Больше того, он думал, что его теорию можно перенормировать.

Однако на самом деле он допустил ряд ошибок. Когда они обнаружились, он понял, что теория слишком много требует от фотона. Он решил увеличить симметрию, перемножив калибровочное поле Янга – Миллса SU(2) с калибровочным полем электромагнетизма U(1), что записывается в виде SU(2) ? U(1). Он получил не полностью объединенное электрослабое взаимодействие, а скорее их «смесь», но у нее то преимущество, что она освободила фотон от необходимости отвечать за слабое взаимодействие.

Теории все еще требовался нейтральный переносчик слабого взаимодействия. У Глэшоу было уже три массивных частицы слабого взаимодействия, эквивалентных триплету B-частиц, впервые введенных Янгом и Миллсом. Это были W+, W^— и Z^0[47].

В марте 1960 года Глэшоу читал лекции в Париже. Там он столкнулся с Гелл-Манном, который взял академический отпуск в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) и преподавал в Коллеж де Франс приглашенным профессором. Как-то за обедом Глэшоу описал ему свою теорию SU(2) ? U(1). Гелл-Манн предложил ему поддержку. «То, что вы делаете, – это хорошо, – сказал ему Гелл-Манн, – но в этом никто ничего не поймет»[48].

Понял кто-нибудь что-нибудь или нет, но физическое сообщество в основном не впечатлилось теорией Глэшоу. Как открыли Янг и Миллс, теория поля SU(2) ? U(1) предсказывала, что переносчики слабого взаимодействия должны быть безмассовыми, как фотон. Если массы вставлялись в уравнения «вручную», это всегда приводило к тому, что теория оставалась неренормируемой. Глэшоу, как раньше Янг и Миллс, не смог решить, каким образом частицы поля приобретают массу.

Но на этом затруднения не закончились. Взаимодействия элементарных частиц включают распад одной или более частиц или их реакцию друг с другом, в результате чего возникают новые частицы. Когда в этих взаимодействиях участвуют заряженные частицы-посредники, их реакции называются заряженными токами, так как заряд в них «течет» от начальной к конечной частице. Физики ждали, что нейтральный переносчик взаимодействия Z⁰ проявит себя экспериментально в виде взаимодействий, не влекущих изменения заряда, которые называются нейтральными токами. Никаких свидетельств каких-либо подобных токов не нашлось в распаде странных частиц, который к тому времени стал главным способом получения данных о слабых взаимодействиях для ученых, занимающихся физикой частиц.

Глэшоу махал руками. Он утверждал, что Z⁰ просто настолько массивнее заряженных W-частиц, что взаимодействия с участием Z⁰ недоступны для наблюдения в экспериментах. Экспериментаторы его не поддержали.

Марри Гелл-Манн родился в Нью-Йорке в 1929 году. Будучи вундеркиндом, поступил в Йельский университет в возрасте всего 15 лет и учился на бакалавра. Докторскую степень он получил в Массачусетском институте технологий (МИТ) в 1951 году, когда ему было всего двадцать один. Он недолго проработал в Институте перспективных исследований в Принстоне, а затем перебрался сначала в Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне, затем в Колумбийский университет в Нью-Йорке и потом в Чикагский университет, где работал с Ферми и размышлял над свойствами странных частиц.

В 1955 году он стал профессором в Калтехе, где вместе с Фейнманом работал над теорией слабого ядерного взаимодействия. Также он обратил внимание на проблему классификации множества элементарных частиц, открытых к тому времени. Среди них прослеживались небольшие группы – то есть некоторые частицы, например, явно принадлежали к одним и тем же видам, – но отдельные группы не складывались вместе и не давали связной картины.

В физике частиц на тот момент уже была введена таксономия, которая хоть как-то упорядочивала этот «зоопарк». Частицы разделялись на два главных класса: адроны (от греческого hadros, что значит «толстый» или «тяжелый») и лептоны (от греческого leptos, что значит «маленький»).

Класс адронов включает подкласс барионов (от греческого barys, что также означает «тяжелый»). Это более тяжелые частицы, которые испытывают сильное ядерное взаимодействие, к ним относится протон (p), нейтрон (n), лямбда (?⁰) и еще два ряда частиц, открытых в 1950-х и названных сигма– (?+, ?⁰и ?^—) и кси-частицами (?⁰, ?^—). Класс адронов также включает подкласс мезонов (от греческого mesos, что значит «средний»). Эти частицы испытывают сильное взаимодействие, но имеют промежуточную массу, например пионы (?+, ?⁰, ?^—) и каоны (K+, K⁰ и K^—).

Класс лептонов включает электрон (e^—), мюон (m^—) и нейтрино (?). Это легкие частицы, на которые не действует сильное ядерное взаимодействие. Барионы и лептоны являются фермионами, они названы в честь Энрико Ферми. У них полуцелые спины. Все перечисленные барионы и лептоны имеют спин ¹/₂ и потому могут иметь две спиновые ориентации, которые записываются в виде +¹/₂ (спин вверх) и —¹/₂ (спин вниз). Фермионы подчиняются принципу Паули.

Вне класса адронов и лептонов находится фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия. Фотон является бозоном, это название образовано от фамилии индийского физика Шатьендраната Бозе. У бозонов целый спин, они не подчиняются принципу Паули. Другие переносчики взаимодействий, например гипотетические частицы W+, W^— и Z⁰, как ожидалось, бозоны с целыми спинами. Бозоны с нулевыми спинами также возможны, но это не силовые частицы. Мезоны – пример бозонов с нулевым спином. Классификация частиц, известных около 1960 года, вкратце изображена на рис. 9.

Рис. 9

Классификация частиц, известных физикам около 1960 г. Это адроны (барионы и мезоны) и лептоны. Вне классификации фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия

Ясно, что во всей этой неразберихе должна быть какая-то система вроде периодической таблицы Менделеева, но для частиц. Вопрос заключался в том, что это за система и что лежит в ее основе.

Сначала Гелл-Манн пытался составить систему из фундаментального триплета частиц, в который входит протон, нейтрон и лямбда-частица, используя их в качестве материала для строительства всех остальных адронов. Но вышла страшная путаница. Ему так и не удалось разобраться, почему эти частицы должны считаться более «фундаментальными», чем другие. Гелл-Манн понял, что стал искать причину, объясняющую схему, прежде чем нашел саму схему. Это было все равно что пытаться установить составные части химических элементов, не разобравшись сначала, какое положение каждый элемент занимает в периодической таблице.

Гелл-Манн считал, что основой для системы могла бы стать глобальная группа симметрии, такой способ организации частиц, при которой раскрылась бы схема их взаимоотношений. На том этапе он лишь искал способ по-новому классифицировать частицы, а не пытался развить теорию Янга – Миллса, для которой требовалась локальная симметрия.

Гелл-Манн знал, что ему нужна более крупная непрерывная группа симметрии, чем U(1) и SU(2), чтобы уместить в ней диапазон и разнообразие известных на тот момент частиц, но он был не уверен, с чего начать. В то время он преподавал в парижском Коллеж де Франс в качестве приглашенного профессора. Наверное, неудивительно, что приличный объем хорошего французского вина, выпитого за обедом с его парижскими коллегами, не помог ему сразу же увидеть путь к решению.

Поэтому приезд Глэшоу в Париж в марте 1960 года подвиг его не просто выразить одобрение. Гелл-Манна заинтриговала его теория SU(2) ? U(1). Он начал понимать, каким образом можно расширить группу симметрии на более высокие размерности. Вдохновленный, он стал пробовать теории все с большими и большими размерностями. Он пробовал три, четыре, пять, шесть и семь измерений, пытаясь найти структуру, которая не соответствовала произведению SU(2) и U(1).

«И тогда я сказал: «Все, хватит!» У меня уже не осталось сил после всего выпитого вина пробовать еще и восемь измерений»[49].

Видимо, вино не способствовало и разговору. Коллеги, с которыми Гелл-Манн выпивал за обедом, были математиками и могли решить его проблему в два счета. Но он ее с ними так и не обсудил.

Глэшоу решил принять предложение Гелл-Манна и поработать с ним в Калтехе. Вскоре после его возвращения из Парижа два физика вместе стали искать решение. Но только после случайного разговора с математиком Калтеха Ричардом Блоком Гелл-Манн обнаружил, что группа Ли SU(3) как раз и предлагает ту схему, которую он искал. В Париже он бросил поиск в тот самый момент, когда чуть было не нашел ее сам.

Самое простое или так называемое неприводимое представление SU(3) – это фундаментальный триплет. Другие теоретики фактически пытались сконструировать модель на основе группы симметрии SU(3) и использовали протон, нейтрон и лямбда-частицу в фундаментальном представлении. Гелл-Манн уже пробовал это и не хотел возвращаться к пройденному. Он просто пропустил фундаментальное представление и обратил внимание на другое.

Одно из представлений SU(3) включает в себя восемь измерений. «Поворот» частицы в одном измерении преобразует ее в частицу в другом измерении, так же как «поворот» изоспина нейтрона в группе симметрии SU(2) превращает его в протон. Если бы Гелл-Манну каким-то образом удалось поместить частицу во всех измерениях, тогда, может быть, он смог бы подойти к пониманию их фундаментальных отношений. Это же не могло быть простым совпадением, что существует восемь барионов: протон, нейтрон, лямбда, три сигма– и две кси-частицы?

Эти частицы различались величинами электрического заряда, изоспина и странности. Если нанести странность на график в сравнении с зарядом или изоспином, появится шестиугольная схема с частицей в каждой вершине и двумя частицами в центре (см. рис. 10). Схема требовала включения протона, нейтрона и лямбды, и Гелл-Манн, вероятно, считал оправданным свое решение не относить их к фундаментальному представлению.

Рис. 10

Восьмеричный путь. Гелл-Манн обнаружил, что может вставить барионы, а именно нейтрон (n) и протон (p), и мезоны в два октетных представления группы глобальной симметрии SU(3). Но в представлении с мезонами было только семь частиц. Не хватало одной частицы, мезонного эквивалента ?⁰. Эту частицу обнаружил через несколько месяцев Луис Альварес и его команда из Университета Беркли. Ее назвали «эта», ?

Когда Гелл-Манн аналогичным образом рассмотрел мезоны, он обнаружил, что должен включить в схему анти-K⁰, но ему все равно не хватало одной частицы. Не хватало мезонного эквивалента лямбды. Ободренный, он подумал, что должен существовать восьмой мезон с нулевым зарядом и нулевой странностью.

Гелл-Манн обнаружил порядок в двух октетах частиц, основанных на восьмиразмерном представлении глобальной группы симметрии SU(3). Он назвал его восьмеричным путем, в шутку намекая на учение Будды о восьми ступенях к нирване[50]. Он закончил работать над восьмеричным путем в Рождество 1960 года и опубликовал препринт в Калтехе в начале 1961 года. Частицу, которую он предсказал и которая должна была дополнить мезонный октет, обнаружил несколько месяцев спустя американский физик Луис Альварес со своей командой из калифорнийского университета Беркли. Они назвали новую частицу «эта», ?.

Гелл-Манн работал в одиночку, но он был не единственным теоретиком, который искал порядок. Юваль Неэман последним вошел в пантеон теоретической физики. Если Гелл-Манн поступил в Йель в нежном возрасте 15 лет, то Неэман, родившийся в Тель-Авиве, поступил в Хагану, подпольную еврейскую организацию в Палестине во время британского мандата. Он командовал пехотным батальоном во время арабо-израильской войны 1948 года и возглавлял отдел планирования Армии обороны Израиля.

Он уже дослужился до полковника, когда решил попробовать получить докторскую степень по физике. Моше Даян, тогда глава Генштаба, согласился назначить его военным атташе в посольство Израиля в Лондоне. Даян посчитал, что Неэман может учиться в аспирантуре в свободное время.

Сначала Неэман собирался изучать теорию относительности в Кингс-колледже в Лондоне, но он быстро понял, что из-за пробок на дорогах не успевает вовремя добраться туда из посольства в Кенсингтоне к началу лекций и семинаров. Тогда он перешел в Имперский колледж и переключился на физику частиц. В Имперском колледже его направили к пакистанскому теоретику Абдусу Саламу.

Неэман работал по вечерам и выходным. Он начал искать группы симметрии, которые могли бы вместить в себя известные частицы, и нашел пять кандидатов, в том числе SU(3). Неэмана увлекли большие перспективы, которые предоставляла группа симметрии, изображаемая в виде звезды Давида, и в конце концов он остановился на SU(3). В июле 1961 года он опубликовал собственную версию восьмеричного пути.

Сначала Салам был настроен скептически, но, когда на его столе оказался черновик статьи Гелл-Манна, он сразу перестал сомневаться. Хотя у Гелл-Манна была небольшая фора, он уговорил Неэмана печататься (на самом деле статья Неэмана первой вышла в физическом журнале). Но он не испытывал разочарования. Напротив, он чувствовал приятное возбуждение, оказавшись в такой хорошей компании.

Неэман и Гелл-Манн посетили конференцию по физике элементарных частиц в июне 1962 года, которую проводила Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Женеве. Они оба внимательно выслушали доклады о новых, недавно открытых частицах, триплете частиц, которые позднее стали называться ?* (сигма), со странностью –1, и дублете частиц ?* (кси) со странностью –2.

Неэман сразу же увидел, что эти частицы относятся к другому представлению SU(3), состоящему из десяти измерений. Ему понадобился один миг, чтобы понять, что из десяти частиц представления девять уже найдены. Чтобы завершить схему, нужна была отрицательно заряженная частица со странностью –3.

Он поднял руку, прося слова, но Гелл-Манн сделал то же умозаключение и сидел ближе к переднему ряду. Поэтому именно Гелл-Манн встал и предсказал существование частицы, которую позднее назвали омегой. Она была открыта в январе 1964 года.

Схема в конце концов сложилась, но как насчет лежащего в ее основе объяснения?

Данный текст является ознакомительным фрагментом.