Собираем пазл

Окончательно все вместе кусочки мозаики сложились в 1967 году. Стивен Вайнберг был одноклассником Шелдона Глэшоу – они учились вместе в Бронксе, в школе Бронкс-Сайенс, но они никогда не работали вместе в той области теоретической физики, которая впоследствие привела их обоих к Нобелевской премии (совместно с Саламом) в 1977 году. Сегодня Вайнберг имеет статус уважаемого старейшины в физике, он этакий политик от науки, а также автор ряда нашумевших книг и множества эссе, публиковавшихся в The New York Review of Books и других изданиях. (В свое время Вайнберг был главным лоббистом Сверхпроводящего суперколлайдера и добивался бы его строительства, даже если бы ускоритель решили строить не в Техасе, куда Вайнберг переехал в 1982 году.)

А в 1967 году Вайнберг был еще совсем молодым профессором Массачусетского технологического института, каждый день приезжавшим в кампус на своем красном «камаро». В то время Вайнберг глубоко погрузился в проблему спонтанного нарушения симметрии, но пытался применить его в основном для того, чтобы разобраться в сильных взаимодействиях. Вдохновленный недавней работой Тома Киббла, Вайнберг играл с набором симметрий, и в результате незаметно для него самого его модель стала сильно напоминать более ранние модели Глэшоу и Салама с Уордом. Проблема была в том, что в его модели тоже возникал безмассовый нейтральный калибровочный бозон, которого, по-видимому, не было в сильных взаимодействиях.

В сентябре того же года Вайнберг вдруг понял, что он решал неправильно сформулированную задачу. Его модель, не очень адекватно описывающая сильные взаимодействия, отлично описывала слабые и электромагнитные взаимодействия. Раздражающий всех безмассовый бозон был на самом деле не ошибкой, а присущим этим взаимодействиям элементом – фотоном. В короткой статье под названием «Теория лептонов» Вайнберг объединил все эти идеи и изложил теорию, в которой каждый современный аспирант, специализирующийся в области физики элементарных частиц, немедленно распознает единую электрослабую модель – компонент Стандартной модели. В статье Вайнберг ссылался на статью Глэшоу, но не на работу Салама и Уорда, о которой ему все еще не было известно. Используя идеи Киббла, Вайнберг смог прямо предсказать массы W– и Z-бозонов, чего ни Глэшоу, ни Салам с Уордом сделать не могли, так как они вставляли их массы вручную. Вайнберг в своей теории объяснил механизм, посредством которого все фермионы, а также калибровочные бозоны приобретают массы. Он даже отметил, что модель поддается перенормировке, хотя в то время не мог предложить никаких убедительных аргументов в пользу этого. Самосогласованная теория электрослабого объединения была, наконец, построена.

Почти тогда же Киббл и Салам поняли, что оба интересуются нарушением симметрии, и Киббл объяснил свою теорию Саламу. Салам подумал, что может переработать единую модель, которую они разработали с Уордом, включив в нее скалярные бозоны, нарушающие симметрию, и даже прочитал лекцию на эту тему в Имперском колледже для небольшой аудитории. По неизвестным причинам Салам не изложил эти идеи сразу в виде статьи. Вообще-то он был чрезвычайно плодовитым ученым, но в те дни его внимание было направлено в основном на гравитацию, а не на субатомные силы. И как следствие, его идея о том, что в модель Салама-Уорда нужно добавить механизм Хиггса, в напечатанном виде появилась только через год в трудах конференции (где он также процитировал статью Вайнберга).

Статьи Вайнберга и Салама по отдельности имели примерно такое же влияние, как четырехметровый блин, плашмя упавший с высоты пяти сантиметров (как образно выразился Курт Воннегут по другому поводу[11]). В академических кругах, и, в частности, в естественных науках наиболее объективным количественным показателем важности данной работы является индекс цитируемости, то есть число ссылок других авторов на данную статью. В период с 1967 по 1971 год на статью Вайнберга сослались лишь несколько раз (что касается двух других авторов, то ни один из них в последующие годы по-настоящему не занимался этой темой). Однако уже начиная с 1971 года в течение четырех последующих десятилетий статью Вайнберга процитировали более 7500 раз – в среднем чаще, чем раз в два дня!

Так что произошло в 1971 году? Был получен некий потрясающий экспериментальный результат? Нет, зато был потрясающий теоретический результат: молодой аспирант из Голландии – Герард Хоофт, научным руководителем которого был Мартинус («Тини») Вельтман, доказал, что теории со спонтанно нарушенной калибровочной симметрией перенормируемы, несмотря на то, что калибровочные бозоны массивны. Другими словами, Хоофт показал, что теория электрослабого взаимодействия математически непротиворечива. Это было то, что и предполагал Вайнберг и Салам, хотя многие специалисты в этой области до 1971 года оставались скептически настроенными. По словам Сидни Колмана, Хоофт «расколдовал лягушку Вайнберга и Салама и превратил ее в принца». Герард Хоофт с тех пор стал считаться одним из самых креативных и блестящих умов в физике. Он и Вельтман вместе получили Нобелевскую премию в 1999 году за работы по электрослабой теории и спонтанному нарушению симметрии.

Но и замечательные экспериментальные результаты не заставили себя долго ждать. Главным следствием модели Глэшоу-Салама-Уорда-Вайнберга было существование тяжелых нейтральных Z-бозонов. Роль W-бозонов была хорошо известна – при рождении они изменяют идентичность фермиона (например, при распаде нейтрона нижний кварк превращается в верхний). Если существовал Z-бозон, это означало бы, что есть такие слабые взаимодействия, в которых частицы сохраняют свою идентичность, например нейтрино может рассеиваются на атомных ядрах. Именно такие события увидели на детекторе «Гаргамель» в ЦЕРНе в 1973 году, что и обеспечило присуждение Нобелевской премии Глэшоу, Саламу и Вайнбергу в 1979 году. (Уорд остался за бортом, поскольку, как уже говорилось, премию могут получить не больше трех человек.) Но это были лишь косвенные признаки воздействия W– и Z-бозонов, а сами они будут обнаружены еще через нескольких лет, когда их найдет Карло Руббиа.

А пока все было подготовлено к открытию бозона Хиггса.