В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

На той же неделе Джон Мэддокс, главный редактор престижного британского научного журнала “Nature”, посвятил целую страницу этому конкурсу. В среде британских ученых Мэддокс слыл легендой, его любили все. Среди прочего, он был известен тем, что, удобно устроившись с бутылкой вина и пачкой сигарет, часто писал свои редакторские статьи в ночь перед выходом журнала в печать. По идее в его статье, посвященной конкурсу Уолдегрейва, должны были содержаться рекомендации, поясняющие, как выиграть этот конкурс. Правда, в этот раз его советы вряд ли могли помочь участникам сего своеобразного состязания. Действительно, последние два предложения статьи Мэддокса — причем самые понятные из всех — звучали так: “Реальная интрига в охоте на частицу Хиггса состоит в том, что эта частица может быть совсем не такой, какой мы ее себе представляем. Но об этом как раз лучше умолчать”¹³⁵.

Дэвид Миллер услышал о конкурсе Уолдегрейва у себя дома в Лондоне. Он тут же вспомнил, как однажды уезжал из ЦЕРНа и группа журналистов попросила его объяснить, что такое частица Хиггса. Ему пришло в голову, что придуманное им объяснение очень недурно, а может быть, даже достаточно хорошо, чтобы выиграть бутылку марочного шампанского. Миллер поделился этой мыслью с женой и рассказал ей про аналогию с красоткой и льнущей к ней плотной группой мужчин. Миссис Миллер пришла в ярость. “Это сексизм!” — воскликнула она. Ужасно! Он ни в коем случае не должен посылать эту гадость министру науки! У Миллера, к счастью, имелись и другие идеи.

Пять месяцев спустя Уолдегрейв наконец объявил результаты конкурса. В то время в британском правительстве уже хорошо понимали, что вряд ли смогут позволить себе платить ежегодные взносы в ЦЕРН (55 млн долларов в год плюс дополнительные расходы на участие в экспериментах, запланированных на новом ускорителе). С горечью Уолдегрейв признал, что заявки (а их было 117!) позволили ему оценить важность поисков частицы Хиггса. Он сказал физикам: “Если мы не сможем найти деньги — а их будет действительно трудно найти, — я готов признать, что это будет большой потерей для нашей науки”.

А между тем в соревновании определились пять лидеров, однако никто не сомневался, кто станет победителем — конечно же доктор Дэвид Миллер из Университетского колледжа в Лондоне. Его эссе начиналось примерно так: “Представьте себе коктейль-пати для членов парламента. Спустя некоторое время они разбредаются и равномерно распределяются по пространству комнаты, причем каждый из них ведет беседу с ближайшими соседями. Внезапно в дверях появляется женщина. Политики присматриваются и понимают, что это не кто иной, как бывший премьер-министр, сама Маргарет Тэтчер”. Продолжение истории Миллер оставил без изменения. Уолдегрейву история о Маргарет Тэтчер, членах парламента и бозоне Хиггса очень понравилась. Приз достался Миллеру, а его история быстро разнеслась по всему миру и стала одним из самых популярных способов описания поля и частиц Хиггса. И конечно же заслуги миссис Миллер в победе мужа неоценимы! Без ее мудрого руководства все сложилось бы совсем иначе!

Миллер создал яркий и выразительный образ частиц, за которыми физики так отчаянно охотились уже довольно долго, однако из всех текстов, поданных на этот своеобразный конкурс, Уолдегрейв не мог узнать, как изменилось понимание физиками роли поля Хиггса за несколько последних лет. Исследования показали, что оно отвечает только за часть массы. Выяснилось также, что существует другое поле, которое ведет себя примерно так же, как поле Хиггса, и которое сыграло решающую роль в инфляции Вселенной — ее невероятно быстром расширении в первые моменты существования. Для того чтобы понять смысл этих революционных открытий, Уолдегрейву нужно было бы посетить двух физиков, офисы которых располагаются рядом, всего в нескольких метрах друг от друга, но по другую сторону Атлантики.

Фрэнк Вильчек — один из самых блестящих физиков в мире. Сегодня он работает в Массачусетском технологическом институте. Вероятно, о происхождении массы Вильчек знает больше, чем кто-либо другой. У него польско-итальянские корни, но сам он родился и вырос в Квинсе, в районе Нью-Йорка, в 1971-м поступил в Принстонский университет, а затем закончил там же аспирантуру. Работа, которую он начал в Принстоне в достаточно юном возрасте — ему тогда было всего 21 год, — спустя более тридцати лет принесла ему Нобелевскую премию. Вместе с двумя другими физиками он получил эту престижнейшую награду за открытие некоего любопытного эффекта, касающегося кварков, из которых состоят протоны и нейтроны. Вильчек показал, что чем дальше кварки отодвинуть друг от друга, тем сильнее они притягиваются друг к другу; и наоборот, когда они очень близко друг к другу, то ведут себя почти как свободные частицы — словно они связаны эластичными нитями. Как правило, силы не действуют таким образом — они обычно уменьшаются с расстоянием. Полученные Вильчеком результаты легли в основу Стандартной модели — свода правил, регулирующих поведение элементарных частиц в природе.

Работы Вильчека имеют далеко идущие последствия, особенно в понимании того, откуда берется масса. Хотя поле Хиггса, как полагают, отвечает за образование массы кварков и электронов, массы этих отдельных субатомных блоков дают лишь мизерный вклад в массу атома — почти вся она определяется не суммой весов входящих в атом кварков и электронов, а энергией, запасенной в перемещающихся кварках, и в поле, которое связывает их друг с другом.

На первый взгляд работа Вильчека заставляла засомневаться, а действительно ли бозон Хиггса заслуживает того, чтобы считать его ответственным за происхождение массы. Ответ — да, несомненно заслуживает, но есть маленькая тонкость, которую часто упускают в популярных описаниях. Поле Хиггса ответственно за приобретение кварками, электронами и другими частицами начальных масс. И если бы у них не было этих масс, пусть и незначительных, они никогда бы не образовали атомов. Но те большие массы кварков, которые, как мы знаем, у них есть, появляются только тогда, когда они собираются вместе, образуя протоны и нейтроны.

Вильчек помог опровергнуть бытовавший в СМИ популярный миф о том, что частицы Хиггса непосредственно ответственны за массы всего существующего в нашем мире, разъяснив, что они вносят лишь крошечный, но принципиально важный начальный вклад в массу.

Если идти от офиса Вильчека по коридору физического факультета Массачусетского технологического института, можно попасть в расположенный на небольшом расстоянии от него офис Алана Гута. Если Вильчек исследовал процессы, происходящие в глубине атома, то Гут занимался изучением прошлого Вселенной, историей возникновения Космоса. Он обнаружил, что в самом начале что-то очень похожее на поле Хиггса привело к намного более важным событиям, чем придание частицам массы.

Гут — коренастый человек с мальчишеской копной волос и сильным нью-джерсийским акцентом. Он говорит о рождении Вселенной с такой страстью, c какой другие говорят о футбольных матчах. Гут знает все теории: как они появились, насколько хорошо описывают различные ситуации, а также кто является автором каждой из них. Когда он рассказывает обо всем этом, трудно не поразиться, как физики могут знать что-либо о состоянии, в котором Космос пребывал четырнадцать миллиардов лет назад. Однако Гут так детально описывает, какой Вселенная была через одну триллионную от одной триллионной от одной триллионной доли секунды после Большого взрыва, как если бы был свидетелем тех революционных процессов, видел все своими собственными глазами. “Такого рода идеи, — правда, признает он улыбаясь, — обычно всем кажутся безумными, и я тут не исключение”.

История открытия Гута началась в Корнеллском университете. В 1978 году ученые работали над так называемыми Теориями Великого Объединения (GUTs), которые должны были стать следующим большим прорывом в физике. GUTs ставили своей целью объединить все известные силы в природе, за исключением гравитационных. Это означало поиск единой теории, описывающей электромагнетизм, слабое взаимодействие, а также сильное взаимодействие внутри атомных ядер.