Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Настороженность и энергия, которые требовались, чтобы справляться с потоком маленьких кризисов, все еще были со мной, после того как сами кризисы прошли. В поиске выхода я решил, как часто делаю, выйти погулять. Ночь была кристально ясной; небо сияло; горизонт был резким и далеким; и даже земля, залитая лунным светом, казалась нереальной. С образами земных ангелов, которые остались во мне, и неземным зрелищем, окружавшим меня, я почувствовал невероятный восторг. Это было время для важных размышлений.

В течение нескольких предшествовавших лет теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, основанные на локальной симметрии, прошли путь от смелой авантюры до общепринятого мнения. Когда я подумал об этой ситуации, мне пришло в голову, что, в то время как различные кварки, лептоны, глюоны и виконы – не говоря уже о фотонах – были в центре внимания и в фокусе хорошо продуманных экспериментальных программ, нарушение симметрии оставалось относительно неизведанным. Не было даже заслуживающего внимания предложения проверить самую простую, «минимальную» модель с одной-единственной частицей Хиггса, как описано выше.

Основная проблема проста: частице Хиггса в этой модели «нравится» связываться с тяжелыми частицами, но частицы стабильного вещества, которые мы можем изучать непосредственно или поместить их в наши ускорители, очень легки. Цветные глюоны имеют нулевую массу, так же как фотоны, в то время как u- и d-кварк и электроны имеют незначительную массу.

Но недавно (вы помните, у нас на календаре 1976-й!) возник большой интерес к более тяжелым кваркам. Очарованный кварк c был еще недавним открытием, и были вполне достаточные основания подозревать, что существует два дополнительных, еще более тяжелых вида кварков. (И они правда существуют. Красивый кварк b был обнаружен довольно скоро, в 1977 г., в то время как топ-кварк t не был найден до 1995 г. Им уже были даны имена, и их свойства – с единственным исключением в виде их масс – были вычислены даже до того, как их открыли экспериментально.) Поэтому было естественным подумать, могут ли новые, более тяжелые кварки распахнуть двери, через которые мы могли бы добраться до частицы Хиггса. Я сразу же понял, что это возможно. Можно использовать те же самые приемы, которые привели к успеху с очарованными кварками, чтобы произвести мезоны, основанные на b̅b или t̅t. Эти более тяжелые кварки будут энергично связываться с частицами Хиггса. Если карты лягут удачно – по существу, если эти тяжелые кварки обладают большей массой, чем половина массы частицы Хиггса, – то частицы Хиггса смогут рождаться в распадах таких мезонов. Это было моим первым важным осознанием той ночи.

Теперь было важно рассмотреть конкурирующие распады, без частиц Хиггса, поскольку они могли бы доминировать и сделать интересующую меня возможность чисто умозрительной. Одной из самых важных возможностей, которые нужно было рассмотреть, был распад на цветные глюоны. Я не мог сделать точного расчета в уме, но, исходя из грубых оценок, казалось, что все в порядке. (Так оно и есть в действительности.) Но это навело меня на еще более важную мысль: если тяжелые кварки могут связываться с частицами Хиггса и с глюонами, то они дают возможность связать глюоны с частицами Хиггса! И в этот момент в моем мозгу родился основной процесс, который вы видите в нижней части илл. 36. Опять же, точное вычисление было бы трудной задачей, но я сделал некоторые приблизительные оценки в уме и счел результаты обнадеживающими. В частности, я понял, что, даже если недостающие кварки окажутся очень тяжелыми, они все равно будут давать свой вклад – и что если бы существовали еще более тяжелые кварки, то они тоже участвовали бы в процессе. Мне сразу же стало ясно, что это был основной способ, которым частицы Хиггса могут связываться со стабильным веществом. Здесь открывалось многообещающее окно в неизведанное. Это было вторым моим важным осознанием той ночи.

В тот момент я дошел до лаборатории и решил повернуть обратно. Мне повезло в размышлениях о минимальной модели Хиггса, поэтому хотел подумать, как новые идеи можно применить к более сложным ее версиям. Изменения легко развивать дальше в любом конкретном случае, поэтому я начал думать, какие усложнения было бы интереснее всего рассмотреть. Особенно любопытная идея заключалась в существовании некоторой дополнительной симметрии, которая бы спонтанно нарушалась. Это могло привести к возникновению новых безмассовых частиц – захватывающая возможность! Это было моим третьим важным осознанием той ночи.

В Принстоне, где я до этого преподавал в течение года, нечто, названное инстантонами – которые я даже не буду пытаться объяснить здесь, – вызвало сильнейшее возбуждение. Инстантоны нарушают симметрию особенно интересными способами, и я подумал, что будет забавно привлечь и их, чтобы у меня было что-то такое, о чем можно рассказать коллегам и о чем им было бы интересно послушать. Я смутно чувствовал, что частица, которая в противном случае была бы безмассовой, согласно моему третьему осознанию, вместо этого получит небольшую массу и будет иметь другие интересные свойства. Это было моим четвертым важным осознанием той ночи, и оно привело меня домой.

Судьба этих четырех озарений различна. Первому просто не повезло. Красивый b-кварк оказался недостаточно тяжелым по сравнению с частицей Хиггса, а t-кварк настолько тяжел и нестабилен, что его мезоны бесполезны.

Второе – это одно из моих достижений, которыми я больше всего горжусь. Более чем через 30 лет оно имело решающее значение для открытия частицы Хиггса, как описано на илл. 36 и в тексте рядом с ним.

Третье еще не принесло плоды, но остается интересным. В конечном счете я назвал эти безмассовые частицы «фамилонами», и их продолжают искать.

Четвертое оказалось самым интересным и, возможно, самым важным. Когда я возвратился в лабораторию на следующий день и посмотрел литературу на эту тему, то обнаружил очень интересную статью Роберто Печчеи и Хелен Квинн. Они рассматривали модель, похожую на ту, над которой размышлял я, и обратили внимание на то, что она могла решить очень важную проблему, так называемую проблему θ. Ее суть в том, что существует число θ, которое, согласно Главной теории, может иметь любое значение в интервале между -π и π, однако наблюдения показывают, что оно очень-очень мало. Это или совпадение, или признак того, что Главная теория является неполной. В модели Печчеи – Квинн это «совпадение» объяснялось как след новой (спонтанно нарушенной) симметрии. Однако Печчеи и Квинн не заметили, что в их модели была новая легкая частица! Поэтому мне выпала честь дать ей имя. За несколько лет до этого я заметил одно моющее средство Axion, название которого походило на имя частицы. Я решил, что, если у меня будет шанс, я назову так частицу. Среди прочего проблема θ содержала аксиальный ток. Это дало мне лазейку, с помощью которой можно было незаметно протащить это название мимо бдительных консервативных редакторов журнала Physical Review Letters, что я и сделал. (Стивен Вайнберг тоже заметил эту новую частицу независимо от меня. Он собирался назвать ее «хигглетом». Мы договорились, слава Богу, использовать название «аксион».)