Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс

Почему же тогда частица Хиггса вообще существует? И почему обладает именно такой массой, какой обладает? (Отметим, в который уже раз: когда ученые спрашивают «почему», они на самом деле имеют в виду «каким образом».) Если бы бозона Хиггса не существовало, мира, который мы видим вокруг, не существовало бы тоже, но это, конечно, не объяснение. Или все же объяснение? В конечном итоге понять физику, стоящую за бозоном Хиггса, означает понять, как мы с вами возникли. Вопросу «почему мы существуем?» на фундаментальном уровне вполне соответствует вопрос «почему существует бозон Хиггса?». А Стандартная модель не дает него ответа.

Однако кое-какие намеки все же имеются и исходят из сочетания теории и эксперимента. Вскоре после того, как в 1974 г. была надежно определена фундаментальная структура Стандартной модели, и задолго до того, как ее детали были экспериментально подтверждены на протяжении следующего десятилетия, две группы физиков в Гарварде, где тогда работали и Глэшоу, и Вайнберг, заметили кое-что интересное. Глэшоу, совместно с Говардом Джорджи, занимался тем, что у него получалось лучше всего: отыскивал закономерности среди существующих частиц и сил и искал новые возможности при помощи математической теории групп.

Напомню, что в Стандартной модели слабое и электромагнитное взаимодействия объединены при высоких энергиях, но, когда эта симметрия спонтанно нарушается конденсатом хиггсовского поля, то есть при наблюдаемых энергиях, остаются две отдельные и различные силы, причем слабое взаимодействие становится близкодействующим, а электромагнетизм остается дальнодействующим. Джорджи и Глэшоу попытались расширить эту идею на сильное взаимодействие и обнаружили, что все известные частицы и все три негравитационных взаимодействия в принципе естественным образом укладываются в единую фундаментальную структуру более крупной калибровочной симметрии. Они тогда рассуждали о том, что эта фундаментальная симметрия могла бы спонтанно нарушаться на каких-то сверхвысоких энергиях и малых расстояниях, выходящих далеко за рамки текущих экспериментов, оставляя после себя две отдельные и различные ненарушенные калибровочные симметрии, порождающие сильное и электрослабое взаимодействия. Затем, на более низких энергиях и бóльших расстояниях, нарушалась бы электрослабая симметрия, разделяя единое прежде взаимодействие на два – близкодействующее слабое и дальнодействующее электромагнитное.

Они скромно назвали свою теорию теорией Великого объединения (ТВО).

Примерно в то же время Вайнберг вместе с Джорджи и Хелен Куинн, в продолжение работ Вильчека, Гросса и Политцера, обратили внимание на нечто интересное. Если сильное взаимодействие ослабевало на малых расстояниях, то электромагнитное и слабое взаимодействия, напротив, становились сильнее.

Не нужно было быть гением, чтобы заинтересоваться тем, не сравняются ли по силе все эти три взаимодействия на каком-то достаточно малом масштабе. Проведя расчеты, они обнаружили (с той точностью, с какой в то время измерялись эти взаимодействия), что такое объединение возможно, но только на масштабах расстояний, примерно на пятнадцать порядков меньше размеров протона.

Это было хорошей новостью при условии, что в качестве объединенной теории будет выступать теория, предложенная Джорджи и Глэшоу, поскольку если все частицы, которые мы наблюдаем в природе, будут объединены в эту новую большую калибровочную группу, то должны существовать новые калибровочные бозоны, обеспечивающие переходы между кварками (из которых состоят протоны и нейтроны), электронами и нейтрино. Это означало бы, что протоны могут распадаться на другие, более легкие частицы. Как сказал Глэшоу, «бриллианты не навсегда».

Тогда уже было известно, что протоны характеризуются невероятно долгим временем жизни. Не только потому, что мы всё еще существуем спустя почти 14 миллиардов лет после Большого взрыва, но и потому, что все мы не умираем от рака еще в детстве. Если бы протоны распадались со средним временем жизни меньшим, чем, скажем, миллиард миллиардов лет, то за период детства в нашем теле распадалось бы достаточно протонов, чтобы нас убило излучение от их распадов. Не забывайте, что в квантовой механике все процессы носят вероятностный характер. Если средний протон живет миллиард миллиардов лет, то там, где имеется миллиард миллиардов протонов, будет распадаться в среднем по одному протону в год. А в наших телах протонов гораздо больше, чем миллиард миллиардов.

Однако при тех невероятно малых расстояниях и, следовательно, невероятно больших энергиях, которые предположительно соответствуют спонтанному нарушению симметрии в Великом объединении, новые калибровочные бозоны должны обладать большой массой. Это сделало бы переносимые ими взаимодействия настолько близкодействующими, что на масштабах протонов и нейтронов они были бы уже невероятно слабыми. В результате протоны в этом сценарии, хотя и могут в принципе распадаться, живут, возможно, миллион миллиардов миллиардов миллиардов лет. Никаких проблем.

* * *

С учетом результатов Глэшоу и Джорджи, а также Джорджи, Куинн и Вайнберга аромат Великого объединения буквально носился в воздухе. После успеха теории электрослабого взаимодействия физики были настроены решительно и готовы к дальнейшему объединению теорий.

Однако как можно было бы убедиться в том, что эти красивые идеи верны? Невозможно построить ускоритель для работы с энергиями, в миллион миллиардов раз превышающими энергию массы покоя протона. Такая установка была бы окружностью с лунную орбиту. Даже если бы это было возможно, то, учитывая недавние скандалы вокруг SSC, ни одно правительство не согласилось бы финансировать такой проект.

К счастью, был и другой способ, опиравшийся на вероятностные аргументы вроде того, который я только что привел для оценки нижнего предела времени жизни протона. Допустим, новая теория Великого объединения предскажет время жизни протона, равное, скажем, тысяче миллиардов миллиардов миллиардов лет, тогда можно поместить тысячу миллиардов миллиардов миллиардов протонов в один детектор и в среднем каждый год один из них будет распадаться.

Где можно найти столько протонов? Очень просто: примерно в трех тысячах тонн воды.

Так что требовалось всего лишь взять резервуар, скажем с тремя тысячами тонн воды, поместить его в темноту, обеспечив полное отсутствие радиоактивного фона, окружить чувствительными фотоумножителями, способными регистрировать световые вспышки в детекторе, и подождать год, чтобы увидеть вспышку света при распаде протона. Какой бы пугающей ни казалась эта задача, по крайней мере два крупных эксперимента были одобрены и осуществлены именно для этого: один глубоко под землей возле озера Эри в соляной шахте, другой тоже в шахте вблизи японского города Камиока. Шахты были необходимы, чтобы экранировать воду от приходящих космических лучей; в противном случае эти лучи дали бы фон, на котором потерялись бы любые сигналы от протонных распадов.

Оба эксперимента были запущены около 1982–1983 гг. Великое объединение казалось столь убедительным, что физическое сообщество уверенно ожидало вскоре получить сигнал; Великое объединение достойно увенчало бы собой десятилетие поразительных перемен и открытий в физике элементарных частиц, не говоря уже о Нобелевке для Глэшоу и, возможно, еще для кого-нибудь.