Розділ без назви (31)

Відпусти Мій народ…

Вихід 9:1

Довга дорога, що вела до електрослабкого об’єднання, стала втіленням вищого пілотажу інтелектуальної завзятості та майстерності. Проте це також утілення вищого пілотажу під час руху не вгору, а в об’їзд гори. Майже всі основні ідеї, що їх запропонували Янг, Міллз, Юкава, Хіггс та інші, які привели до цієї тео­рії, були розроблені в ході невдалих на вигляд спроб зрозуміти найпотужнішу силу в природі — сильну ядерну силу. Згадаймо, що ця сила та її провісники, сильно взаємодійні частинки, настільки замучили фізиків, що в 1960-х роках багато з них втратили всіляку надію коли-небудь пояснити її за допомогою методів квантової теорії поля, які наразі були настільки вдало застосовані для опису як електромагнетизму, так і слабкої взаємодії.

Був один успіх, пов’язаний передусім із версією Гелл-Манна та Цвейґа, що всі спостережувані сильно взаємодійні частинки, зокрема протон та нейтрон, можна представити складеними з більш фундаментальних об’єктів, які, як згадувалося вище, Гелл-Манн назвав кварками. Усі відомі сильно взаємодійні частинки, а також невиявлені на той час частинки, можна було класифікувати, виходячи з того, що вони складаються з кварків. Мало того, аргументи симетрії, які, зокрема, підказали Гелл-Манну ідею його моделі, слугували базисом для осмислення заплутаних натомість даних, пов’язаних із реакціями сильно взаємодійної матерії.

Утім, Гелл-Манн допускав, що його схема може бути лише математичною конструкцією, корисною для класифікації, і що кварки можуть не бути відображенням реальних частинок. Зрештою, ані в прискорювачах, ані в експериментах із космічними променями ніхто ніколи не спостерігав вільних кварків. Можливо, на нього справила вплив популярна ідея, що квантова теорія поля, а отже, і поняття власне елементарних частинок на ядерних масштабах ламалися. Навіть 1972 року Гелл-Манн проголошував: «Дозвольте на закінчення підкреслити наш основ­ний пункт, що може бути цілком можливо сконструювати явну теорію адронів на основі кварків і якогось різновиду клею… Оскільки сутності, які слугують нам відправною точкою, вигадані, нема ніякої потреби вступати в конфлікт із точкою зору… бутстрап[-моделі]».

Розглядаючи в цьому контексті спроби описати сильну взаємодію за допомогою калібрувальної квантової теорії поля Янга — Міллза з реальними калібрувальними частинками як переносниками цієї сили виглядають недоречними. Окрім того, це здавалося неможливим. Усе виглядало так, що сильна сила діє винятково на ядерних масштабах, тож, якщо описувати її калібрувальною теорією, фотоноподібні частинки-переносники цієї сили мають бути важкими. Проте не було жодних свідчень роботи механізму Хіггса з масивними сильно взаємодійними БХ-подібними частинками, які можна було б легко зафіксувати в ході експериментів. На додачу до всього цього ця сила була банально настільки сильною, що, навіть якби її вдалося описати за допомогою калібрувальної теорії, усі методи квантової теорії поля, розроблені для виведення передбачень, які настільки гарно себе показали в роботі з іншими силами, у разі застосування до сильної взаємодії зламалися б. Ось чому в процитованому вислові Гелл-Манна згадується «бутстрап» — дзеноподібна ідея, що жодні частинки не є істинно фундаментальними. Якщо ваша ласка, тут може бути звук відсутніх аплодисментів.

Щоразу, як теорія заходить у подібний глухий кут, дуже корисно мати провідником експеримент, і саме це сталося 1968 року. Низка визначальних експериментів, що їх провели Генрі Кендалл, Джеррі Фрідман та Річард Тейлор із використанням новозбудованого Стенфордського лінійного прискорювача для розсіювання високоенергетичних електронів на протонах та нейтронах, виявили дещо надзвичайне. Судячи з усього, протони та нейтрони дійсно мали якусь субструктуру, проте дуже дивну. Зіткнення мали абсолютно неочікувані властивості. Чи був цей сигнал зумовлений кварками?

На допомогу швидко прийшли теоретики. Джеймс Бьйоркен продемонстрував, що феномен під назвою «скейлінг», який зафіксували експериментатори, можна пояснити, якщо протони й нейтрони складаються з практично невзаємодійних точкоподібних частинок. Далі Фейнман проінтерпретував ці об’єкти як реальні частинки, які він назвав партонами, та висловив припущення, що вони є ідентичними кваркам Гелл-Манна.

Проте така картина мала велику проблему. Якщо всі сильно взаємодійні частинки складаються з кварків, тоді й самі кварки мають бути сильно взаємодійними. Чого ж усе виглядає так, що всередині протонів і нейтронів вони майже вільні й не взаємодіють сильно один з одним?

Мало того, 1965 року Намбу, Хан Му-Янг та Оскар Ґрінберґ переконливо показали, що, якщо сильно взаємодійні частинки складаються з кварків і є ферміонами, як електрони, тоді Гелл-Маннова класифікація відомих частинок як різноманітних комбінацій кварків буде послідовною лише в тому випадку, якщо кварки мають якийсь новий різновид внутрішнього заряду — новий янг-міллзівський калібрувальний заряд. З цього випливало, що вони сильно взаємодіють за допомогою нового набору калібрувальних бозонів, які тоді дістали назву «глюони». Але де були глюони, а де кварки й чому не було жодних свідчень сильної взаємодії кварків усередині протонів і нейтронів, якщо вони дійсно ідентичні партонам Фейнмана?

З кварками була пов’язана ще одна проблема: протони й нейтрони беруть участь у слабких взаємодіях, і якщо ці частинки складаються з кварків, тоді кварки повинні брати участь не лише в сильних, а й у слабких взаємодіях. Гелл-Манн ви­окремлював три різні типи кварків, які охоплювали всі відомі на той час сильно взаємодійні частинки. Мезони могли складатися з пар «кварк — антикварк». Протони й нейтрони могли складатися з трьох частково заряджених кварків, які Гелл-Манн назвав верхнім (u-, від англійського «up», тобто «верх») та нижнім (d-, від англійського «down», тобто «низ») кварками. Протони складалися з двох верхніх і одного нижнього кварка, а нейтрони — з двох нижніх і одного верхнього. На додачу до цих двох типів кварків, для створення нових екзотичних елементарних частинок був потрібен іще один тип кварків, важча версія нижнього кварка. Гелл-Манн назвав цей кварк дивним (s-, від англійського «strange», тобто «дивний»), а частинки, які містять s-кварки, були названі такими, яким властива «дивність».

Коли нейтральні струми були вперше запропоновані як частини слабкої взаємодії, виникла проблема. Якщо кварки взає­модіють із Z-частинками, тоді u-, d-, та s-кварки до та після нейтральнострумової взаємодії можуть залишитися u-, d-, та s-кварками, так само як електрони до та після цієї взаємодії лишаються електронами. Проте оскільки d- та s-кварки мають строго однакові електричні та ізотопічноспінові заряди, ніщо не завадило б s-кварку за результатами взаємодії з Z-частинкою перетворитися на d-кварк. Це дало б змогу частинкам, які містять s-кварки, розпадатися на частинки, які містять d-кварки. Проте жодного такого «розпаду зі зміною дивності» не було зафіксовано навіть в експериментах із дуже високою чутливістю. Щось тут було не так.

Відсутність «нейтральних струмів, що змінюють дивність» блискуче пояснив у 1970 році (принаймні на принциповому рівні) Шелдон Ґлешоу спільно з Джоном Іліопулосом та Лучано Майяні. Вони серйозно поставилися до кваркової моделі та висловили припущення, що, якщо існує четвертий кварк, який вони охрестили чарівним (c- від англійського «charm», тобто «чарівність») і який має такий самий заряд, що й u-кварк, тоді в обчисленій частоті перетворення s-кварка на d-кварк відбудеться дивовижне математичне взаємоскорочення, і нейтральні струми, що змінюють дивність, зникнуть, що відповідатиме даним експериментів.

Мало того, з цієї схеми стала випливати гарна симетрія між кварками й частинками на кшталт електронів і мюонів, які всі могли існувати у вигляді пар, зв’язаних за допомогою слабкої сили. Електрон парувався б із власним нейтрино, так само як і мюон. Також пари утворювали б верхній кварк із нижнім та чарівний кварк із дивним. W-частинки, взаємодіючи з однією з частинок у кожній парі, перетворювали б її на іншу частинку з цієї пари.

Утім, жодне з цих тверджень не вирішувало головних проблем сильної взаємодії між кварками. Чому ніхто ніколи не спостерігав жодного кварка? І, якщо сильна взаємодія описується калібрувальною теорією з глюонами в ролі калібрувальних частинок, як так сталося, що ніхто ніколи не спостерігав жодного глюона? І якщо глюони безмасові, як сильна сила може бути близькодійною?

Для декого ці проблеми залишалися свідченням того, що квантова теорія поля була хибним підходом до розуміння сильної сили. Фрімен Дайсон, який зіграв настільки важливу роль у розробці першої успішної квантової теорії поля, а саме квантової електродинаміки, стверджував, описуючи сильну взаємодію: «Правильна теорія буде знайдена не раніше, ніж за сто років».

Одним із тих, хто був переконаний у приреченості квантової теорії поля, був блискучий молодий фізик-теоретик Девід Ґросс. Учень Джефрі Чю, винахідника бутстрап-моделі ядерної демократії, у якій елементарні частинки були лише ілюзією, що маскує структуру, у якій реальні лише симетрії, а не частинки, Ґросс був усерйоз налаштований на остаточне знищення квантової теорії поля.

Згадаймо, що навіть 1965 року, коли Річард Фейнман одержав Нобелівську премію, побутувало відчуття, що розроблена ним та іншими процедура позбуття нескінченностей у квантовій теорії поля була фокусом; що на малих масштабах із картиною, запропонованою квантовою теорією поля, щось було фундаментально не так.

У 1950-х роках російський фізик Лев Ландау показав, що електричний заряд електрона залежить від масштабу, на якому він вимірюється. З нікуди вигулькують віртуальні частинки, тож електрони та всі інші елементарні частинки перебувають в оточенні хмари пар віртуальних частинок й античастинок. Ці пари екранують заряд аналогічно до екранування заряду в діелектриках. Позитивно заряджені віртуальні частинки схильні щільно оточувати негативний заряд, тож на відстані фізичні впливи початкового негативного заряду зменшуються.

Згідно з Ландау, це означало, що чим ближче ви підбираєтеся до електрона, тим більшим виглядатиме його дійсний заряд. Якщо заряд електрона дорівнює певному конкретному значенню при вимірюванні з великих відстаней, як ми це й робимо, це означає, що «чистий» заряд електрона, себто заряд на елементарній частинці, узятій без усього цього нескінченного вбрання з пар «частинка — античастинка», які оточують його на будь-яких маленьких масштабах, має бути нескінченним. У цій картині явно завелася гнилизна.