Розділ без назви (30)

…та по цілій землі пішов відголос їхній, і до краю вселенної їхні слова!

Псалми 18:5

Можна було б очікувати, що появу статті Вайнберґа фізики з усіх куточків світу зустрінуть вечірками з феєрверками. Проте впродовж трьох років після публікації теорії Вайнберґа жоден фізик, навіть сам Вайнберґ, не знайшов приводу послатися на цю статтю, яка нині є однією з найбільш цитованих праць в усій фізиці елементарних частинок. Якщо й було зроблене видатне відкриття властивостей природи, цього ніхто не помітив.

Зрештою, максвеллівське об’єднання зробило чудове передбачення, що світло є електромагнітною хвилею, швидкість якої можна обрахувати неемпірично, і — вуаля! — передбачена швидкість світла збіглася з виміряною експериментально. Ейнштейнове об’єднання простору й часу передбачило вповільнення годинників для рухомих спостерігачів, і — вуаля! — вони дійсно сповільнюються саме так, як було передбачено. 1967 року об’єднання слабкої й електромагнітної взаємодій Ґлешоу — Вайнберґа — Салама передбачило існування трьох нових векторних бозонів, майже в сотню разів важчих за будь-які зафіксовані на той момент частинки. Вона також передбачила нові взаємодії між електронами, нейтрино й матерією, зумовлені свіжопередбаченою Z-частинкою, яку мало того, що ніхто ще ніколи не бачив, так ще й із деяких експериментів випливало, що вона не існує. Вона також вимагала існування нового й ще не виявленого масивного фундаментального скалярного бозона, частинки Хіггса, тоді як жодних фундаментальних скалярних частинок досі в природі не траплялося. І, нарешті, ніхто не знав, чи має вона сенс як квантова теорія.

Тож хіба варто дивуватися, що ця ідея одразу ж не оволоділа масами? Утім, упродовж десятиліття все зміниться, і наслідком цього стане найпродуктивніший у теоретичному плані період в історії фізики елементарних частинок із часів відкриття квантової механіки. І хоча процес почався з калібрувальної теорії слабкої взаємодії, кінцевий результат виявився набагато величнішим.

• • •

Першу тріщину в греблі на шляху течії прогресу 1971 року пробила робота, що вельми символічно, голландського докторанта Герарда ‘т Гофта. Я завжди пам’ятаю, як пишеться його ім’я, оскільки мій надзвичайно блискучий та дотепний колишній колега з Гарварду, покійний Сідні Коулман, казав, що, якби Герард носив запонки з монограмою, на них мав би бути апостроф. До 1971 року багато хто з найвидатніших фізиків-теоретиків світу намагався з’ясувати, чи нескінченності, які є справж­нім бичем більшості квантових теорій поля, зникатимуть у теоріях спонтанно порушеної калібрувальної симетрії так само, як вони зникають у їхніх непорушених братах. Проте відповідь повсякчас їх уникала. Тим дивовижніше, що доказ, який не знайшли інші, виявив цей молодий докторант, котрий працював під керівництвом досвідченого професіонала Мартінуса Велтмана. Дуже часто, ознайомившись із новим результатом, ми, фізики, можемо проробити всі деталі та уявити, яким чином могли б відкрити це самі. Таке враження, що багато здогадів ‘т Гофта (а їх було багацько, і майже всі нові ідеї 1970-х років тим чи іншим чином походять із його теоретичних винаходів) черпалися ним із якогось прихованого резервуару інтуїції.

Іншою видатною рисою Герарда є його неабияка м’якість, сором’язливість та скромність. Від людини, яка стала знаменитістю у своїй галузі ще студентом, логічно було б очікувати якогось відчуття привілейованості. Проте з нашої найпершої зустрічі, коли я був іще скромним докторантом, Герард ставився до мене як до цікавого друга, і я радий, що можу сказати, що ці стосунки тривають і досі. Зустрічаючись із молодими студентами, які подеколи виглядають сором’язливими чи наляканими, я завжди намагаюся пригадати його манеру та наслідувати Герардову розкуту щедрість духу.

Його науковий керівник Мартінус Велтман, якого часто кличуть Тіні, відрізнявся від нього настільки, наскільки це взагалі можливо. Не те щоб Тіні не був приємним співрозмовником, це не так. Проте щоразу, як ми починали дискутувати, він завжди одразу ж чітко давав мені зрозуміти, що, що б я не казав, я розуміюся на цьому не зовсім добре. Я завжди із задоволенням приймав цей виклик.

Важливо зазначити, що ‘т Гофт ніколи б не зайнявся цією проблемою, якби нею не був одержимий Велтман, навіть попри те, що більшість інших здалися. Багато фахівців із цієї галузі вважали відверто наївною саму ідею можливості врешті-решт поширити методи, які розробили Фейнман та інші, для приборкання квантової електродинаміки, на спроби зрозуміти складніші теорії на кшталт теорії спонтанного порушення симетрії Янга — Міллза. Проте Велтман не полишив цей проект і, що було дуже мудро з його боку, узяв собі в помічники докторанта, який за сумісництвом був генієм.

На осягнення ідей ‘т Гофта й Велтмана й повсюдне взяття на озброєння розроблених першим із цих двох нових методів пішло чимало часу, проте вже десь за рік фізики дійшли згоди, що теорія, яку запропонував спочатку Вайнберґ, а пізніше Салам, має сенс. Кількість цитувань статті Вайнберґа раптом почала зростати експоненційно. Проте мати сенс і мати рацію — це різні речі. Чи дійсно природа послуговується цією авторства Ґлешоу, Вайнберґа й Салама конкретною теорією?

Це залишалося ключовим відкритим питанням, і досить тривалий час усе виглядало так, наче відповідь на нього — «ні».

Суттєвим доповненням, якого вимагала ця теорія на додачу до заряджених частинок, що її запропонував роком раніше Швінґер та інші, необхідних для перетворення нейтронів на протони, а електронів — на нейтрино, було існування нової нейтральної частинки Z. Це означало існування нового різновиду слабкої взаємодії не лише для електронів і нейтрино, а й для протонів із нейтронами, який переноситься за рахунок обміну новими нейтральними частинками. У цьому разі, як і в електромагнетизмі, ідентичність взаємодійних частинок не змінюється. Такі взаємодії стали відомі як взаємодії нейтральних струмів, і очевидним способом перевірити цю теорію було їх пошукати. Найкращим місцем для пошуку були взаємодії єдиних у природі частинок, які відчувають лише слабку взаємодію, тобто нейтрино.

Можливо, ви пригадуєте, що передбачення таких нейтральних струмів було однією з причин, чому не прижилася ідея Ґлешоу зразка 1961 року. Проте модель Ґлешоу не була повною теорією. Маси частинок були просто вручну підставлені в рівняння, через що не було можливості керувати квантовими корегуваннями. Проте коли Вайнберґ та Салам запропонували свою модель електрослабкого об’єднання, усі елементи, які уможливлювали детальні передбачення, уже були доступні. Так було передбачено масу Z-частинки і, як показав ‘т Гофт, можна було надійним чином обрахувати всі квантові корегування, точнісінько як у квантовій електродинаміці.

Це було одночасно добре й погано, оскільки не залишалося простору для пояснення будь-яких можливих розходжень зі спостереженнями. А 1967 року такі розбіжності начебто були. У високоенергетичних зіткненнях нейтрино з протонами не спостерігалося жодних нейтральних струмів, причому верхня межа була встановлена на рівні приблизно 10 % від частоти, спостережуваної у випадку більш знайомих зарядозмінюючих слабких взаємодій між нейтрино й протонами на кшталт нейтронного розпаду. Справи виглядали кепсько, і більшість фізиків вирішили, що слабких нейтральних струмів не існує.

Вайнберґ мав шкурний інтерес у цьому, і 1971 року він обґрунтовано доводив, що простір для маневру ще є. Проте переважна більшість інших членів спільноти його поглядів не поділяла.

На початку 1970-х років у Женеві, у Європейській організації з ядерних досліджень (ЦЕРН), було проведено нові експерименти з використанням тамтешнього протонного прискорювача, у якому високоенергетичні протони врізалися в довгу мішень. Більшість породжених у результаті зіткнення частинок поглиналися мішенню, проте нейтрино вилітали з її протилежного кінця, оскільки їхні взаємодії настільки слабкі, що вони здатні пройти крізь мішень непоглинутими. Далі одержаний високоенергетичний нейтринний пучок бив у розташований на його шляху детектор, здатний реєструвати кілька подій, у ході яких нейтрино могли взаємодіяти з матеріалом детектора.

Було збудовано новий велетенський детектор, названий «Ґарґамелла» на честь велетки, матері Ґарґантюа, персонажа творів французького письменника Рабле. Бульбашкова камера п’ять на два метри була наповнена перегрітою рідиною, у якій у результаті проходження крізь неї зарядженої частинки формувалися траси з бульбашок; це було схоже на спостереження інверсійного сліду літака, який летить настільки високо, що його самого не видно.

Що цікаво, коли 1968 року експериментатори, які збудували «Ґарґамеллу», зустрілися задля обговорення планів експериментів із нейтрино, ідея пошуку нейтральних струмів навіть не згадувалася — яскрава ознака того, як багато фізиків тоді вважали це питання закритим. Значно більше їх цікавила можливість піти стопами нещодавніх захопливих експериментів у Стенфордському центрі лінійного прискорювача (СЦЛП), де високоенергетичні електрони використовували як зонди для дослідження структури протонів. Використання зондів для протонів нейтрино могло дати чистіші результати вимірювань, адже нейтрино незаряджені.

Проте 1972 року, після публікації результатів ‘т Гофта та Велтмана, експериментатори почали серйозно ставитися до опису слабкої взаємодії за допомогою калібрувальної теорії, зокрема у варіанті Ґлешоу —Вайнберґа — Салама. Це означало пошук нейтральних струмів. У принципі в рамках колаборації «Ґарґамелла» це було можливо, хоча вона на це не була розрахована.