Розділ без назви (31)

Тут я використовував як позначення «глюони» та «кварки», проте відкриття асимптотичної свободи не вказує суто на якусь конкретну янг-міллзівську теорію. Проте Ґросс та Вільчек збагнули, що природним кандидатом була янг-міллзівська теорія, яку Ґрінберґ та інші позиціонували як необхідну для того, щоб кваркова гіпотеза Гелл-Манна могла пояснити спостережувану природу елементарних частинок. У цій теорії кожен кварк переносить один із трьох різних типів зарядів, що позначаються за браку кращих варіантів кольорами, скажімо, червоним, зеленим чи синім. З огляду на цю номенклатуру Гелл-Манн придумав для своєї янг-міллзівської теорії спеціальну назву — «квантова хромодинаміка (КХД)», себто квантова теорія кольорових зарядів, за аналогією з квантовою електродинамікою, себто квантовою теорією електричних зарядів.

Виходячи зі спостережних аргументів на користь такої пов’я­заної з кварками симетрії, Ґросс та Вільчек постулювали, що квантова хромодинаміка є неомильною калібрувальною тео­рією сильної взаємодії кварків.

Приблизно через рік після цих теоретичних звитяг видатна ідея асимптотичної свободи дістала не менш видатний експериментальний стимул. У ході експериментів у СЦЛП і на іншому прискорювачі в Брукхейвені, що на Лонг-Айленді, було зроблене разюче й несподіване відкриття нової масивної елементарної частинки, яка — виглядало на те — могла складатися з нового кварка, а саме з так званого чарівного кварка, що його передбачили Ґлешоу та його друзі чотирма роками раніше.

Проте це нове відкриття було цікаве тим, що нова частинка жила значно довше, ніж можна було собі уявити, виходячи з виміряного часу життя нестабільних легших сильно взаємодійних частинок. За словами експериментаторів, які відкрили цю нову частинку, спостерігати її було подібно до блукання джунглями й виявлення нової раси людей, які доживають не до ста, а до десяти тисяч років.

Якби це відкриття було зроблено якихось п’ять років тому, воно здавалося б непоясненним. Проте цього разу фортуна всміхнулася тим, хто був до цього готовий. Том Аппельквіст та Девід Поліцер, які в той час працювали в Гарварді, швидко збагнули, що, якщо сильній взаємодії справді властива асимптотична свобода, то можна показати, що взаємодії, які керують більш масивними кварками, будуть слабшими за взаємодії, які керують легшими, більш звичними кварками. Слабші взаємодії означають, що частинки розпадаються повільніше. Те, що за інших обставин було б таємницею, у цьому разі стало підтвердженням нової ідеї асимптотичної свободи. Здавалося, усі шматочки мозаїки стають на свої місця.

За винятком однієї напрочуд великої проблеми. Якщо теорія квантової хромодинаміки була теорією взаємодій кварків і глюо­нів, де перебувають усі ці кварки й глюони? Як так сталося, що їх ніхто ніколи не спостерігав у рамках експериментів?

Ключову підказку дає асимптотична свобода. Якщо сила слабкої взаємодії зменшується в міру наближення до кварка, то,відповідно, вона повинна збільшуватися в міру віддалення від кварка. Тепер уявімо, що трапиться, якщо взяти кварк і антикварк, зв’язані докупи сильною взаємодією, і спробувати їх роз’єднати. У міру відтягнення їх один від одного потрібно дедалі більше енергії, оскільки сила тяжіння між ними збільшується зі збільшенням відстані. Урешті-решт у полях навколо кварка накопичується стільки енергії, що стає енергетично вигідніше породити з вакууму нову пару «кварк — антикварк» і зв’язати їх з однією з початкових частинок. Схематично цей процес можна зобразити так:

Це схоже на розтягнення гумової стрічки. Замість розтягуватися вічно, стрічка врешті-решт розірветься навпіл. У такому випадку кожен шматок являтиме собою нову зв’язану пару «кварк — антикварк».

Яке це має значення для експериментів? Ну, якщо розігнати частинку на кшталт електрона й вона зіткнеться з кварком усередині протона, то виб’є кварк із протона. Проте щойно кварк почне рухатися до виходу з протона, його взаємодія з іншими кварками, що лишилися, збільшиться, і зрештою стане енергетично вигідніше породити з вакууму віртуальні пари «кварк — антикварк» і прив’язати їх як до вибитого кварка, так і до тих, що лишилися. Це означає, що утвориться злива сильно взає­модійних частинок на кшталт протонів, нейтронів, піонів тощо, які рухатимуться вздовж напрямку руху початкового вибитого кварка, і аналогічно злива сильно взаємодійних частинок, що відскакують у напрямку руху решти початкових кварків, що залишилися від протона. Самих кварків ніколи не буде видно.

Аналогічно, якщо частинка зіткнеться з кварком, подеколи кварк перед зв’язуванням із виниклим із вакууму антикварком випустить у відповідь глюон. Тоді, оскільки глюони взаємодіють як із кварками, так і між собою, цей новий глюон може випустити ще більше глюонів. Ці глюони, своєю чергою, будуть оточені новими кварками, що вигулькують із вакууму, створюю­чи нові сильно взаємодійні частинки, які рухаються вздовж напрямку руху кожного з початкових глюонів. У цьому випадку подеколи можна очікувати побачити не одну зливу, що рухається в напрямку початкового кварка, а кілька злив, які відповідають кожному випущеному дорогою новому глюону.

Оскільки квантова хромодинаміка є конкретною, чітко визначеною теорією, можна передбачити частоту випускання кварками глюонів, частоту спостереження єдиної зливи, яка називається струменем, вибитим під час зіткнення електрона з протоном чи нейтроном, частоту спостереження двох злив тощо. Урешті-решт, коли прискорювачі стали достатньо потужними для спостереження всіх цих процесів, спостережувані частоти гарно узгоджувалися з передбаченнями теорії.

Є всі підстави вважати, що ця картина вільних кварків та глюонів, які настільки швидко зв’язуються з новими кварками та антикварками, що ніхто ніколи не побачить вільний кварк чи глюон, правильна. Це явище називається конфайнмент (від англійського «confinement», себто «утримання»), оскільки кварки та глюони завжди утримуються всередині сильно взає­модійних частинок на кшталт протонів та нейтронів і ніколи не можуть вивільнитися з них без того, щоб стати частиною новостворених сильно взаємодійних частинок.

Оскільки сам процес, унаслідок якого кварки утримуються в частинках, відбувається тоді, коли сили стають дедалі сильнішими в міру віддалення кварка від своїх початкових товаришів, стандартні обрахунки квантової теорії поля, слушні в разі не надто сильних взаємодій, ламаються. Тож наразі ця підтверджена експериментами картина не може бути повною мірою підтверджена розв’язними обчисленнями.

Чи виведемо ми коли-небудь математичні інструменти, необхідні для аналітичної демонстрації на основі неемпіричних обрахунків, що конфайнмент дійсно є математичною властивістю квантової хромодинаміки? Це питання на мільйон доларів, причому в буквальному сенсі слова. Математичний інститут Клея оголосив винагороду в мільйон доларів за строге математичне доведення того, що квантова хромодинаміка не допускає створення вільних кварків чи глюонів. Хоча досі претендентів на цю винагороду не було, є вагомі опосередковані свідчення на користь цієї ідеї не лише з боку експериментальних спостережень, а й з боку численних симуляцій, які близько апроксимують11 складні взаємодії у квантовій хромодинаміці. Це якщо не переконує, то принаймні надихає. Усе одно необхідно підтвердити, що це властивість саме теорії, а не комп’ютерної симуляції. Утім, для фізиків це виглядає досить переконливо, хай навіть математики іншої думки.

Останній елемент безпосереднього доказу слушності КХД надійшов зі сфери, де можливо провести точні обрахунки. Вище я згадував, що, оскільки на малих відстанях кварки не повністю вільні, мають існувати обчислювані поправки на екзотичний феномен скейлінгу, який спостерігається у високоенергетичних зіткненнях електронів із протонами й нейтронами та вперше був зафіксований у СЦЛП. Ідеальний скейлінг вимагатиме абсолютно невзаємодійних частинок. Поправки, які можна обрахувати у квантовій хромодинаміці, можна буде спостерігати лише в значно чутливіших експериментах, аніж уперше проведені в СЦЛП. Для їх дослідження знадобилося розробити нові, більш високоенергетичні прискорювачі. Упродовж приблизно тридцяти років вдалося зібрати достатньо свідчень, щоб теоретичні передбачення зійшлися з результатами експериментів із точністю до 1 %, а квантову хромодинаміку як теорію сильної взаємодії вдалося все-таки точно й детально верифікувати.

2004 року Ґросс, Вільчек та Поліцер урешті-решт одержали Нобелівську премію за відкриття асимптотичної свободи. Експериментатори, які вперше відкрили скейлінг у СЦЛП, що стало ключовим спостереженням, яке спрямувало теоретиків у правильному напрямку, удостоїлися цієї нагороди значно раніше, 1990 року. А експериментатори, які 1974 року відкрили чарівний кварк, отримали Нобелівську премію вже через два роки, у 1976-му.

Проте, як казав Річард Фейнман, найвищою нагородою є не відзнака медаллю чи грошовою премією, і навіть не визнан­ня з боку колег чи широкої публіки, а дізнання чогось по-справжньому нового про природу.

• • •

У цьому сенсі 1970-ті роки були, мабуть, найбагатшим десятиліттям в історії фізики ХХ століття, якщо не в усій історії фізики загалом. 1970 року ми повністю як квантову теорію розуміли лише одну силу природи, а саме квантову електродинаміку. До 1979 року ми розробили та експериментально перевірили, можливо, найвидатнішу теоретичну доктрину, створену людським розумом, — Стандартну модель фізики елементарних частинок, що описує рівно три з чотирьох відомих сил природи. Ця робота тривала впродовж усієї історії сучасної науки, від дослідження природи рухомих тіл Галілеєм, через відкриття Ньютоном законів руху, через експериментальні й теоретичні дослідження природи електромагнетизму, через Ейнштейнове об’єднання простору й часу, через відкриття ядра, квантової механіки, протонів, нейтронів та відкриття власне слабкої та сильної сил.