Розділ без назви (32)

Утім, на цьому пошуки не завершилися. Досі не було виявлено частинки Z. Її передбачена маса була трохи більшою за масу W-частинки, а тому зафіксувати її сигнал було важче. Зрештою, уже десь за місяць після оголошення про виявлення W-частинки в обох експериментах почали з’являтися ознаки Z-подій, і 27 травня того ж року на основі однієї чіткої такої події Руббіа оголосив про її відкриття.

Калібрувальні бозони електрослабкої моделі нарешті було знайдено. Важливість цих відкриттів для зміцнення емпіричних основ Стандартної моделі була підкреслена трохи більш ніж за рік після цього оголошення, коли Руббіа та його колега з галузі фізики прискорювачів ван дер Мер одержали Нобелівську премію з фізики. Хоча команди, які збудували й керували прискорювачем та детекторами, складалися з величезної кількості людей, майже всі сходилися на тому, що, якби не енергійність і наполегливість Руббіа та майстерні винаходи ван дер Мера, це відкриття не було б зроблене ніколи.

Залишився останній Святий Грааль — передбачена Хіггсом частинка. На відміну від W- та Z-бозонів, маса бозона Хіггса не зафіксована теорією. Було передбачено її зв’язування з матерією та калібрувальними бозонами, оскільки ці зв’язування надають можливість фоновому полю Хіггса, яке, можливо, існує в природі, порушувати калібрувальну симетрію й надавати масу не лише W- та Z-частинкам, а й електронам, мюонам та кваркам — узагалі всім фундаментальним частинкам Стандартної моделі, окрім нейтрино й фотона. Проте з використанням наявних на той час вимірювань не вдалося заздалегідь окремо визначити ані масу частинки Хіггса, ані силу її самовзаємодій. Теорія лише зафіксувала їх співвідношення в термінах виміряної сили слабкої взаємодії між відомими частинками.

З огляду на консервативні оцінки можливої величини сили самовзаємодії бозона Хіггса, його маса була консервативно оцінена як така, що лежить у діапазоні від 2 до 2000 ГеВ. Верхня межа зумовлена тим, що, якщо самозв’язність бозона Хіггса буде завелика, теорія перетворюється на сильно взаємодійну, і багато розрахунків, виконаних із використанням найпростішої картини бозона Хіггса, ламаються.

Таким чином, незважаючи на їхню невід’ємну роль у порушенні електрослабкої симетрії та наділенні інших елементарних частинок масами, ці кількісні параметри весь цей час залишалися, по суті, невизначеними експериментально. Імовірно, що саме це спонукало Шелдона Ґлешоу в 1980-х роках назвати бозон Хіггса «туалетом» сучасної фізики: усі були свідомі необхідності його існування, проте ніхто не хотів обговорювати на публіці подробиці.

Той факт, що Стандартна модель не зафіксувала заздалегідь багато деталей поля Хіггса, не завадив багатьом теоретикам пропонувати моделі, які «передбачали» масу частинки Хіггса на основі якихось нових теоретичних ідей. На початку 1980-х років, щоразу як зростали доступні прискорювачам енергії, з’яв­лялися все нові й нові статті, що віщували відкриття бозона Хіггса, тільки-но ввімкнуть нову машину. Тоді досягали нового порога, проте нічого такого не спостерігали. Було очевидно, що для вивчення всього доступного простору параметрів у пошуках відповіді на запитання, чи існує бозон Хіггса, необхідно збудувати радикально новий прискорювач.

Весь цей час я був переконаний, що бозона Хіггса не існує. Звісно, спонтанне порушення електрослабкої калібрувальної симетрії мало місце, — W- та Z-частинки існують і мають масу, — проте додавання нового фундаментального скалярного поля, ретельно розробленого для виконання конкретно цього завдання, здавалося мені чимось надмірним. По-перше, у всьому звіринці частинок, що тільки існують у природі, ніколи не спостерігали жодного фундаментального скалярного поля. По-друге, я відчував, що з огляду на всю невідому досі фізику, яка чекає свого відкриття в малих масштабах, природа напевно вигадала значно більш вишуканий та несподіваний спосіб порушення калібрувальної симетрії. Щойно хтось постулює існування частинки Хіггса, одразу ж постає очевидне запитання «Чому так?», або, якщо конкретніше, «Чому саме така динаміка, щоб вона конденсувалася точно на цьому масштабі і з цією масою?». Я вважав, що природа знайде спосіб порушити теорію менш вузькоспеціалізованим способом, і, коли після здобуття докторського ступеня проходив співбесіду на дістану врешті-решт посаду в товаристві стипендіатів у Гарварді, висловив це своє переконання вельми впевнено.

Тепер пригадаймо, якими є наслідки існування бозона Хіггса. Він вимагає існування в природі не лише нової частинки, а й невидимого фонового поля, яке має існувати у всьому просторі. З цього також випливає, що всі частинки фундаментальної теорії — не лише W- та Z-частинки, а й електрони й кварки — безмасові. Взаємодіючи з фоновим полем Хіггса, ці частинки відчувають щось на зразок опору своєму руху, який гальмує їх переміщення до швидкості, меншої за швидкість світла, подібно до того, як плавець у патоці рухатиметься повільніше за плавця у воді. Рухаючись із досвітловою швидкістю, частинки поводяться так, наче вони масивні. Частинки, які сильніше взаємодіють із цим фоновим полем, відчуватимуть більший опір і поводитимуться так, наче вони масивніші, подібно до того, як автівку, що з’їхала з дороги в багнюку, буде важче штовхати, аніж якби вона стояла на асфальті, і з точки зору тих, хто її штовхає, вона здаватиметься важчою.

Це дивовижне твердження щодо природи реальності. Пам’я­таючи, що конденсат, який формується в надпровідниках, є складним станом зв’язаних пар електронів, я скептично ставився до ідеї, що на фундаментальних масштабах у порожньому просторі все працюватиме настільки просто й точно.

То як же перевірити таке дивовижне твердження? Скористаємося головною властивістю квантової теорії поля, яку використав сам Хіггс, висуваючи свою ідею. Для кожного нового поля в природі має існувати принаймні один новий тип елементарної частинки з таким полем. Як же в такому разі породити такі частинки, якщо таке фонове поле існує у всьому просторі?

Дуже просто. Ми надеремо вакуум.

Під цим я маю на увазі, що, якщо нам вдасться сфокусувати достатню кількість енергії в одній точці простору, ми можемо спонукнути з’явитися частинки Хіггса, які потім виміряємо. Цей процес можна уявити собі так. Мовою фізики елементарних частинок, вираженої за допомогою діаграм Фейнмана, можна уявити, як віртуальна частинка Хіггса виринає з фонового поля Хіггса, надаючи масу іншим частинкам. Ліва діаграма відповідає частинкам на кшталт кварків та електронів, що натикаються на віртуальну частинку Хіггса й змінюють траєкторію, відчуваючи таким чином опір своєму руху вперед. Права діаграма зображує аналогічний ефект для частинок на кшталт W та Z.

Далі можна просто розвернути цей рисунок:

У цьому випадку все виглядає так, наче енергійні частинки на кшталт W- та Z-бозонів, кварків та/або антикварків чи електронів та/або позитронів випускають віртуальні частинки Хіггса й відскакують назад. Якщо енергії частинок, що налітають, достатньо великі, випущена частинка Хіггса може бути реальною. Якщо ні, частинка Хіггса буде віртуальною.

Тепер згадаймо, що, якщо бозон Хіггса надає частинкам масу, тоді найбільшої маси набуватимуть частинки, з якими він взаємодіє найсильніше. Це, своєю чергою, означає, що найбільші шанси породити в результаті зіткнення бозон Хіггса мають частинки з найбільшими масами. Це означає, що легкі частинки на кшталт електронів навряд чи є гарним вибором для безпосереднього утворення частинок Хіггса в прискорювачі. Натомість можна уявити собі створення прискорювача з достатньою енергією для породження важких віртуальних частинок, які випускатимуть віртуальні чи реальні частинки Хіггса.

З огляду на це природними кандидатами є протони. Збудуймо прискорювач чи колайдер із протонами та розженімо їх до достатньо високих енергій для породження достатньої кількості важких віртуальних складових для породження частинок Хіггса. Оскільки частинки Хіггса, неважливо, віртуальні чи реальні, важкі, вони швидко розпадуться на легші частинки, з якими бозон Хіггса взаємодіє найсильніше, тобто знов-таки правдиві чи красиві кварки або W- та Z-частинки. Вони, своєю чергою, розпадуться на інші частинки.

Фокус у тому, щоб розглядати події з найменшою кількістю вихідних частинок, які можна чітко зафіксувати, далі точно визначати їхні енергії й імпульси та зрозуміти, чи можна реконструювати низку подій, яка простежується до єдиної масивної проміжної частинки, для якої характерні взаємодії, передбачені для частинки Хіггса. Не хухри-мухри!

Ці ідеї були зрозумілі ще 1977 року, ще навіть до відкриття власне правдивого кварка (оскільки красивий кварк уже було відкрито, а всі інші кварки ходять слабкими парами, — верхній із нижнім, чарівний із дивним, — було очевидно, що має існувати ще один кварк, який, щоправда, було відкрито лише 1995 року і який важив аж у 175 разів більше за протон). Проте знати, що потрібно, і дійсно збудувати машину, здатну виконати цю роботу, — то є дві великі різниці.