В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Сэмпл Иэн

Фрэнк Вильчек — один из самых блестящих физиков в мире. Сегодня он работает в Массачусетском технологическом институте. Вероятно, о происхождении массы Вильчек знает больше, чем кто-либо другой. У него польско-итальянские корни, но сам он родился и вырос в Квинсе, в районе Нью-Йорка, в 1971-м поступил в Принстонский университет, а затем закончил там же аспирантуру. Работа, которую он начал в Принстоне в достаточно юном возрасте — ему тогда было всего 21 год, — спустя более тридцати лет принесла ему Нобелевскую премию. Вместе с двумя другими физиками он получил эту престижнейшую награду за открытие некоего любопытного эффекта, касающегося кварков, из которых состоят протоны и нейтроны. Вильчек показал,

что чем дальше кварки отодвинуть друг от друга, тем сильнее они притягиваются друг к другу; и наоборот, когда они очень близко друг к другу, то ведут себя почти как свободные частицы — словно они связаны эластичными нитями. Как правило, силы не действуют таким образом — они обычно уменьшаются с расстоянием. Полученные Вильчеком результаты легли в основу Стандартной модели — свода правил, регулирующих поведение элементарных частиц в природе.

Работы Вильчека имеют далеко идущие последствия, особенно в понимании того, откуда берется масса. Хотя поле Хиггса, как полагают, отвечает за образование массы кварков и электронов, массы этих отдельных субатомных блоков дают лишь мизерный вклад в массу атома — почти вся она определяется не суммой весов входящих в атом кварков и электронов, а энергией, запасенной в перемещающихся кварках, и в поле, которое связывает их друг с другом.

На первый взгляд работа Вильчека заставляла засомневаться, а действительно ли бозон Хиггса заслуживает того, чтобы считать его ответственным за происхождение массы. Ответ — да, несомненно заслуживает, но есть маленькая тонкость, которую часто упускают в популярных описаниях. Поле Хиггса ответственно за приобретение кварками, электронами и другими частицами начальных масс. И если бы у них не было этих масс, пусть и незначительных, они никогда бы не образовали атомов. Но те большие массы кварков, которые, как мы знаем, у них есть, появляются только тогда, когда они собираются вместе, образуя протоны и нейтроны.

Вильчек помог опровергнуть бытовавший в СМИ популярный миф о том, что частицы Хиггса непосредственно ответственны за массы всего существующего в нашем мире, разъяснив, что они вносят лишь крошечный, но принципиально важный начальный вклад в массу.

Если идти от офиса Вильчека по коридору физического факультета Массачусетского технологического института, можно попасть в расположенный на небольшом расстоянии от него офис Алана Гута. Если Вильчек исследовал процессы, происходящие в глубине атома, то Гут занимался изучением прошлого Вселенной, историей возникновения Космоса. Он обнаружил, что в самом начале что-то очень похожее на поле Хиггса привело к намного более важным событиям, чем придание частицам массы.

Гут — коренастый человек с мальчишеской копной волос и сильным нью-джерсийским акцентом. Он говорит о рождении Вселенной с такой страстью, c какой другие говорят о футбольных матчах. Гут знает все теории: как они появились, насколько хорошо описывают различные ситуации, а также кто является автором каждой из них. Когда он рассказывает обо всем этом, трудно не поразиться, как физики могут знать что-либо о состоянии, в котором Космос пребывал четырнадцать миллиардов лет назад. Однако Гут так детально описывает, какой Вселенная была через одну триллионную от одной триллионной от одной триллионной доли секунды после Большого взрыва, как если бы был свидетелем тех революционных процессов, видел все своими собственными глазами. “Такого рода идеи, — правда, признает он улыбаясь, — обычно всем кажутся безумными, и я тут не исключение”.

История открытия Гута началась в Корнеллском университете. В 1978 году ученые работали над так называемыми Теориями Великого Объединения (GUTs), которые должны были стать следующим большим прорывом в физике. GUTs ставили своей целью объединить все известные силы в природе, за исключением гравитационных. Это означало поиск единой теории, описывающей электромагнетизм, слабое взаимодействие, а также сильное взаимодействие внутри атомных ядер.

Однажды

Генри Тай, друг Гута, тоже работавший в Корнеллском университете, обратился к нему за помощью. Он хотел бы знать, предсказывают ли GUTs существование гипотетической частицы, существование которой Поль Дирак предложил в 1930 году. Частица была по меньшей мере странной — такой микроскопический магнит, но с одним полюсом. (У нормального магнита всегда два полюса — один северный, а другой — южный.) Из-за этого удивительного свойства таинственные частицы назвали магнитными монополями.

Расчеты Гута показали, что теории GUTs действительно предсказывают существование магнитных монополей, но при этом возникало новое неразрешимое противоречие. “Я сказал Генри, что он может забыть о монополях. Никто никогда не сумеет создать их в ускорителе элементарных частиц, так как они невероятно тяжелые. Для меня они были просто еще одной непроверяемой гипотезой GUTs”, — вспоминает Гут. Говоря “невероятно тяжелые”, он имел в виду, что масса гипотетического монополя примерно равна массе амебы.

Тай не удовлетворился ответом. Он вернулся к проблеме и предложил вместе посчитать, сколько этих странных магнитных частиц было создано в результате Большого взрыва. “Это была действительно сумасшедшая идея, и я перестал этим заниматься”, — говорит Гут. Он переключился на другие темы, а Тай все никак не успокаивался, надеясь, что друг все-таки поможет ему разобраться с монополями.

Гут почти забыл про идею Тая, но одна лекция в Корнеллском университете полностью перевернула его отношение к ней. Физический факультет университета регулярно приглашал ученых из других вузов читать лекции корнеллским студентам. И вот однажды к ним приехал Стивен Вайнберг. Вайнберг, которому оставался всего год до получения Нобелевской премии, стал одним из основных сторонников GUTs. Глубина и ясность его лекции убедила Гута в том, что эти теории, возможно, не совсем безумные.

Сразу после окончания лекции Вайнберга Гут поговорил с Таем и согласился наконец подсчитать, сколько магнитных монополей было создано в результате Большого взрыва. Результаты весьма озадачивали — похоже, Вселенная должна быть битком набита этими загадочными монополями! Но если это так, то она была бы в сотни триллионов раз более массивной, чем, по оценкам космологов, есть на самом деле. (Физики, зная массу Вселенной, могут определить ее возраст. Известно также, что расширение Вселенной замедляется тем быстрее, чем она массивнее.) Гут сделал математические расчеты, заложив в них полученное огромное число монополей и их массу, а затем рассчитал возраст Вселенной. Оказалось, что ей должно быть около 30 000 лет. “Ну, я получил сполна всяческих нелестных комментариев в свой адрес”, — рассказывал Гут.

Расчеты Гута показали, что согласно теории Великого объединения в первые мгновения после Большого взрыва несколько полей хиггсовского типа должны были заплестись в узлы. Эти узлы и были магнитными монополями. Гут понял, что на ранней стадии развития Вселенной должно было произойти нечто, помешавшее дальнейшему образованию такого количества монополей. К примеру, если Вселенная охладилась очень быстро, хиггсовские поля не должны были успеть переплестись, и в результате образовалось бы меньше узлов, а уже образовавшиеся до этого монополи разлетелись бы на огромные расстояния и вполне могли бы ускользнуть от нашего взгляда.

Настоящий прорыв в понимании проблемы возник в сознании Гута как следствие из этого умозаключения. Однажды вечером он вернулся с работы домой, и вдруг его осенило: он понял, что означали его расчеты расширяющейся Вселенной. “В какой-то момент я увидел, что происходит. Расширение Вселенной было экспоненциальным! Это было невероятно захватывающе”, — говорит Гут.

Явление, открытое Гутом, получило название “инфляция (раздувание) Вселенной”. Сразу после Большого взрыва за долю секунды Вселенная вдруг расширилась с головокружительной скоростью, а потом эта скорость расширения стала уменьшаться.