5
Это я могу
Глава, в которой Герард ’т Хоофт доказывает, что теорию Янга – Миллса можно перенормировать, а Марри Гелл-Манн и Харальд Фрицш разрабатывают теорию сильного взаимодействия на основе цветных кварков
Помимо абсурдных дробных зарядов, у кварковой модели была еще одна большая проблема. Поскольку из кварков состоят такие материальные частицы, как протоны и нейтроны, они должны быть фермионами с полуцелыми спинами. Иными словами, в соответствии с принципом Паули адроны не могли иметь в себе более одного кварка в каждом из возможных квантовых состояний.
Однако кварковая модель утверждала, что протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего. Это было все равно что сказать, будто атомная орбиталь содержит два электрона с верхним спином и один электрон с нижним. Этого просто не может быть. Свойства симметрии волновой функции электрона запрещают это. Может быть только два электрона, один с верхним спином, другой с нижним. Для третьего нет места. Кроме того, если кварки – фермионы, тогда в протоне не может быть места для двух верхних кварков.
Эта проблема встала вскоре после публикации первой статьи Гелл-Манна о кварках. Физик Оскар Гринберг в 1964 году высказал предположение, что кварки на самом деле могут быть парафермионами , то есть фактически что кварки различаются и другими степенями свободы, помимо той, которая определяется квантовыми числами: верхним, нижним и странным. В итоге это дает несколько видов, например верхних кварков. Если два верхних кварка относятся к разным видам, они спокойно могут уживаться друг рядом с другом в протоне, не занимая при этом одно и то же квантовое состояние.
Но и к этой модели тоже возникли вопросы. Решение Гринберга открыло путь для того, чтобы барионы вели себя как бозоны и скапливались в одном квантовом состоянии до макроскопических размеров, подобно лазерному лучу. Это было просто недопустимо.
Ёитиро Намбу рассматривал аналогичную систему и предположил, что, может быть, существует сначала два, а потом и три разных вида верхних, нижних и странных кварков. Молодой выпускник Сиракузского университета в Нью-Йорке кореец по рождению Хан Мо Ён написал ему в 1965 году, развив эту мысль. Вместе они написали статью, которая вышла в свет чуть позже в том же году.
Однако это было не просто расширение кварковой теории Гелл-Манна. Хан и Намбу ввели новый вид заряда кварка, отличного от электрического. Два верхних кварка в протоне отныне отличались кварковыми зарядами, тем самым устранялось противоречие с принципом Паули. Они рассуждали так, что сила, удерживающая кварки внутри более крупных нуклонов, основана на локальной симметрии SU(3), которую не надо путать с глобальной симметрией SU(3), лежащей в основе восьмеричного пути.
Кроме того, они решили воспользоваться этой возможностью, чтобы убрать из кварковой теории дробные электрические заряды и ввести вместо них перекрывающиеся SU(3) – триплеты с электрическими зарядами +1, 0 и –1 наряду с зарядом кварка.
На это мало кто обратил внимание. Хан и Намбу сделали важный шаг к окончательному решению, но мир еще был к нему не готов.
В 1970 году Глэшоу наконец-то вернулся к проблемам своей теории электрослабого поля SU(2) × U(1) вместе с двумя коллегами: греческим физиком Иоаннисом Илиопулосом и итальянцем Лучано Майани. Глэшоу впервые познакомился с Илиопулосом в ЦЕРНе и был впечатлен его попытками найти способ перенормировки теории поля для слабого взаимодействия. Майани приехал в Гарвард, имея некоторые любопытные мысли о слабом взаимодействии. Все трое поняли, что их интересы совпали.
В тот момент никто из них еще не знал о статье Вайнберга 1967 года, где спонтанное нарушение симметрии и механизм Хиггса применялись в электрослабой теории лептонов.
Глэшоу, Илиопулос и Майани снова как следует взялись за теорию. Добавление в уравнения масс W+-, W – и Z -частиц вручную приводило к неуправляемым расхождениям, из-за которых теория не поддавалась перенормировке. Вдобавок оставалась проблема слабых нейтральных токов. Например, теория предсказывала, что нейтральный каон должен распадаться с испусканием Z -бозона, меняя в процессе странность частицы и производя два мюона – слабый нейтральный ток. Однако какие-либо экспериментальные данные о таком распаде попросту отсутствовали. Вместо полного отказа от Z -частицы физики попытались выяснить, почему может отсутствовать та форма распада.
Мюонное нейтрино было открыто в 1962 году, став четвертым лептоном наряду с электроном, электронным нейтрино и мюоном. Физики стали работать с моделью из четырех лептонов и трех кварков, для начала добавив еще несколько лептонов. Но в 1964 году Глэшоу опубликовал статью, где говорил о возможном существовании четвертого кварка, который он назвал очарованным кварком (c-квар ком, от charm quark). В этом как будто было больше смысла. Природа явно потребует, чтобы количество лептонов соответствовало количеству кварков. Модель из четырех лептонов и четырех кварков отличалась гораздо более приятной симметрией.
Теоретики добавили в винегрет четвертый кварк, тяжелый вариант верхнего кварка с зарядом + / 3 . И поняли, что таким образом они отключили слабые нейтральные токи.
Слабые нейтральные токи могли возникать из-за распада с участием Z -частиц и более сложного распада с испусканием частиц W+ и W . В обоих случаях конечный результат один и тот же – два противоположно заряженных мюона, m и m+. Второй вариант распада показан на рис. 15, а . Там нейтральный каон (изображенный в виде сочетания нижнего кварка и странного антикварка) испускает виртуальную частицу W , а нижний кварк (с зарядом - / 3 ) трансформируется в верхний кварк (с зарядом + / 3 ). Виртуальная частица W распадается на мюон и мюонное антинейтрино.
Можно подумать, что получившийся в результате верхний кварк испускает виртуальную частицу W+, превращаясь в странный кварк. Частица W+ распадается на положительно заряженный мюон и мюонное нейтрино. Это называется однопетлевым вкладом в итоговый результат, который подразумевает распад нейтрального каона на положительно и отрицательно заряженные мюоны.
В принципе не было причин, почему этот вариант нейтрального тока нельзя было наблюдать. Однако обычные формы распада нейтральных каонов дают пионы, а не мюоны. Каким-то образом путь распада не доходил до мюонов. Глэшоу, Илиопулос и Майани поняли, что аналогичный путь распада с участием очарованного кварка решит вопрос – см. рис. 15, b . Разница в знаках у этих двух возможных путей распада означала, что они виртуально компенсируют друг друга. Нейтральный каон, как кролик, выхваченный на шоссе светом автомобильных фар, не может сообразить, в какую сторону прыгнуть, пока не будет уже слишком поздно.
Велтман был взволнован, но сохранял скептическое отношение. Настраивая программу, он посмотрел на результаты и решил убрать несколько четырехкратных множителей из уравнений ’т Хоофта, множителей, которые можно было отследить к бозону Хиггса. Четырехкратные множители казались Велтману просто безумием. Он настроил программу и запустил ее без них.