Вскоре он уже звонил ’т Хоофту и говорил: "Она почти работает. Ты только ошибся кое-где с двукратными множителями" . Но ’т Хоофт не ошибался. "Тогда он понял, что даже четырехкратный множитель верен, – рассказал ’т Хоофт, – и все прекрасно получается. Тогда он разволновался так же, как я раньше".
’т Хоофт вполне независимо (и по чистому совпадению) воссоздал теорию поля SU(2) × U(1), которую Вайнберг разрабатывал в 1967 году, и показал, что ее можно перенормировать. ’т Хоофт думал применить теорию поля к сильному взаимодействию, но, когда Велтман спросил у коллеги из ЦЕРНа, знает ли он о других применениях теории SU(2) × U(1), его отправили к статье Вайнберга. Велтман и ’т Хоофт поняли, что они получили полностью перенормируемую квантовую теорию поля для электрослабого взаимодействия.
Это был настоящий прорыв. "Психологический эффект от доказательства перенормируемости был огромен", – написал Велтман несколько лет спустя . На самом деле ’т Хоофт продемонстрировал, что калибровочные теории Янга – Миллса в принципе поддаются перенормировке. Локальные калибровочные теории фактически являются единственным классом теорий поля, которые можно перенормировать.
’т Хоофту было всего 25 лет. Сначала Глэшоу не понял доказательства. О ’т Хоофте он сказал: "Либо этот парень полный идиот, либо он величайший гений физики за много лет" . Вайнберг сначала не поверил, но, когда увидел, что его коллега-теоретик отнесся к работе ’т Хоофта серьезно, решил приглядеться к ней поближе. И она его сразу убедила.
’т Хоофта назначили доцентом кафедры Утрехтского университета. Наконец-то все ингредиенты теории были в наличии. Перенормируемая, спонтанно нарушаемая теория поля SU(2) × U(1) для слабого и электромагнитного взаимодействия уже маячила на горизонте. Массы W±– и Z -бозонов возникли "естественно из применения механизма Хиггса". Еще оставались некоторые аномалии, но ’т Хоофт указал в сноске в опубликованной статье, что они не делают теорию неперенормируемой. "Конечно, – писал он много лет спустя, – это нужно понимать так, что перенормируемость можно восстановить за счет добавления необходимого количества разного рода фермионов (кварков), но, признаюсь, я даже думал, что, может быть, это и не понадобится" . Оставшиеся аномалии можно было устранить, добавив в модель несколько кварков.
А можно ли было надеяться на квантовую теорию поля для сильного взаимодействия?
Гелл-Манн получил Нобелевскую премию по физике 1969 года за большой вклад в науку, в основном за открытие странности и восьмеричного пути. Ивар Валлер, член Нобелевского комитета по физике, перечислил его достижения, когда официально представлял Гелл-Манна. Валлер также упомянул кварки и сказал, что, несмотря на усиленные поиски, они все еще не найдены. Однако он любезно признал, что кварки тем не менее имеют большую "эвристическую" ценность.
Гелл-Манну пришлось свыкаться со статусом знаменитости, которым автоматически наделяется нобелевский лауреат. Его завалили приглашениями на конференции и просьбами о статьях, так что ему совсем не хватало времени писать, хотя это и раньше давалось ему с трудом. Он даже пропустил сроки подачи собственной Нобелевской лекции в Шведскую академию, которая собиралась издать сборник лекций Le Prix Nobel . И это были не единственные сроки, которые он нарушил.
Летом 1970 года Гелл-Манн с семьей уехал в Аспен, штат Колорадо. Но он скрывался от обязательств, а не от науки. Там же, в Аспенском физическом центре физики, проводили отпуск и другие физики со своими семьями.
Центр был специально создан для нобелевских лауреатов, которые хотели бы, чтобы их ничто не отвлекало. Его открыли в 1962 году на базе Аспенского института гуманитарных наук после обращения двух физиков. Они предложили создать такое место со спокойной, расслабленной, не слишком организованной атмосферой, куда физики могли бы сбежать от административных обязанностей, которые накладывала на них повседневная университетская работа, и просто говорить друг с другом о науке. Институт отдал под это часть своего кампуса АспенМедоус, расположенного в осиновой роще на городской окраине.
Именно в Аспене Гелл-Манн столкнулся с Харальдом Фрицшем, убежденным сторонником модели кварков, который с изумлением узнал, что Гелл-Манн, как ни странно, неоднозначно относится к своему собственному "математическому" изобретению.
Фрицш родился в Цвикау, городе на юге от Лейпцига. Вместе с коллегой он сбежал из коммунистической ГДР и потом от болгарских властей на лодке с подвесным мотором. Они проплыли больше 300 километров по Черному морю и добрались до Турции.
Он получал докторскую степень по теоретической физике в Институте физики и астрофизики Макса Планка в Мюнхене, ФРГ, где одним из его преподавателей был Гейзенберг. Летом 1970 года он проезжал через Аспен, направляясь в Калифорнию.
Еще студентом в ГДР Фрицш проникся убеждением, что кварки должны лежать в основе квантовой теории поля для сильного ядерного взаимодействия. Это были не просто математические приемы. Это было что-то настоящее.
Гелл-Манна впечатлил энтузиазм молодого немца, он согласился, чтобы Фрицш посещал его в Калтехе примерно раз в месяц. Вместе они стали работать над теорией поля на основе кварков. Окончив аспирантуру в ФРГ в начале 1971 года, Фрицш перевелся в Калтех.
Фрицш в некотором роде потряс основы консервативного отношения Гелл-Манна к кваркам. Это было не просто психологическое потрясение: приезд Фрицша в Калтех 9 февраля 1971 года совпал с настоящим землетрясением магнитудой 6,6 по шкале Рихтера, от которого ранним утром того же дня содрогнулась долина Сан-Фернандо недалеко от Силмара. "В память о том случае, – позднее писал Гелл-Манн, – я не стал поправлять покосившиеся картины на стене, пока их снова не потревожило землетрясение 1987 года" .
Гелл-Манн добился грантов для себя и Фрицша, и осенью 1971 года они оба поехали в ЦЕРН. Там Уильям Бардин, сын Джона Бардина, создателя теории сверхпроводимости вместе с Купером и Шриффером, рассказал им о некоторых аномалиях в расчетной скорости распада нейтральных пионов. Бардин некоторое время работал над этими расчетами в Принстоне со Стивеном Адлером. Они показали, что модель кварков с дробными зарядами предсказывает скорость распада, которая получалась в три раза меньше измеренной скорости. Адлер пошел дальше и показал, что модель кварков с целочисленными зарядами Хана – Намбу на самом деле лучше предсказывает скорость в измерениях.
Гелл-Манн, Фрицш и Бардин начали совместную работу над вариантами. Они хотели посмотреть, можно ли согласовать результаты распада нейтрального пиона с вариантом первоначальной модели кварков с дробными зарядами.
Как предполагали Хан и Намбу, им потребовалось новое квантовое число. Гелл-Манн решил назвать это новое квантовое число цветом. В новой системе кварки обладали бы тремя возможными цветными квантовыми числами: синим, красным и зеленым .
Барионы состояли бы из трех кварков разных цветов, так чтобы общий "цветной заряд" был равен нулю и давал "белый" цвет. Например, можно представить, что протон состоит из синего верхнего кварка, красного верхнего кварка и зеленого нижнего кварка (uburdg) . Нейтрон состоял бы из синего верхнего кварка, красного нижнего кварка и зеленого нижнего кварка (ubdrdg). Мезоны, например пионы и каоны, состояли бы из цветных кварков и цветных антикварков, так чтобы общий цветной заряд был нулевым и частицы также были "белыми".
Это было красивое решение. Цвета кварков давали дополнительную степень свободы, и, значит, принцип Паули не нарушался. Утроение количества видов кварков означало, что скорость распада нейтрального пиона можно предсказать с точностью. И никто не мог ожидать, что цветной заряд проявится в экспериментах, ведь это свойство кварков, а кварки заключены внутри белых адронов. Цвет нельзя увидеть, потому что природа требует, чтобы все наблюдаемые частицы были белыми.
"Мы постепенно поняли, что [цветная] переменная решает все вопросы! – объяснял Гелл-Манн. – Она улучшает статистику и при этом не вынуждает нас использовать сумасшедшие новые частицы. Потом мы поняли, что она вдобавок может решить проблемы с динамикой, потому что на ней можно было построить калибровочную теорию SU(3), теорию Янга – Миллса" .
К сентябрю 1972 года Гелл-Манн и Фрицш подробнее разработали модель, состоящую из трех кварков с дробными зарядами, которые имели три аромата – верхний, нижний и странный – и три цвета и были связаны системой из восьми цветных глюонов – переносчиков сильного цветового взаимодействия. Гелл-Манн представил модель на конференции по физике высоких энергий, которая проводилась в честь открытия Национальной ускорительной лаборатории в Чикаго.
Но его уже начали одолевать сомнения. Больше всего Гелл-Манна беспокоил статус кварков и механизм, обеспечивающий конфайнмент , и он предпочитал не слишком распространяться о теории. Он упоминал вариант модели с одним глюоном и подчеркивал, что кварки и глюоны – "воображаемые".
Когда они с Фрицшем дошли до написания лекции, их обуяла нерешительность. "Готовя письменный вариант, – позднее писал Гелл-Манн, – к сожалению, мы поддались только что упомянутым сомнениям, и мы ушли в технические вопросы" .
Эти колебания не так уж трудно понять. Если цветные кварки действительно всегда заключены внутри белых барионов и мезонов, так что их цветной и дробный электрический заряд нельзя наблюдать, тогда можно сказать, что любые размышления об их свойствах – пустая болтовня.
Теоретики подошли очень близко к большому синтезу: слиянию теорий квантового поля на основе симметрии SU(3) × SU(2) × U(1), которое позже стало известно как Стандартная модель. Этот синтез должен был подготовить теоретическую основу для экспериментальной физики элементарных частиц в последующие 30 лет. Эта нерешительность была просто глубоким вдохом перед прыжком в воду.
Фактически дразнящие свидетельства существования кварков появились всего за несколько лет до того во время высокоэнергетических столкновений электронов и протонов. Результат экспериментов, проведенных в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC) в Калифорнии, сильно намекал, что протон состоит из точечных частиц.
Однако было неясно, кварки ли эти точечные частицы. Что еще больше сбивало с толку, результаты также предполагали, что составные части внутри протона вовсе не находятся в железной хватке, а ведут себя так, будто могут совершенно свободно бродить по своим просторным жилищам. Как это совмещалось с идеей конфайнмента?
Работа теоретиков подходила к концу. Стандартная модель была почти закончена. Теперь пришла очередь экспериментаторов.
Часть вторая
Открытие
6
Переменные нейтральные токи
Глава, в которой у протонов и нейтронов оказывается внутренняя структура, а предсказанные нейтральные токи слабого ядерного взаимодействия находятся, теряются и находятся вновь
В космических лучах происходят некоторые самые высокоэнергетические столкновения частиц, иногда их энергия гораздо выше энергии, которой можно достичь даже в современных коллайдерах . Но откуда берутся лучи, непонятно, и какие частицы и энергии становятся причиной наблюдаемых событий, неизвестно. Успех экспериментов с космическими лучами зависит от случайного обнаружения новых частиц или новых процессов, воспроизвести которые может оказаться очень сложно.
Несмотря на успешные эксперименты с космическими лучами, позволившие открыть позитроны, мюоны, пионы и каоны за два десятилетия между 1930-ми годами и началом 1950-х, для дальнейшего прогресса в физике частиц требовалось сначала разработать более мощные искусственные ускорители.
Первые ускорители были сконструированы во второй половине 1920-х годов. Это были линейные ускорители, в которых ускорение электронов и протонов происходило за счет разгона их через линейную последовательность осциллирующих электрических полей. На одном таком ускорителе Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон в 1932 году разогнали протоны до высокой скорости и затем выстреливали ими по неподвижным мишеням – ядрам, таким образом осуществив первые искусственно вызванные ядерные реакции .
В 1929 году американский физик Эрнест Лоуренс изобрел ускоритель иной конструкции. Он использовал магнит, чтобы заставить поток протонов двигаться по спирали, одновременно ускоряя их до все более высоких скоростей при помощи переменного электрического поля. Лоуренс назвал его циклотроном .
В Лоуренсе было что-то от шоумена с большими амбициями. За первым циклотроном последовали новые, все более крупные машины, и в 1939 году их кульминацией стало сооружение гигантского суперциклотрона с магнитом, который весил 2 тысячи тонн. Лоуренс посчитал, что он позволит протону развивать энергию в 100 миллионов электронвольт (100 МэВ), это порог энергии, требующейся протону для проникновения в ядро. Лоуренс обратился в фонд Рокфеллера с просьбой о поддержке. Его обращение стало звучать гораздо убедительнее после того, как во время теннисного матча ему сообщили, что ему только что присудили Нобелевскую премию по физике за 1939 год.
Когда началась война, циклотронную технологию Лоуренса использовали для решения других задач – для обогащения урана-235 в количестве достаточном для создания атомной бомбы, сброшенной потом на Хиросиму. В основу электромагнитной установки по разделению изотопов Центра национальной безопасности Y-12, сооруженной в Оук-Ридже, что в Восточном Теннесси, положена конструкция лоуренсовского циклотрона .
Работавшие в Y-12 магниты имели 76 метров в длину и весили от 3 до 10 тысяч тонн. Их конструкция истощила медные запасы США, и американское казначейство было вынуждено ссудить Манхэттенскому проекту 15 тысяч тонн серебра, чтобы закончить обмотку магнитов. Магниты забирали столько же энергии, как большой город, и были настолько сильные, что рабочие чувствовали, как их сила действует на гвоздики в их ботинках. Иногда женщины, стоявшие недалеко от магнитов, оставались без шпилек. Со стен пришлось снять трубы. 13 тысяч человек трудились на заводе, который был запущен в ноябре 1943 года.
Это был первый пример того, что в будущем станут называть "большой наукой".
В циклотроне использовалось постоянное магнитное поле и электрическое поле с фиксированной частотой, и в связи с этим энергия частиц была ограничена примерно 1000 МэВ (или 1 ГэВ, гигаэлектронвольт). Чтобы получить еще большую энергию, нужно прогонять ускоряемые частицы сгустками по кольцу, вдоль синхронно распределены магнитные и электрические поля. Одни из первых таких синхротронов – это Беватрон, ускоритель на 6,3 ГэВ, построенный в 1950 году в Радиационной лаборатории в Беркли, и Космотрон, ускоритель на 3,3 ГэВ, построенный в 1953 году в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке.
Другие страны последовали успешному примеру. 29 сентября 1954 года одиннадцать западноевропейских государств ратифицировали соглашение о создании Европейского совета по ядерным исследованиям (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, ЦЕРН) . Три года спустя в СССР Объединенный институт ядерных исследований в Дубне, в 120 километрах от Москвы, открылся протонный синхротрон на 10 ГэВ. За ним последовал ЦЕРН и в 1959 году в Женеве пустил протонный синхротрон на 26 ГэВ.
Финансирование физики высоких энергий в США сильно возросло, когда в 1960 годах гонка за технологическое превосходство в холодной войне достигла апогея. В Брукхейвене в 1960 году построили сильнофокусирующий синхротрон, способный оперировать энергией 33 ГэВ. Казалось очевидным, что будущее физики элементарных частиц находится в руках конструкторов синхротронов, продвигающих технологии на все более высокие энергии столкновений.