8. Великая троица

Оглядываясь на 70-е годы, историки будут рассматривать их как время, когда ученые обнаружили, что в природе вовсе не существует никаких четырех фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное и слабое взаимодействия, при поверхностном взгляде весьма разные по своей природе, в действительности оказались двумя разновидностями единого – так называемого электрослабого – взаимодействия, о существовании которого никто и не подозревал.

Объединение этих двух сил стало исторической вехой на пути к суперсиле. Первый шаг сделал более ста лет назад Максвелл, объединив электричество и магнетизм. Электрослабая теория в окончательной форме была создана двумя физиками, работавшими независимо, – Стивеном Вайнбергом из Гарвардского университета и Абдусом Саламом из Империал-колледжа в Лондоне, – опиравшимися на более раннюю работу Шелдона Глэшоу. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на развитие физики элементарных частиц в последующие годы.

Суть теории Вайнберга и Салама состоит в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля. Этот шаг следовало предпринять еще до того, как появилась хоть какая-то надежда на унификацию. В предыдущей главе мы говорили, что понятие калибровочной симметрии является ключевым при построении теории взаимодействий, освобожденной от проблемы расходящихся членов.

Представляя слабое взаимодействие в виде калибровочного поля, мы должны исходить из того, что все частицы, участвующие в слабом взаимодействии, служат источниками поля нового типа – поля слабых сил, хотя мы не воспринимаем это поле непосредственно. Слабо взаимодействующие частицы, такие, как электроны и нейтрино, являются носителями “слабого заряда”, который аналогичен электрическому заряду и связывает эти частицы со слабым полем.

Если поле слабого взаимодействия рассматривать как калибровочное (т.е. как способ, которым в природе компенсируются локальные калибровочные преобразования), то первый шаг состоит в установлении точной формы соответствующей калибровочной симметрии. Как мы уже знаем, простейшей калибровочной симметрией обладает электромагнетизм. Не удивительно, что симметрия слабого взаимодействия гораздо сложнее чем электромагнитного, ибо сам механизм этого взаимодействия оказывается более сложным. При распаде нейтрона, например, в слабом взаимодействии участвуют частицы по крайней мере четырех различных типов (нейтрон, протон, электрон и нейтрино), и действие слабых сил приводит к изменению их природы (превращению одних частиц в другие за счет слабого взаимодействия). Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы участвующих в нем частиц.

Это свидетельствует о том, что слабому взаимодействию соответствует более сложная калибровочная симметрия, связанная с изменением природы частиц. С калибровочной симметрией такого типа мы встречались в конце гл. 4. Она называлась симметрией изотопического спина, или изотопической симметрией. Первоначально изотопическая симметрия была разработана для описания сильного ядерного взаимодействия между протонами и нейтронами. Напомним, что калибровочное преобразование в этом случае соответствовало повороту некой волшебной ручки, превращающему протоны в нейтроны. Основная идея состояла в том, что ядерные силы инвариантны относительно таких воображаемых преобразований. Вайнберг и Салам, заимствовав идею изотопической симметрии из области ядерной физики, приспособили ее к совершенно другой области – слабому взаимодействию, дав его описание как калибровочного поля. По существу было использовано то же понятие симметрии, связанной со смешиванием различных частиц, но в данном случае речь шла о смешивании различных источников слабого взаимодействия, электронов и нейтрино. Представим себе теперь, что у нас есть волшебная ручка, позволяющая превращать электроны в нейтрино и наоборот. По мере поворота ручки сродство с электроном у всех электронов постепенно убывает до тех пор, пока электроны не превращаются в нейтрино. Одновременно сродство с нейтрино у всех нейтрино также убывает, и все они превращаются в электроны. Разумеется, в действительности ничего подобного не происходит, но теоретики, исследуя уравнения, описывающие частицы и взаимодействия, могут изучать следствия подобных воображаемых превращений.

Только что описанная картина служит примером глобального калибровочного преобразования. Оно глобально, так как “поворот ручки” изменяет природу каждого электрона и каждого нейтрино во всей Вселенной. В предыдущей главе мы видели, как переход от глобальной калибровочной симметрии к локальной приводит к возникновению силовых полей, необходимых для компенсации изменяющихся от точки к точке калибровочных преобразований. Меняя калибровку местоположения в каждой точке, мы пришли к необходимости ввести понятие гравитационного ноля. Глобальное калибровочное преобразование, производимое волшебной ручкой, также можно превратить в локальное калибровочное преобразование. Вообразим, что в каждой точке пространства имеется своя волшебная ручка и что все ручки установлены в различных положениях. В таком случае для поддержания симметрии необходимы новые силовые поля, компенсирующие хаотическую установку ручек от точки к точке. Оказывается, что эти новые силовые поля точно описывают слабое взаимодействие. Соответствующая калибровочная симметрия гораздо сложнее, чем в случае электромагнитного взаимодействия; это усложнение выражается в том, что для поддержания симметрии необходимы три новых силовых поля, в отличие от единственного электромагнитного поля. Нетрудно получить и квантовое описание этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц—переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля.

Насколько точно эти поля описывают слабое взаимодействие? Они призваны компенсировать изменение от точки к точке степени смешивания электронов и нейтрино. (Теория Вайнберга—Салама применима также к другим лептонам и кваркам.) Это означает, что при испускании или поглощении кванта поля, природа частицы тут же изменяется. Электрон может превратиться в нейтрино, нейтрино – в электрон. Именно так и происходит под действием слабых сил.

На рис. 17 показан типичный процесс, обусловленный слабым взаимодействием. Экспериментатор наблюдает его при столкновении (рассеянии) нейтрона (n) и нейтрино (нюе), когда обе частицы превращаются в протон (р) и электрон (е). При более детальном описании с использованием частиц-переносчиков d-кварк в нейтроне превращается в u-кварк (тем самым нейтрон превращается в протон) с испусканием виртуальной частицы (на диаграмме показана пунктиром), которая затем поглощается нейтрино (при этом нейтрино превращается в электрон). Так как протон обладает положительным электрическим зарядом, виртуальная частица должна уносить отрицательный заряд (по закону сохранения электрического заряда). Этот отрицательный заряд “оседает” на электроне. Отрицательно заряженный переносчик слабого взаимодействия получил название W–чacтицы. Должна существовать и положительно заряженная античастица W+, которая служила бы переносчиком слабого взаимодействия, например, от антинейтрона к антинейтрино.

Рис.17. В процессе слабого взаимодействия, происходящего при столкновении нейтрона (n) с нейтрино (нюе), они превращаются в протон (р) и электрон (е-). Тщательный анализ показывает, что это превращение происходит в результате обмена тяжелой заряженной частицей (промежуточным векторным бозоном W-) Обмен W– соответствует превращению нейтрона в протон, причем в момент испускания изменяется аромат одного из образующих нейтрон кварков (d -> и)

Частицы W+ и W– являются переносчиками двух из трех связанных со слабым взаимодействием полей, предсказанных теорией Вайнберга – Салама. Третье поле соответствует электрически нейтральной частице-переносчику, получившей название Z-частицы. Когда теория Вайнберга – Салама была сформулирована впервые, мысль о нейтральной частице – переносчике слабого взаимодействия была новой. Существование Z-частицы означало бы, что слабое взаимодействие могло бы не сопровождаться переносом электрического заряда. Пример такого процесса приведен на рис. 18: электрон и нейтрино рассеиваются, обмениваясь Z-частицей. В 1973 г. в длительном эксперименте, проведенном в ЦЕРНе, было продемонстрировано существование нейтральных переносчиков слабого взаимодействия. Этот результат поднял престиж теории Вайнберга – Салама.

Несмотря на столь счастливое согласие между теорией и экспериментом, описанию слабого взаимодействия как калибровочного поля еще предстояло преодолеть серьезное препятствие. Дело в том, что калибровочные поля по своей природе дальнодействующие, казалось, что теория неизбежно должна предсказывать нулевую массу покоя частиц-переносчиков, как в случае фотона. В действительности же слабое взаимодействие существует лишь на очень малых расстояниях, и частицы – переносчики слабого взаимодействия имеют огромную массу. Если в теории W– и Z-частицам просто приписать какую-нибудь массу, то калибровочная инвариантность нарушится. Как наилучшим образом совместить несовместимое – калибровочную симметрию и частицы-переносчики с ненулевой массой покоя?

Рис.18. Теория Ваинберга—Салама предсказывает, что электроны могут рассеивать нейтрино, обмениваясь с ними электрически нейтральным переносчиком слабого взаимодействия – промежуточным векторным бозоном Z. Экспериментальное подтверждение такого процесса было получено в середине 70-х годов,

Решение этой головоломки было найдено Вайнбергом и Саламом в 1967 г. В основе его лежала остроумная идея, получившая название спонтанного нарушения симметрии. Вот как оно происходит.

Представим себе гладкую поверхность в форме мексиканского сомбреро, покоящегося на горизонтальном основании (рис. 19). Поместим на верхушку “сомбреро” шарик. В такой конфигурации система обладает очевидной симметрией, а именно: она не меняет своего вида при поворотах вокруг вертикальной оси, проходящей через центр шляпы. Если рассматривать только гравитацию, то никакого выделенного горизонтального направления здесь нет (гравитация действует по вертикали); все точки на полях сомбреро равнозначны.

Рассматриваемая система симметрична, но не устойчива. Стоит шарику тронуться с места, как он скатится вниз и остановится где-то на полях “сомбреро”. Как только это произойдет, симметрия системы нарушится. Шарик остановится в определенном месте на полях шляпы, задав тем самым выделенное горизонтальное направление от центральной оси. Устойчивость оплачена нарушением симметрии. В устойчивой конфигурации исходная вращательная симметрия сил (в нашем случае – гравитации) по-прежнему существует, по в скрытом виде. Наблюдаемое состояние системы не отражает симметрии тех взаимодействий, которые проявляются в системе.

Ту же общую идею использовали Вайнберг и Салам, хотя симметрия на этот раз была калибровочной, а не вращательной, и спонтанное нарушение соответствовало квантовому состоянию силовых полей. Таким образом, в теории Вайнберга и Салама поля по-прежнему обладают фундаментальной симметрией, по не могут нормально существовать в состоянии, обладающем этой симметрией, так как это состояние неустойчиво. Поэтому поле “выбирает” устойчивое состояние, в котором симметрия нарушена, а частицы – переносчики слабого взаимодействия обладают массой. Естественно, в деталях теория гораздо сложнее примера с “мексиканским сомбреро”, но основная идея все та же: симметрия по-прежнему присуща фундаментальным законам, но не проявляется в реальном состоянии системы. Именно поэтому физикам не удавалось обнаружить эту крайне важную калибровочную симметрию в течение тридцати пяти лет исследований слабого взаимодействия.

Чтобы получить решающее спонтанное нарушение симметрии, Вайнберг и Салам ввели в теорию дополнительное поле – так называемое поле Хиггса (в честь Питера Хиггса из Эдинбургского университета, который ранее изучал спонтанное нарушение симметрии в физике элементарных частиц). Никто никогда не видел поля Хиггса, но его наличие может оказывать решающее влияние на поведение калибровочных полей. В примере с сомбреро симметричное состояние – с шариком на самой верхушке шляпы – неустойчиво. Шарик “предпочитает” скатиться на поля, так как у состояния с нарушенной симметрией более низкая энергия. Аналогичным образом свойства поля Хиггса таковы, что состоянию с наименьшей энергией соответствует нарушение симметрии. Именно благодаря связи между полем Хиггса и калибровочными полями у W– и Z-частиц возникает масса. Теория Вайнберга – Салама предсказывает также существование частицы Хиггса – кванта поля Хиггса, или бозона Хиггса – с нулевым спином и большой массой.

Рис.19. Спонтанное нарушение симметрии. Шарик помещен на вершину поверхности, имеющей форму мексиканского сомбреро. Такая система обладает полной вращательной симметрией, но она неустойчива, и шарик самопроизвольно скатывается на поля “сомбреро”, останавливаясь в произвольной точке. Вращательная симметрия при этом нарушается. Система обретает устойчивость ценой потери симметрии.

Воспользовавшись идеей спонтанного нарушения симметрии, Вайнберг и Садам сделали следующий важный шаг, соединив электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля. Чтобы единая теория включала поля обоих типов, необходимо было начать с более сложной калибровочной симметрии, которая сочетает в себе и более простую калибровочную симметрию электромагнитного взаимодействия и изотопическую симметрию слабого взаимодействия. Таким образом, в теории Вайнберга – Салама представлено всего четыре поля; электромагнитное поле и три поля, соответствующие слабым взаимодействиям. Следующий шаг состоял во введении поля Хиггса, которое могло бы вызвать спонтанное нарушение симметрии. Первоначально W– и Z-кванты не имеют массы, но нарушение симметрии приводит к тому, что некоторые частицы Хиггса сливаются с W– и Z-частицами, наделяя их массой. По образному выражению Салама, W– и Z-частнцы “поедают” частицы Хиггса, чтобы прибавить в весе. Фотоны не участвуют в этом процессе в остаются безмассовыми.

Теория Вайнберга – Салама великолепно объясняет, почему кажется, что электромагнитное и слабое взаимодействия обладают столь непохожими свойствами. В действительности фундаментальная структура их силовых полей во многом одинакова: и электромагнитное, и слабые поля – калибровочные. Различия в их свойствах обусловлены нарушением симметрии. Мы не замечаем калибровочную симметрию слабого поля, поскольку она скрыта от нас нарушением симметрии.

Между электромагнитным и слабым взаимодействиями есть еще одно существенное различие – это их величина. Почему слабое взаимодействие имеет столь малую величину? Теория Вайнберга—Салама объясняет это. Если бы симметрия не нарушалась, то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Нарушение симметрии влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия. Действительно, величина слабого взаимодействия непосредственно связана с массами W и Z-частнц. Можно сказать, что слабое взаимодействие имеет столь малую величину потому, что W– и Z-частицы очень массивны.

После того как Вайнберг и Салам в конце 60-х годов опубликовали свою теорию, одна важная теоретическая проблема оставалась нерешенной. Будет ли теория Вайнберга – Салама перенормируемой? Произойдет ли чудо, позволившее КЭД избавиться от бесконечностей, с объединением электрослабых калибровочных полей? Решением этой проблемы в начале 70-х годов занялся Герхард Хоофт из Утрехтского университета. Задача оказалась необычайно трудной. Потребовались сложные и громоздкие вычисления большого числа членов длинной последовательности, чтобы выяснить, где могут возникнуть серьезные бесконечности. В известной мере работу облегчало использование компьютера. Впоследствии Хоофт поведал о том, с какой тревогой он изучал результаты, полученные с компьютера:

Несколько простых моделей дали обнадеживающие результаты. В этих особых случаях все бесконечности взаимно уничтожались независимо от числа калибровочных частиц, участвующих в обмене, и количества петель в диаграммах Фейнмана. Решающей могла бы стать проверка теории с помощью компьютерной программы, вычислявшей бесконечные члены во всех возможных диаграммах с двумя петлями. Результаты такой проверки, были получены к июлю 1971 г.: программа выдала нескончаемую последовательность нулей. Все расходящиеся члены взаимно сократились.

Ясно, что решающее значение для исключения бесконечностей имела высокая степень симметрии, заложенная в электрослабой теории. Физики извлекли из этого хороший урок.

Теперь предстояло лишь выполнить окончательную экспериментальную проверку новой теории. Наиболее убедительная проверка заключалась в подтверждении существования пока еще "гипотетических W– и Z-частиц.

В лабораторных условиях W– и Z-частицы в большинстве случаев не наблюдаемы. Они остаются виртуальными частицами – переносчиками взаимодействия, которыми обмениваются другие частицы. Но если сообщить системе достаточно большую энергию, то это позволит погасить “кредит Гейзенберга”, обеспечивающий мимолетное существование W– и Z-частиц, и они могут обрести “реальность”, т.е. разлетятся и будут существовать независимо. Так как W– и Z-частицы очень массивны (примерно в 90 раз массивнее протона), для их высвобождения требуется огромная энергия; поэтому наблюдать рождение и идентифицировать W-и Z-частицы стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа.

Открытие в 1983 г. W– и Z-частиц означало торжество теории Вайнберга – Салама. Не было больше нужды говорить о четырех фундаментальных взаимодействиях. Казавшиеся при поверхностном рассмотрении никак не связанными между собой электромагнитное и слабое взаимодействия в действительности были просто двумя компонентами единого электрослабого взаимодействия. За выдающиеся достижения Вайнберг и Салам были удостоены в 1979 г. Нобелевской премии по физике, разделив ее с Шелдоном Глэшоу из Гарвардского университета, который ранее заложил основы этой теории.

Вдохновленные блестящими достижениями теории электрослабого взаимодействия, физики заинтересовались возможностью дальнейшего объединения: а что если в природе существуют всего два фундаментальных взаимодействия или даже единственная суперсила? Незадолго до этого тщательному анализу подвергалось сильное взаимодействие.

Вскоре после того, как успех теории Вайнберга – Салама стал очевиден, возникла идея дальнейшего объединения – слияния сильного взаимодействия с электрослабым. Но прежде чей такое объединение могло бы осуществиться, сильному взаимодействию следовало придать черты калибровочного поля. Мы уже знаем, что сильное взаимодействие можно представлять как результат обмена глюонами, который обеспечивает связь кварков попарно или тройками в адроны. Описание такого процесса на языке калибровочных полей можно построить, вновь воспользовавшись обобщенным представлением об изотопической симметрии.

Суть идеи состоит в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля. За неимением лучшего термина это? “заряд” назвали цветом. (Разумеется, это название не имеет никакого отношения к обычному цвету.) Электромагнитное поле порождается зарядом только одного сорта, а для создания более сложного глюонного поля потребовалось три различных цветовых заряда. Каждый кварк соответственно мог быть одного из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим.

Связанную с этими цветами калибровочную симметрию наглядно можно представить, снова воспользовавшись “волшебной ручкой”, позволяющей смешивать цвета кварков. В данном случае ручка имеет три указателя цвета – красный, зеленый и синий (рис. 20), – а не два. Поворот ручки превращает красные кварки в зеленые или синие в зависимости от направления вращения. И в этом случае превращение происходит непрерывно: красный цвет постепенно переходит в синий и т.д.

Далее теория сильного взаимодействия развивается по тому же сценарию, что и теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии – инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства – приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Так как на этот раз “волшебная ручка” имеет не два, а три указателя, симметрия оказывается более сложной, что отражается в большем числе 'полей, необходимых для поддержания локальной калибровочной симметрии. Всего требуется восемь новых компенсирующих силовых полей. Частицами – переносчиками этих полей, разумеется, являются глюоны, и, таким образом, из теории следует, что должно быть восемь различных типов глюонов. Это изобилие резко отличается от одного-единственного переносчика электромагнитного взаимодействия (фотона) и трех переносчиков слабого взаимодействия (W+ -,W– и Z-частицы).

Антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние. Сами глюоны также несут различные цвета, но не чистые, а смешанные, например сине-антизеленый. Когда кварк испускает глюон, его цвет изменяется в зависимости от цвета глюона. Например, красный кварк может, испустив красно-антисиний глюон, изменить свой цвет на синий. Аналогично зеленый кварк, поглотив сине-антизеленый глюон, превращается в синий и т.д.

Итак, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением природы кварка, например превращением красного кварка в зеленый. В этом отношении сильное взаимодействие напоминает слабое, при котором испускание W-частицы сопровождает, скажем, превращение электрона в нейтрино. Кварки участвуют как в сильном, так и в слабом взаимодействии, но изменение природы кварка, сопровождающееся испусканием переносчика слабого взаимодействия, отличается от того, что происходит с кварком при испускании глюона. В то время как глюоны изменяют цвет кварка, слабое взаимодействие изменяет его аромат. Например, при распаде нейтрона один из его d-кварков испускает W–частицу, превращаясь в u-кварк. Важно помнить, что кварки обладают и цветом, и ароматом, и не путать эти их характеристики.

В типичном адроне (например, в протоне) три кварка постоянно обмениваются глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения не носят произвольный характер. Математический аппарат теории накладывает жесткое ограничение в виде очень важного правила, которому должна неукоснительно следовать эта “игра цветов”. В любой момент времени “суммарный” цвет трех кварков должен представлять собой сумму “красный + зеленый + синий”. Продолжая аналогию с реальным цветом, можно сказать, что комбинация цветов в адроне должна всегда давать белый цвет (смешение первичных цветов, красного, зеленого и синего, дает белый цвет). Итак, мы видим фундаментальную калибровочную симметрию “за работой”. Действие глюонных полей компенсирует внутренние изменения цветов кварков, неизменно сохраняя чисто белым цвет адрона.

Рис.20. Волшебная ручка с тремя указателями позволяет объяснить более сложную калибровочную симметрию, связанную с цветом кварков. Вращение ручки не сказывается на взаимодействии кварков (осуществляемом путем обмена глюона), но приводит к изменению цветов красного (R), синего (B) и зеленого (G) кварков.

Адроны могут состоять из пар кварк – антиквзрк. Это так называемые мезоны. Так как антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо бесцветна (“белая”). Например, красный кварк в комбинации с антикрасным кварком образует бесцветный мезон. В этой схеме все лептоны также лишены цвета, поскольку не взаимодействуют с глюонным полем.

Квантовая теория цвета, или квантовая хромодинамика (КХД), великолепно объясняет правила, которым подчиняются комбинации кварков (первоначально, в 60-х годах, эти правила специально, ad hoc, вводились на каждый случай). С точки зрения КХД сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать абстрактную симметрию природы; в данном случае это сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Стоит потребовать существования в природе такой абстрактной калибровочной симметрии, как неизбежно возникнут глюонные поля. Нам нет нужды измышлять их – они автоматически вытекают из математических выкладок.

Сильное взаимодействие имеет еще одну важную особенность, о которой пока не упоминалось Когда теория кварков только появилась, казалось, что произвести экспериментальную проверку ее не очень сложно. Необходимо лишь раздробить адрон на части и продемонстрировать составляющие его кварки Изолированный кварк должен сразу “бросаться в глаза”, поскольку его электрический заряд составляет либо 1/3 либо 2/3 заряда любой другой частицы.

С тех пор один за другим вступали в строй все более крупные ускорители, но “расщепить” адрон на составные части так и не удалось, и у физиков возникли сомнения в справедливости теории кварков. Действительно, коль скоро кварки существуют внутри протона, то должна же быть возможность выбить их оттуда при достаточно сильном соударении с протоном. Но даже при соударениях с энергией, многократно превосходящей его массу покоя, протон все равно никак не расщеплялся. При таких столкновениях появлялся лишь поток новых целехоньких адронов. Наблюдать отдельные кварки так и не удалось.

Альтернативная стратегия поиска кварков состояла в том, чтобы обратиться к самой природе. Если кварки существуют, то разумно предположить, что где-то они возникли в природе. Возможно, что при образовании вещества сначала появились кварки, из которых затем возникли адроны. Не исключено, что при этом нескольким кваркам не хватило партнеров и они в одиночестве блуждают во Вселенной. Но если эта гипотеза верна, то в результате анализа обычного вещества можно обнаружить эти одиночные кварки, все еще блуждающие где-то неподалеку.

Таким анализом решил заняться Уильям Фейрбэнк из Станфордского университета. „Он тщательно изучил небольшие образцы природных минералов, в частности ниобия, с целью выяснить, не содержат ля они частицы с электрическим зарядом 1/3 или 2/3. Для этого Фейрбэнк наблюдал за поведением образцов в сильном электрическом поле. Он повторял тщательные эксперименты на протяжении ряда лет и не раз сообщал о положительных результатах. В некоторых образцах, по утверждениям Фейрбэнка, присутствовали частицы с дробным электрическим зарядом. Однако аналогичные эксперименты в других лабораториях не подтвердили результатов Фейрбэнка и многие физики относятся к его сообщениям скептически. Означает ли это, что у физиков есть сомнения относительно существования кварков? Отнюдь! Растет убеждение, что кварки могут существовать только внутри адронов. Если так, то должен быть закон природы, запрещающий существование изолированных кварков. Когда мы пытаемся “извлечь” кварк из адрона, что-то должно препятствовать его полному удалению из адрона. Возможно, таким препятствием оказывается глюонное поле. Очевидно, кварки внутри адрона связаны столь крепко, что никакие силы в мире не в состоянии разорвать эти связи и освободить кварки. Физики говорят, что кварки навсегда “заточены” внутри адронов, и называют придуманное впоследствии объяснение этого факта проблемой конфайнмента, или удержания.

Главный вызов теории бросает проблема удержания кварков в рамках калибровочных полей. Если бы удалось создать отдельный кварк, то он обладал бы определенным цветовым зарядом – красным, зеленым или синим. Но поскольку кварки удерживаются внутри адронов, мы не наблюдаем первичных цветов, а только ! “белые”, бесцветные, комбинации. Если удержание постоянно, то это означает, что по каким-то причинам природа запрещает появление “голого” цвета. Действует своеобразная цензура. Это объясняет, почему могут существовать изолированные лептоны, а не кварки: дело в том, что лептоны бесцветны.

А что произойдет, если попытаться просто-напросто силой вытолкнуть кварк из адрона? Каким суперклеем он удерживается там так прочно, что никогда не освобождается?

Важный ключ к разгадке природы взаимодействия между кварками был получен в экспериментах на СЛАКе (о которых мы упоминали ранее) при бомбардировке протонов электронами очень высоких энергии. Результаты экспериментов свидетельствовали о том, что на коротких расстояниях взаимодействие ослабевает и кварки по существу ведут себя, как свободные частицы. Более содержательную информацию удается извлечь из свойств мезонов, в которых кварк и антикварк образуют связанную систему, напоминающую атом водорода. Исследуя возбужденные состояния атома водорода, можно сделать вывод, что, поскольку электрическая сила, действующая между протоном и электроном, подчиняется закону обратных квадратов, их взаимное притяжение быстро уменьшается с расстоянием. Аналогичные исследования возбужденных состояний мезонов свидетельствуют о прямо противоположной ситуации. Если две частицы удаляются на большое рас" стояние и переходят в состояние с более высокой энергией, взаимодействие между ними не ослабевает, а усиливается.

Из полученных результатов следует, что взаимодействие между кварками носит странный характер. Все известные взаимодействия ослабевают с увеличением расстояния, тогда как в случае сил, действующих между кварками, наблюдается обратная картина. Они ведут себя, как кусок резины, который сопротивляется растяжению тем сильнее, чем больше его растягивают, и становится свободным, когда концы сближаются. Другой аналогией может служить цепь – кажется, что кварки внутри адронов скованы цепями. Когда кварки находятся близко друг к другу, цепи не ощущаются, и кварки в узких пределах ведут себя свободно и независимо. Но стоит лишь одному из кварков предпринять “попытку к бегству”, как цепь натягивается и резко тянет его назад. Физики называют эту ситуацию заточением или удержанием кварков.

Как только идея удержания кварков получила всеобщее признание, возникла мысль, способна ли КХД объяснить его. Вычисления оказались чрезвычайно трудными, хотя и выявили ряд обнадеживающих моментов. С физической точки зрения удалось в общих чертах понять, каким образом взаимодействие между кварками усиливается с ростом расстояния.

Основное различие между электромагнитным полем, в котором сила убывает с увеличением расстояния, и глюонным полем состоит в том, что фотоны не имеют электрического заряда. Если бы у них был электрический заряд, то мир изменился бы до неузнаваемости. В отличие от фотонов глюоны несут цветовой “заряд” в различных комбинациях, например в комбинации красно-антизеленый. Но цвет – источник сильного взаимодействия. Следовательно, глюоны не только соединяют кварки, но и стремятся соединиться друг о другом. Это существенно усложняет ситуацию, но тщательный анализ приводит к мысли, что эта универсальная “липкость” глюонов, возможно, является ключом к объяснению удержания кварков.

Чтобы уяснить это, нам придется вернуться к понятию квантового вакуума. Посмотрим прежде всего, что произойдет с электроном, если его поместить в вакуум. Напомним, что пространство вокруг электрона в действительности не пусто, а заполнено виртуальными частицами всевозможных сортов, в том числе виртуальными электронами и виртуальными позитронами. Хотя мы непосредственно не наблюдаем эти виртуальные частицы, известно, что они тем не менее существуют и могут создавать физические эффекты. Электрон, помещенный в вакуум, также “узнает” об их существовании, так как они “отзовутся” на его появление. Электрическое поле электрона внесет возмущения в поведение виртуальных электронов и позитронов на протяжении их недолгого существования. Виртуальные позитроны будут притягиваться к электрону под действием силы электрического притяжения, а виртуальные электроны – отталкиваться от него. В распределении заряда возникает смещение, называемое поляризацией. То, что пустое пространство в присутствии электрического поля может стать электрически поляризованным, является любопытным следствием квантовой теории. Трудно представить себе вакуум, обладающий электрическими свойствами, однако поляризация вакуума – эффект вполне реальный и его нетрудно измерить экспериментально.

Поляризация вакуума приводит к тому, что вокруг электрона в вакууме возникает своего рода экран, нейтрализующий действие электрического заряда. Избавиться от этого экрана электрон никак не может, поскольку он является неотъемлемой частью облака виртуальных частиц, окружающих все электроны. Вследствие экранирования эффективный заряд электрона издали кажется меньше реального. Введя зонд внутрь облака, мы почувствовали бы “голый” электрон, имеющий гораздо больший заряд. По мере проникновения зонда в облако мы обнаружим, что простой закон обратных квадратов, выполняющийся на некотором расстоянии от заряда, перестает быть справедливым из-за облака виртуальных позитронов, окутывающих электрон. Таким образом, поляризация вакуума, или вакуумная экранировка, может изменить характер зависимости силы от расстояния.

Экранировка возникает и в глюонном поле, где она приводит к изменению цветового заряда кварков. Виртуальные антикварки стремятся облепить кварк “противоположного” цвета. Например, красный кварк притягивает облако антикрасных антикварков. Как и в случае электромагнитного взаимодействия, происходит частичная нейтрализация цветового заряда. Однако на этот раз Дополнительный вклад в поляризацию вакуума вносят глюоны.

Поскольку глюоны также обладают цветом, виртуальные глюоны в вакууме “откликаются” на присутствие кварка. Оказывается, что глюонное облако действует не так, как облако кварков: оно стремится не нейтрализовать, а усилить цветовой заряд центрального кварка. Поэтому действие виртуальных глюонов противоположно действию виртуальных кварков, и, как показывают детальные вычисления, глюоны одерживают верх: в итоге совместного действия виртуальных глюонов и кварков вакуум усиливает цветовой заряд центрального кварка, а не ослабляет его.

Это обстоятельство оказывает серьезное влияние на взаимодействие кварков. Когда кварк проникает в облако виртуальных частиц своего “партнера”, эффективный цветовой заряд кварка внутри облака ослабевает, и взаимодействие уменьшается. Вторгшись внутрь облака, кварк избавляется от взаимодействия с другими кварками. Ослабевая, взаимодействие между кварками утрачивает свою силу. Подобная ситуация прямо противоположна той, с которой мы сталкиваемся в электромагнетизме, и как раз пригодна для объяснения пленения ксарков.

Было бы преждевременно предсказывать КХД беспрецедентный успех, сопутствовавший КЭД на протяжении более сорока лет ее существования. Тем не менее достижения КХД весьма впечатляющи. Еще в 60-е годы физика адронов казалась запутанным переплетением сил и необузданных частиц. КХД распутала этот клубок, заложив простые основы теории адронов со сравнительно небольшим числом параметров.

С появлением КХД все существующие в природе взаимодействия, наконец, приобрели единое описание на основе калибровочных полей. Это принесло новые надежды. Успешное объединение слабого и электромагнитного взаимодействий в рамках теории калибровочных полей подсказало возможность дальнейшего объединения. В 1973 г. Шелдон Глэшоу и Говард Джорджи опубликовали теорию, в которой новое электрослабое взаимодействие сливалось б сильным (глюонным) в великое единое взаимодействие. Это была первая теория Великого объединения, ТВО. Ныне существует несколько конкурирующих ТВО, но все они основаны на одной и той же идее.

Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны великого единого взаимодействия, то последнему должно соответствовать калибровочное поле с детально разработанной симметрией, достаточно широкой, чтобы охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся в КХД и теории Вайнберга – Салама. Отыскание такой симметрии – задача математики. Единой симметрии, которая обладала бы всеми нужными свойствами, не существует, отсюда и обилие конкурирующих теорий. Тем не менее все ТВО имеют ряд общих особенностей.

Одна из них состоит в том, что кварки, источники (носители) сильного взаимодействия, и лептоны, источники (носители) электрослабого взаимодействия, включаются в единую теоретическую схему. До сих пор кварки и лептоны рассматривались как совершенно различные объекты, так что их включение в единую теорию было совершенно новой идеей. Оно ознаменовало еще один важный шаг на пути к объединению.

Калибровочные симметрии, входящие в ТВО, можно наглядно представить с помощью все той же “волшебной ручки”, перемешивающей природу частиц, но с большим числом указателей. Вместо двух указателей, как в случае электрослабого взаимодействия, и трех – в случае КХД, теперь требуется пять указателей. От поворота ручки ТВО зависит очень многое. Ручки с пятью указателями позволяют делать то, что было не под силу ручкам с меньшим числом указателей: превращать кварки в лептоны и даже в антикварки, т.е. осуществлять переходы, абсолютно запрещенные в прежних теориях.

Как и прежде, требование, чтобы в природе с помощью компенсирующих полей соблюдалась абстрактная калибровочная симметрия (на этот раз более широкая), приводит нас к открытию (чисто теоретическому) новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например способностью превращать кварки в лептоны. В простейшем варианте ТВО, предложенном Джорджи и Глэшоу, волшебная ручка связывает вместе красные, зеленые и синие d-кварки, позитрон и антинейтрино. Для этого требуется двадцать четыре поля. Двенадцать из квантов этих полей уже известны: фотон, две W-частицы, Z-частица и восемь глюонов.

Остальные двенадцать квантов – новые, объединенные общим названием Х-частицы. Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами (это соответствует положениям волшебной ручки, при которых происходит смешивание, например, красного d-кварка и позитрона). Следовательно, кванты этих полей, Х-частицы, могут превращать кварки в лептоны (и наоборот), если те обмениваются ими как переносчиками взаимодей-ствия. Электрический заряд Х-частиц равен 1/3 и 4/3.

Проследим теперь за судьбой типичного адрона, который испытывает на себе действие этих необычных Х-частиц. В качестве такого адрона удобно выбрать протон, состоящий из двух u-кварков и одного d-кварка. d- Кварк смешивается с позитроном посредством великой калибровочной симметрии Великого объединения в может превращаться в позитрон путем обмена Х-частицей с нужными характеристиками, в данном случае с надлежащим цветовым зарядом и электрическим зарядом —4/3. Эта Х-частица должна быть передана какой-то другой частице, которой может служить один из u-кварков протона. Поглощая Х-частицу, и-кварк превращается в антии-кварк.

Происходит нечто замечательное. То, что в самом начале было комбинацией двух u-кварков и одного d-кварка, превратилось в позитрон и пару кварк – антикварк. Позитрон не участвует в сильном взаимодействии и поэтому вылетает из адрона, тогда как оставшаяся пара кварк – антикварк образует уже не протон, а мезон (точнее, пион). С точки зрения экспериментатора, эта последовательность событий выглядит как распад протона на позитрон и пион.

На протяжении всей истории физики элементарных частиц незыблемым правилом всегда оставалась абсолютная стабильность протона. Ведь обычное вещество построено из протонов. Предсказание ТВО, что протон может оказаться нестабильным и распадаться, было ошеломляющим. Из него следует, что все вещество в конечном счете нестабильно и, следовательно, не вечно – вывод, безусловно, чрезвычайно глубокий.

В начале зимы 1974г. я ехал на машине из Лондона на конференцию в Резерфордовскую лабораторию, расположенную близ Оксфорда. Одним из моих попутчиков был Абдус Садам, и разговор зашел о содержании доклада, с которым он собирался выступить. Салам сказал, что у него есть кое-какие идеи о возможности распада протонов. Помню, что сама мысль о распаде протона смутила меня, и я отнесся к ней не без изрядной доли скептицизма. В назначенное время Салам сделал свой доклад, который оказался весьма пророческим. Но эта конференция запомнилась мне беседой с Стивеном Хокингом из Кембриджского университета, который сообщил о своем сенсационном открытии; ему удалось доказать, что черные дыры неустойчивы и в конце концов взрываются, создавая потоки радиации. Небезынтересно, что процесc Хокинга, как стало ясно автору открытия спустя несколько лет, может также вызвать распад протона. Квантовые эффекты позволяют протону путем спонтанного туннелирования превращаться в виртуальную черную дыру, которая затем испаряется (что описывается процессом Хокинга), испуская при этом позитрон. Однако распад протона через черную дыру менее вероятен, чем по схеме ТВО.

Ясно, что внезапное исчезновение протона – событие, которое не может не привлечь острого внимания специалистов по физике элементарных частиц; в этой связи возникает вопрос, почему распад протона не был открыт давным-давно. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо выяснить, какую скорость распада предсказывает теория. Исследование радиоактивности показывает, что период полураспада может изменяться в широких пределах

в зависимости от силы взаимодействия, вызывающего распад, и масс, участвующих в распаде частиц. В случае распада протона решающее значение имеет масса Х-частицы, которая, согласно “правилам игры”, определяет ее пробег. Если Х-частица очень массивна, то сфера ее действия сильно ограничена. Чтобы произошел распад протона, два участвующих в нем кварка должны сблизиться на расстояние, при котором возможен обмен Х-частицей, а это происходит чрезвычайно редко. По этой причине распад протона не наблюдался на опыте. Используя самые точные из имеющихся на сегодня оценок периода полураспада протона и решая обратную задачу, физики пришли к заключению, что масса Х-частицы составляет примерно 1014 масс прочена, т.е. колоссальную величину, по сравнению с которой масса самой тяжелой из известных ныне частиц, Z, равная примерно 90 массам протона, пренебрежимо мала.

Прежде чем подробнее остановиться на столь ошеломляющей цифре, необходимо разрешить один кажущийся парадокс. Возможно, читателя обескуражит утверждение, что протон может содержать внутри частицу – переносчик взаимодействия, которая в 1014 раз тяжелее его самого. Это кажущееся противоречие разрешает принцип неопределенности Гейзенберга. Напомним, что Х-частица существует лишь короткое мгновение, на протяжении которого два кварка, сблизившиеся до очень малого расстояния, обмениваются ею. На протяжении столь коротких интервалов времени энергия, а следовательно, и масса будут иметь громадную неопределенность.

С помощью принципа неопределенности квантовая теория устанавливает связь между энергией (или массой) и расстоянием. Следовательно, масштаб масс автоматически определяет масштаб расстояний. Физические явления, происходящие в некотором пространственном масштабе, – это процессы, играющие важную роль при определенной энергии (или массе). Именно 'поэтому для исследования происходящего на малых расстояниях необходимы ускорители частиц очень высоких энергий. Масштаб масс Х-частиц задает соответствующий пространственный масштаб – грубо говоря, расстояние, которое проходят Х-частицы, перенося взаимодействие. Это расстояние равно примерно 10-29 см. Таков пробег Х-частиц; его величина говорит о расстоянии, на которое должны сблизиться два кварка, чтобы произошел обмен Х-частицей, приводящий к распаду протона. 10-29 см по сравнению с размером протона – это примерно то же, что пылинка по сравнению с Солнечной системой. Масштаб пространства, где господствуют ТВО и происходит распад протона, в триллионы раз мельче мира кварков и глюонов, который нам до сих пор удавалось исследовать с помощью ускорителей. Он напоминает вселенную внутри протона, которая недоступна нам в силу своей малости, как недоступны внегалактические пространства из-за их удаленности. Для прямого зондирования этой Лилипутии при шлось бы построить ускоритель, превосходящий по своим размерам Солнечную систему.

Любая полная теория существующих в природе взаимодействий должна объяснять относительную величину каждого из них. Создатели ТВО быстро продемонстрировали, каким образом их теория могли бы объяснить огромное различие в величинах электрослабого и сильного взаимодействий. Реальная величина этих взаимодействий – не то, что измеряют экспериментаторы, наблюдая за превращениями субатомных частиц, поскольку, как уже говорилось, все источники различных полей экранируются вследствие поляризации вакуума. Экранировка приводит к тому, что электромагнитное взаимодействие на малых расстояниях усиливается, а сильное – ослабевает, и их величины выравниваются. Когда величина слабого взаимодействия подобрана так, чтобы произошло нарушение симметрии, это взаимодействие вклинивается между двумя другими и, подобно сильному взаимодействию, испытывает антиэкранировку, т.е. ослабевает на малых расстояниях. Интересно оценить, на каком расстоянии все три взаимодействия станут сравнимы по величине. Оно снова оказывается равным примерно 10-28 см, т.е. в точности совпадает с масштабом расстояний, соответствующим массе Х-частиц. Приятное совпадение.

Результат этого анализа заключается в следующем: при ультра высоких энергиях (что эквивалентно ничтожно малым расстояниям) электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия сливаются в одно взаимодействие и различие между кварками и лептонами исчезает. Взаимодействия и частицы в мире нашего опыта воспринимаются нами как совершенно различные явления, поскольку мы исследуем вещество при сравнительно низких энергиях. Физики называют величину, равную 1014 массам протона, масштабом объединения. Значение этого числа поистине потрясает.

Прежде чем двигаться дальше, необходимо оценить состояние теорий Великого объединения. Создавая Великое объединение трех взаимодействий, ТВО существенно уменьшают число произвольных параметров, используемых для описания природы. Менее амбициозная теория Вайнберга – Салама содержит постоянные, значения которых можно определить из эксперимента. В ТВО некоторые из этих чисел уже нельзя задать ad hoc, а следует определить из теории.

ТВО обладают и некоторыми неожиданными преимуществами. Одно из них – возможность объяснить старую загадку: почему электрические заряды всегда кратны одной и той же фундаментальной единице? Если принять заряд электрона за —1, а заряд протона за +1, то наименьший из возможных зарядов, —1/3, имеет d-кварк. Все остальные заряды, независимо от того, являются ли их носителями кварки, лептоны или переносчики взаимодействия, равны небольшому целому кратному этого значения. До создания ТВО было неясно, почему не могут существовать частицы с любым зарядом, например с зарядом, равным л фундаментальных единиц. Единая теория не допускает существования таких зарядов. Жесткие правила отбора допустимых зарядов обусловлены тем, что все частицы принадлежат большим семействам, члены которых могут обмениваться частицами – переносчиками взаимодействия, имеющими заряды, равные фиксированному числу единиц заряда. Например, при распаде протона, когда d-кварк превращается в позитрон и передает заряд —4/3 Х-частице, поглощающий ее м-кварк должен приобрести (в результате поглощения Х-частицы) заряд, соответствующий заряду возникающего при этом антикварка. Вся арифметика должна сходиться. Это означает, что все частицы семейства должны иметь заряды, равные небольшим целым кратным друг друга (или вообще не иметь заряда).

Среди аргументов против различных ТВО называют отсутствие однозначной теории и масштаб объединения, столь далекий, что вряд ли эта теория когда-нибудь будет доступна непосредственной экспериментальной проверке. Как же в таком случае выбрать одну из соперничающих теорий? Если ТВО описывают природу в столь малых масштабах и при столь высоких энергиях, которые мы никогда не сможем наблюдать, то не превратится ли физика в метафизику? Не находимся ли мы в положении Демокрита и других греческих философов, которые без конца размышляли о формах и свойствах атомов, не имея ни малейшей надежды наблюдать их?

Некоторые физики пылко надеются, что это не так, и указывают три спасительные путеводные нити, которые позволяют нам сохранить власть над физикой в масштабе объединения. Рассмотрим каждую из них в отдельности.