К концу 1970-х гг. теоретики оказались на коне, они ликовали и праздновали триумф. Если путь к Стандартной модели был преодолен так стремительно, то какие еще новые миры ожидают ученых? Мечты о теории всего, давно дремавшие, вновь стали просыпаться, и не только в сумеречных уголках коллективного подсознания теоретиков.

Однако калибровочные частицы W и Z по-прежнему никому не удавалось увидеть, и непосредственное их наблюдение все еще казалось устрашающе сложной задачей. Теория давала точное предсказание их масс – приблизительно в девяносто раз больше массы протона. Сложность получения этих частиц была обусловлена простым физическим обстоятельством.

Фундаментальное уравнение теории относительности Эйнштейна, E = mc², говорит, что можно превратить энергию в массу, разогнав частицы до энергий, многократно превышающих их массу покоя. После этого можно направить их в мишень и посмотреть, что получится.

Проблема в том, что энергия, которая доступна для порождения новых частиц при столкновениях со стационарной мишенью, соответствует так называемой энергии центра масс. Для тех, кто не испугается лишней формулы, скажу, что она равна квадратному корню из удвоенного произведения энергии ускоренной частицы и энергии частицы мишени, связанной с ее массой покоя. Представьте, что вы разогнали частицу до стократной энергии массы покоя протона, которая составляет примерно один гигаэлектронвольт (1 ГэВ). Тогда при столкновении со стационарными протонами в мишени энергия центра масс, доступная для создания новых частиц, составит лишь около 14 ГэВ. Эта величина чуть больше энергии центра масс, доступной в самом мощном ускорителе частиц в 1972 г.

Чтобы получить энергии, требуемые для образования массивных частиц, таких как W- и Z-бозоны, необходимо столкнуть два встречных пучка частиц. В этом случае полная энергия центра масс будет равняться просто удвоенной энергии каждого пучка в отдельности. Если каждый из двух сталкивающихся пучков имеет энергию, в сто раз превышающую массу покоя протона, то столкновение даст 200 ГэВ энергии, доступной для превращения в массу новых частиц.

Зачем же тогда строить ускорители со стационарными мишенями вместо коллайдеров? Ответ прост. Если я стреляю пулей в дверь амбара, то более или менее гарантированно во что-нибудь попаду. Однако если я стреляю пулей в другую пулю, летящую навстречу, то мне нужно быть намного более искусным стрелком, чем кто-либо на этом свете, и иметь лучшее ружье, чем любое из произведенных до сих пор, чтобы гарантированно в эту пулю попасть.

Именно такая задача встала перед экспериментаторами в 1976 г., когда наконец они стали воспринимать электрослабую модель достаточно серьезно, чтобы считать, что ее проверка стоит времени, усилий и денег, которые на это потребуются.

Однако никто не знал тогда, как построить установку, позволяющую получить нужную энергию. Ускорять отдельные пучки частиц или античастиц до высоких энергий тогда уже научились. К 1976 г. протоны удавалось разогнать до 500 ГэВ, а электроны – до 50 ГэВ. При более низких энергиях удавалось успешно организовать столкновения электронов и их античастиц, именно так в 1974 г. были открыты новые частицы, содержащие очарованные кварк и антикварк.

Протоны имеют большую массу и, следовательно, большую энергию покоя, поэтому их проще разогнать до высоких энергий. В 1976 г. в ЦЕРН в Женеве был запущен Протонный суперсинхротрон (SPS) – традиционный ускоритель с фиксированной мишенью, работающий с протонным пучком с энергией 400 ГэВ. Однако к моменту его пуска на другом ускорителе в лаборатории имени Ферми возле Чикаго были уже получены протонные пучки с энергией 500 ГэВ. В июне того же года физики Карло Руббиа, Питер Макинтайр и Дэвид Клайн выдвинули на конференции по нейтрино смелое предложение: превратить SPS в машину для столкновений протонов с их античастицами – антипротонами, что потенциально должно было позволить ЦЕРН получить W- и Z-частицы.

Их дерзкая идея состояла в том, чтобы использовать один и тот же кольцевой туннель для ускорения протонов в одном направлении и антипротонов – в другом. Поскольку эти две частицы имеют противоположные электрические заряды, один и тот же ускоряющий механизм будет оказывать на них противоположное действие. Таким образом, на одном ускорителе принципиально возможно получить два высокоэнергетических пучка, циркулирующих по кольцу в противоположных направлениях.

Логика такого предложения была достаточно прозрачна, но с ее воплощением дело обстояло намного хуже. Прежде всего, учитывая силу слабого взаимодействия, для получения даже нескольких W- и Z-частиц потребовалось бы столкновение сотен миллиардов пар протонов и антипротонов. Но никому еще не удавалось получить и собрать достаточно антипротонов, чтобы сформировать из них пучок в ускорителе.

Далее, вам, наверное, представляется, что если два пучка движутся по одному и тому же туннелю в противоположных направлениях, то частицы в них будут сталкиваться друг с другом на всем протяжении туннеля, а не в детекторах, специально разработанных для регистрации и измерения характеристик продуктов столкновений. Однако на самом деле все обстояло совершенно не так. Сечение даже небольшого туннеля в сравнении с размером области, в которой протон и антипротон могут столкнуться, выглядит настолько огромным, что возникла обратная проблема. Казалось невозможным получить достаточно антипротонов и обеспечить, чтобы они и протоны во встречном пучке были достаточно сжаты, чтобы при сведении обоих пучков, направляемых мощными магнитами, наблюдались бы хоть какие-то столкновения.

Убедить директорат ЦЕРН переделать один из самых мощных в мире ускорителей, построенный в кольцевом туннеле длиной почти восемь километров на французско-швейцарской границе, в коллайдер нового типа было бы трудной задачей для большинства людей, но Карло Руббиа – воплощение харизматичной стихии – был на это вполне способен. Мало кто из тех, кто умудрился встать на пути Руббиа, не пожалел об этом впоследствии. На протяжении восемнадцати лет он еженедельно летал между ЦЕРН и Гарвардом, где был профессором. Его кабинет располагался двумя этажами ниже моего, но я всегда знал, когда он находился в городе, потому что мне его было слышно. Помимо того, что идея Руббиа была хороша, пробивая ее, он, по существу, предлагал ЦЕРН превратить SPS из отстающей машины в самый впечатляющий ускоритель мира. Шелдон Глэшоу сказал директорату Центра, побуждая их двигаться вперед: «Вы хотите ходить не спеша – или вы хотите летать?»

И все же, чтобы летать, нужны крылья, и разработка нового метода создания, хранения, разгона и фокусировки пучка антипротонов выпала на долю блестящего физика-ускорительщика из ЦЕРН Симона ван дер Мера. Его метод был настолько хитроумен, что многие физики, впервые услышав о нем, думали, что он нарушает некоторые фундаментальные принципы термодинамики. Характеристики частиц в пучке должны были измеряться в одном месте кольцевого туннеля, после чего на магниты дальше по туннелю поступал сигнал дать множество мелких корректирующих толчков пролетающим частицам пучка, слегка меняя таким образом энергии и импульсы попутных частиц, чтобы все они в итоге сфокусировались в узкий пучок. Этот метод, получивший название стохастического охлаждения, помогал добиться того, чтобы частицы, слегка отклонившиеся от центральной оси пучка, направлялись бы обратно в его середину.

Совместными усилиями ван дер Мер и Руббиа упорно проталкивали проект, и к 1981 г. коллайдер уже работал, как и планировалось, а Руббиа собрал крупнейшую физическую коллаборацию в истории и построил большой детектор, способный разобраться в миллиардах столкновений протонов с антипротонами в поисках горстки возможных W- и Z-частиц. Однако команда Руббиа была не единственной, кто занимался охотой на эти частицы. В ЦЕРН была собрана еще одна коллаборация и построен еще один детектор. В таких важных экспериментах избыточность представлялась вполне уместной.

Отыскать нужный сигнал среди необъятного фона в этих экспериментах было непросто. Не забывайте, что протоны состоят не из одного кварка и в единичном столкновении протона с антипротоном может произойти множество разных вещей. Более того, ни W-, ни Z-частицы нельзя наблюдать непосредственно, а только по продуктам их распада, в случае W-бозона это электроны и нейтрино. Нейтрино тоже невозможно наблюдать непосредственно. Экспериментаторам следовало суммировать полную энергию и импульс всех исходящих частиц в каждом перспективном событии и искать случаи с большим количеством «пропавшей энергии» – это сигнализировало бы об образовании нейтрино.

К декабрю 1982 г. Руббиа и его коллегам удалось пронаблюдать событие, которое можно было считать кандидатом на обнаружение W-частицы. Руббиа не терпелось опубликовать статью на базе этого единственного события, но его коллеги были осторожнее, и не без оснований. За Руббиа числилась целая серия открытий, которые впоследствии не всегда находили подтверждение. Но пока суд да дело, он по секрету сообщил подробности полученных результатов коллегам по всему миру.

За несколько следующих недель его команда UA1 получила свидетельства еще пяти событий – кандидатов на обнаружение W-бозона, а физики его коллаборации разработали несколько куда более строгих тестов, позволявших надежно подтвердить реальность этих кандидатов. 20 января 1983 г. Руббиа провел в ЦЕРН блестящий и надолго запомнившийся семинар, где и представил полученные результаты. Ему аплодировали стоя, что ясно показывало: полученные данные убедили физическое сообщество. Через несколько дней Руббиа подал в журнал Physics Letters статью, в которой объявил об обнаружении шести W-событий. W-частица была обнаружена, и масса ее в точности соответствовала предсказанной.

Однако поиск на этом не закончился. Предстояло еще обнаружить Z-бозон. Предсказанная для нее масса была немного больше, чем у W-бозона, а потому получить ее сигнал было немного сложнее. Тем не менее примерно через месяц после объявления об открытии W-бозона оба эксперимента начали поставлять данные о Z-событиях, и на базе одного такого четкого события 27 мая того же года Руббиа объявил об открытии Z-частицы.

Калибровочные бозоны электрослабой модели были найдены. Значение этих открытий для укрепления эмпирической базы Стандартной модели лишний раз подчеркнуто тем, что чуть более чем через год после объявления об этих открытиях Руббиа и его коллега по ускорителю ван дер Мер были удостоены Нобелевской премии по физике. Хотя в строительстве и эксплуатации ускорителя и детекторов участвовало огромное количество людей, мало кто осмелился бы отрицать, что без упорства и настойчивости Руббиа и без хитроумного изобретения ван дер Мера это открытие было бы невозможно.

Итак, остался последний не найденный святой Грааль – предсказанная частица Хиггса. В отличие от W- и Z-бозонов, масса бозона Хиггса не устанавливается теорией. Ее связи с веществом и с калибровочными бозонами были предсказаны, поскольку эти связи позволяют фоновому хиггсовскому полю, предположительно существующему в природе, разрушать калибровочную симметрию и придавать массу не только W- и Z-частицам, но и электронам, мюонам и кваркам – вообще всем фундаментальным частицам Стандартной модели, за исключением нейтрино и фотона. Однако ни масса частицы Хиггса, ни сила ее самовзаимодействий по отдельности не определялись заранее по существовавшим на тот момент измерениям. Теория лишь связывала отношение этих величин с измеренной силой слабого взаимодействия между известными частицами.

По консервативным оценкам возможной величины силы самовзаимодействия частицы Хиггса ее масса столь же сдержанно оценивалась как лежащая в диапазоне от 2 до 2000 ГэВ. Верхний предел определялся тем, что, если самосвязывание частицы Хиггса окажется слишком сильным, теория станет относиться уже к сильному взаимодействию и многие расчеты, выполненные с использованием простейшей модели бозона Хиггса, окажутся неверны.

Помимо важной роли бозона Хиггса в разрушении электрослабой симметрии и придании массы другим элементарным частицам, остальные количественные характеристики этой частицы оставались на тот момент экспериментально практически не определенными. Вероятно, именно поэтому Шелдон Глэшоу в 1980-е гг. называл бозон Хиггса «туалетом» современной физики: все знали, что он безусловно существует, но никто не хотел подробно обсуждать его публично.

То, что Стандартная модель не устанавливала заранее многие детали хиггсовского сектора, не мешало большому числу теоретиков предлагать модели, «предсказывавшие» массу частицы Хиггса на основании неких новых теоретических идей. В начале 1980-х гг. всякий раз, когда ускорители повышали доступные ученым энергии, выходили новые физические статьи с предсказаниями, согласно которым частица Хиггса должна непременно обнаружиться, как только новая машина будет включена. Затем этот новый порог преодолевался, но, вопреки предсказаниям, ничего не наблюдалось. Становилось ясно, что для исследования всего возможного пространства параметров придется строить принципиально новый ускоритель.

Все описываемое время я был убежден, что частицы Хиггса не существует. Спонтанное нарушение электрослабой калибровочной симметрии определенно имеет место, потому что W- и Z-частицы существуют и имеют массу, но введение в картину нового фундаментального скалярного поля, придуманного специально для выполнения этой задачи, казалось мне искусственным. Во-первых, никакого другого фундаментального скалярного поля в природном зоопарке частиц никогда не наблюдалось. Во-вторых, я считал, что с учетом всей той неизвестной физики, которую нам только предстояло открыть на малых масштабах, природа могла бы придумать куда более хитроумный и неожиданный способ нарушения калибровочной симметрии. Стоит постулировать существование частицы Хиггса, и встает следующий очевидный вопрос: «А почему так?» Или конкретнее: «Откуда берется нужная динамика, которая заставляет его сконденсироваться именно на этом масштабе, именно с этой массой?» Я считал, что природа нашла бы способ разбить теорию без такого произвола, и я весьма решительно выражал это свое убеждение, когда проходил собеседование как кандидат в члены Гарвардского общества исследователей после получения докторской степени.

А теперь давайте вспомним, что следует из существования механизма Хиггса. Этот механизм требует существования в природе не только новой частицы, но и невидимого фонового поля, которое должно пронизывать все пространство. Он подразумевает также, что все частицы – не только W- и Z-бозоны, но также и электроны, и кварки – в фундаментальной теории являются безмассовыми. Эти частицы взаимодействуют с фоновым хиггсовским полем и испытывают затем своего рода сопротивление движению, замедляющее их до субсветовых скоростей, – так пловец в патоке будет плыть медленнее, чем в воде. А двигаясь с субсветовой скоростью, частицы ведут себя так, будто обладают массой. Те частицы, которые сильнее взаимодействуют с этим фоновым полем, испытывают большее сопротивление и ведут себя так, будто они более массивны, – так, автомобиль, съехавший с асфальта в грязь, становится труднее толкать, чем по дороге, и толкающим он будет казаться тяжелее.

Все это очень сильное утверждение о природе реальности. Помня, что в сверхпроводниках образующийся конденсат представляет собой сложное состояние связанных пар электронов, я скептически относился к тому, что на фундаментальных масштабах в пустом пространстве все может работать намного проще и чище.

Но как можно исследовать столь замечательное утверждение? Мы используем для этого центральное свойство квантовой теории поля, которым воспользовался и Хиггс, когда предлагал свою идею. Для каждого нового поля в природе должен существовать по крайней мере один новый тип элементарных частиц с этим полем. Но как получить эти частицы, если фоновое поле заполняет собой все пространство?

Очень просто. Мы отшлепаем вакуум.

Я имею в виду, что, если мы сможем сфокусировать достаточно энергии в одной точке пространства, мы можем тем самым спровоцировать появление реальных частиц Хиггса, и их можно будет измерить. Это можно представить примерно так. Говоря языком физики элементарных частиц, используя фейнмановские диаграммы, мы можем считать, что виртуальная частица Хиггса появляется из фонового хиггсовского поля, придавая массу другим частицам. Левая диаграмма соответствует рассеянию частиц, таких как кварки и электроны, на виртуальной частице Хиггса; частицы отклоняются от своего маршрута, испытывая, таким образом, сопротивление своему движению вперед. На правой диаграмме представлен тот же эффект для таких частиц, как W и Z.

Эту картинку мы легко можем развернуть.

В этом случае можно представить, что энергичные частицы, такие как W и Z, или кварки и/или антикварки, или электроны и/или позитроны испускают виртуальные частицы Хиггса и испытывают отдачу. Если энергии входящих частиц достаточно велики, то испущенная частица Хиггса может оказаться реальной. Если энергии недостаточно, частица будет виртуальной.

А теперь вспомним, что если частица Хиггса придает другим частицам массу, то сильнее всего она будет взаимодействовать с самыми массивными частицами. Это означает, что легкие частицы, такие как электроны, вероятно, не слишком подходят для непосредственного создания частиц Хиггса на ускорителе. Вместо этого можно представить себе ускоритель с энергией, достаточной для создания тяжелых виртуальных частиц, которые, в свою очередь, будут выплевывать частицы Хиггса – как виртуальные, так и реальные.

Естественными кандидатами на роль инструмента в таком деле являются протоны. Нужно построить ускоритель или коллайдер, который будет начинать с протонов и разгонять их до таких высоких энергий, чтобы образовывалось достаточно тяжелых виртуальных составляющих, способных порождать частицы Хиггса. Эти частицы Хиггса, виртуальные или реальные, будучи тяжелыми, быстро распадутся на более легкие частицы, с которыми бозон Хиггса взаимодействует сильнее всего, – опять же это будут либо истинные или прелестные кварки, либо W- или Z-частицы. Они, в свою очередь, тоже распадутся на другие частицы.

Далее фокус будет состоять в том, чтобы рассмотреть события с наименьшим числом выходящих частиц, которые можно четко засечь, чтобы затем точно определить их энергии и импульсы, и посмотреть, нельзя ли реконструировать серию событий, которая восходила бы к единственной массивной промежуточной частице с предсказанными бозона Хиггса взаимодействиями. Неслабая задачка!

Принципиально это все было понятно уже в 1977 г., еще даже до открытия истинного кварка. (Поскольку прелестный кварк был уже открыт, а все остальные кварки существуют слабыми парами – нижний и верхний, странный и очарованный, – было ясно, что должен существовать еще один кварк, хотя открыть его удалось только в 1995 г. и оказался он в чудовищные 175 раз тяжелее протона.) Однако знать, что необходимо сделать, и на самом деле построить машину, способную это сделать, – две совершенно разные вещи.