Шрифт:
Некоторые физики в шутку называли открытие «переменными нейтральными токами».
В середине 1974 года другие лаборатории подтвердили результат, и путаница рассеялась. Слабые нейтральные токи стали экспериментальным фактом.
Однако следствия этого открытия оказались даже еще важнее. Слабые нейтральные токи подразумевали существование «тяжелых протонов», ответственных за перенос слабого взаимодействия. И если при распаде странных частиц нельзя было установить нейтральных токов, то причиной должно было быть то, что их подавляет механизм ГИМ.
Иными словами, должен существовать четвертый кварк.
7
Значит, это и есть W-частицы
Глава, в которой физики формулируют квантовую хромодинамику, открывают очарованный кварк и находят W– и Z-частицы именно там, где и предсказывали
Наконец-то фрагменты головоломки стали складываться. Оказалось, что загадка существования точечных частиц, свободно движущихся внутри нуклонов, что обнаружилось в экспериментах по глубоко неупругому рассеянию в Стэнфордском центре ускорителей, совсем не загадка, а прямое следствие природы сильного ядерного взаимодействия, которое ведет себя вопреки очевидному.
Представляя себе характер взаимодействия между двумя частицами, чаще всего мы вспоминаем о таких примерах, как гравитация и электромагнетизм, в которых чем ближе частицы друг к другу, тем взаимодействие между ними сильнее [105] . Но сильное ядерное взаимодействие ведет себя совсем по-другому. Его сила проявляется в так называемой асимптотической свободе. В асимптотическом пределе нулевого разделения между двумя кварками они перестают взаимодействовать и становятся полностью «свободными». Однако чем больше они отделяются друг от друга, подходя к границам нуклона, тем крепче их держит сильное взаимодействие и не пускает наружу.
105
Вспомните, как в детстве вы приставляли магниты друг к другу северными полюсами. Сопротивление, которое вы чувствовали, становилось тем сильнее, чем ближе вы приставляли магниты.
Рис. 17
(a) Сила электромагнитного притяжения между двумя электрически заряженными частицами увеличивается, когда частицы приближаются. Однако сила цветового взаимодействия, связывающая кварки внутри адронов, ведет себя совсем по-другому, как в варианте (b). При нулевом разделении между кварком и антикварком (например) оно падает до нуля. Оно увеличивается, чем дальше кварки друг от друга
Похоже, будто кварки привязаны к концам прочной резинки. Когда кварки находятся на близком расстоянии внутри нуклона, резинка не натянута и между ними нет или почти нет взаимодействия. Оно возникает, только когда мы пытаемся отдалить кварки друг от друга и натягиваем резинку (см. рис. 17).
В конце 1972 года принстонский теоретик Дэвид Гросс решил показать, что асимптотическая свобода просто невозможна в квантовой теории поля. Вместо этого с помощью своего студента Фрэнка Вильчека он умудрился доказать прямо противоположное. Квантовые теории полей, основанные на локальных калибровочных симметриях, могут создавать условия для асимптотической свободы. Молодой гарвардский аспирант Дэвид Политцер независимо пришел к такому же открытию. Их статьи вышли бок о бок в июньском номере Physical Review Letters [106] .
106
На самом деле ’т Хоофт уже пришел к выводу, что калибровочные те ории Янга – Миллса могли проявлять подобное неочевидное поведение, но в то время он занимался перенормировкой и не пошел дальше.
В июне Гелл-Манн опять поехал в Аспенский центр, сжимая в руке препринты статей Гросса – Вильчека и Политцера. К нему присоединился Фрицш и Генрих Лейтвилер, швейцарский теоретик из Бернского университета, который в то время находился в Калтехе. Вместе они разработали квантовую теорию поля Янга – Миллса для трех цветных кварков и восьми цветных безмассовых глюонов [107] . Чтобы объяснить асимптотическую свободу, глюоны должны были переносить цветной заряд. Никаких трюков с участием механизма, подобного хиггсовскому, не требовалось.
107
Безмассовые глюоны? А как же утверждения Гейзенберга и Юкавы, что переносчики сильного взаимодействия должны быть большие, массивные частицы? Это действительно было бы так, если бы сильное взаимодействие походило на гравитацию или электромагнетизм, но оно не такое. Асимптотически свободное цветовое взаимодействие вполне могут переносить безмассовые частицы. Как и кварки, они заключены внутри адронов, вот почему они не так вездесущи, как фотоны.
Новой теории нужно было имя. В 1973 году Гелл-Манн и Фрицш назвали ее квантовой адронной динамикой, но следующим летом Гелл-Манн решил, что придумал название получше. «У теории было много достоинств и не было ни одного известного недостатка, – объяснил он. – Следующим летом в Аспене я придумал назвать теорию квантовой хромодинамикой, или КХД, и настойчиво предлагал его Хайнцу Пагельсу и другим» [108] .
Великий синтез, объединивший теории сильного и электрослабого взаимодействия в единой структуре SU(3) x SU(2) x U(1), казалось, наконец-то близок.
108
Bardeen W.A., Fritzsch H., Gell-Mann M. Proceedings of the Topical Meeting on Conformal Invariance in Hadron Physics // Frascati. 1972. May. Цит. по: Crease and Mann. P. 328.
Но хотя асимптотическая свобода могла объяснить, почему кварки очень слабо взаимодействуют в адронах, она не объясняла, почему кварки всегда заключены внутри. Физики изобретали разные живописные модели. В одной окружающие кварки глюонные поля представлялись в виде узких трубок или струн цветного заряда, которые натягиваются между кварками по мере их разделения. Когда кварки расходятся в разные стороны, струна напрягается, потом растягивается, и сопротивление дальнейшему напряжению растет, чем больше она растягивается.