Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

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.

Так, когда в 1962 году в Стэнфордском университете в Калифорнии началось сооружение нового линейного электронного ускорителя на 20 ГэВ стоимостью 114 миллионов долларов, многие физики отмахнулись от него, сочтя не соответствующим современным требованиям и способным только на второсортные эксперименты.

Но некоторые физики понимали, что постоянное повышение энергии адронных столкновений происходит за счет тонкости. Синхротроны разгоняли протоны и разбивали их о неподвижные мишени, в том числе другие протоны. По словам Ричарда Фейнмана, сталкивать протоны с протонами – «это все равно что разбивать друг о друга карманные часы, чтобы посмотреть, что у них внутри»[93].

Стэнфордский центр линейных ускорителей (SLAC) построен на 160 гектарах территории Стэнфордского университета примерно в 60 километрах южнее Сан-Франциско. Расчетной энергии пучка 20 ГэВ он впервые достиг в 1967 году. Трехкилометровый ускоритель имеет линейную, а не циклическую конструкцию, так как изгибание пучка электронов при помощи магнитного поля приводит к резкой потере энергии из-за рентгеновского синхротронного излучения.

Когда электрон сталкивается с протоном, могут иметь место три разных вида взаимодействия. Электрон может относительно безвредно отскочить от протона, обменявшись виртуальным фотоном, при этом скорость и направление электрона изменится, но частицы останутся целыми. Это так называемое упругое рассеяние дает электроны с относительно высокой рассеянной энергией, группирующейся вокруг пика.

Во втором виде взаимодействий при столкновении с электроном может происходить обмен виртуальным фотоном, который посылает протон в то или иное возбужденное энергетическое состояние. Рассеянный электрон в итоге оказывается с меньшим количеством энергии, и сравнение на графике рассеянной энергии с приобретенной показывает серию пиков или резонансов, соответствующих разным возбужденным состояниям протона. Такое рассеяние называется неупругим, так как могут создаваться новые частицы (например, пионы), хотя и электрон, и протон выходят из взаимодействия целыми. По сути, энергия столкновения и обмен виртуальным фотоном переходит в образование новых частиц.

Третий тип взаимодействия называется глубоко неупругим рассеянием, при котором большая часть энергии электрона и виртуального фотона переходит в полное уничтожение протона. В итоге возникает целый фонтан разных адронов, и рассеянный электрон отскакивает уже со значительными потерями энергии.

Исследования глубоко неупругого рассеяния на относительно небольших углах с жидководородной мишенью начались в Стэнфордском центре ускорителей в сентябре 1967 года. Их проводила небольшая группа экспериментаторов с участием физиков МИТ Джерома Фридмана и Генри Кендалла и работающего в лаборатории канадского физика Ричарда Тейлора.

Они сосредоточили внимание на поведении так называемой структурной функции, функции разницы между начальной энергией электрона и энергией рассеянного электрона. Эта разница связана с энергией, потерянной электроном в столкновении, или энергией виртуального фотона, которым обмениваются частицы. Они увидели, что по мере увеличения энергии виртуального фотона структурная функция показывает заметные пики, соответствующие ожидаемым резонансам протона. Однако при дальнейшем увеличении энергии эти пики сменялись широкими плато, которые постепенно снижались, когда уходили достаточно далеко в диапазон глубоко неупругих столкновений.

Любопытно, что форма функции оказалась в большой степени независимой от начальной энергии электрона. Экспериментаторы не могли понять почему.

Зато это понял американский теоретик Джеймс Бьеркен. Бьеркен получил докторскую степень в Стэнфордском университете в 1959 году и незадолго до экспериментов вернулся в Калифорнию после того, как проработал некоторое время в копенгагенском Институте Нильса Бора. Перед самым открытием Стэнфордского центра ускорителей он разработал модель, позволявшую предсказывать результаты электрон-протонных столкновений при помощи довольно эзотерического подхода, основанного на квантовой теории поля.

В этой модели протон можно было представить двумя разными способами. Его можно было считать твердым «шариком» вещества с равномерно распределенными массой и зарядом. Или его можно было считать областью почти пустого пространства, которое содержит невидимые, точечные элементы, почти как атом, который, как было показано в 1911 году, представляет собой пустое пространство, содержащее крошечное положительно заряженное ядро.