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

Если теория верна, то следовало ожидать, что нейтральные каоны покажут слабые нейтральные токи, что также подразумевало изменение странности. Наконец-то было объяснено довольно странное отсутствие этих меняющих странность токов за счет механизма ГИМ и существования четвертого – очарованного – кварка.

Теоретики обратились к другим источникам слабых нейтральных токов, которые не влекли за собой изменения странности, и стали убеждать экспериментаторов, чтобы те занялись их поисками. Наилучшими кандидатами были взаимодействия между мюонными нейтрино и нуклонами: протонами и нейтронами. В столкновениях мюонного нейтрино и нейтрона, например, обмен виртуальной W^—-частицей превращает мюонное нейтрино в отрицательный мюон, а нейтрон – в протон. Это заряженный ток. Обмен виртуальной Z⁰-частицей оставляет невредимыми и мюонное нейтрино, и нейтрон – это нейтральный ток (см. рис. 16). Если происходят оба процесса, тогда данные о слабых нейтральных токах можно получить за счет рассеяния мюонных нейтрино на нуклонах, а еще можно поискать события, при которых не образуются мюоны. По оценке Вайнберга, на каждые 100 событий с заряженными токами должно приходиться примерно от 14 до 33 событий с нейтральными токами.

Проблема в том, что нейтрино – чрезвычайно легкие, нейтральные частицы, не оставляющие следов в детекторах частиц. Детекторы регистрируют прохождение заряженных частиц, которые отрывают электроны в атомах материала детектора, оставляя за собой характерный след заряженных ионов. Первый детектор такого типа изобрел шотландский физик Чарльз Вильсон в 1911 году. В диффузионной камере следы частиц можно наблюдать благодаря конденсации водяного пара вокруг остающихся ионов.

Рис. 16

(а) Нейтрон сталкивается с мюонным нейтрино и обменивается виртуальной W-частицей. В результате нейтрон превращается в протон, а нейтрино в мюон. Это заряженный ток. Однако то же столкновение может происходить и с обменом виртуальной Z⁰-час тицей (b). Обе частицы не меняются, мюон не возникает. Это так называемое безмюонное событие представляет собой нейтральный ток

В начале 1950-х диффузионную камеру сменила пузырьковая, которую изобрел американский физик Дональд Глазер, хотя принцип ее работы очень похожий. Пузырьковая камера наполнена жидкостью с температурой близкой к точке кипения. Заряженная частица, проходя сквозь жидкость, опять-таки оставляет за собой след из заряженных ионов и электронов. Если затем давление выше жидкости понизить, она начинает кипеть. Однако сначала она закипит вдоль следа ионов, образуя пузырьки, благодаря которым след становится видимым. После этого след можно сфотографировать, а давление повысить, чтобы прекратить дальнейшее кипение.

Преимущество пузырьковой камеры в том, что жидкость в камере может также служить мишенью для частиц ускорителя. В большинстве пузырьковых камер используется жидкий водород, но также в них можно использовать более тяжелые жидкости, например пропан и фреон (как в старых холодильниках).

Единственным следом безмюонного события такого типа, который искал Вайнберг, был всплеск адронов, который бы внезапно появился в детекторе, как бы из ниоткуда. Но такой таинственный всплеск адронов мог бы иметь и множество других, довольно обыденных объяснений. Мюонные нейтрино могли ударить по атомам в стенках детектора и оторвать нейтроны, из которых в дальнейшем могли получиться адроны, зафиксированные детектором. Продуктом событий «выше по течению» детектора могли стать нейтроны, а их продуктом адроны. А если мюон, образованный во время события с заряженным током, рассеивался с большим углом отдачи, его вполне было можно пропустить и не заметить. Подобные фоновые события можно было легко списать как истинные безмюонные события и потому по ошибке идентифицировать как слабые нейтральные токи.

Экспериментаторов очень волновали трудности подобных поисков. В списке экспериментальных приоритетов, который составили физики ЦЕРНа в ноябре 1968 года, на самом верху стояли W-частицы, а поиск слабых нейтральных токов занимал скромное восьмое место. «Дело в том, что вплоть до 1973 года не было надежных данных в пользу нейтральных токов, но было много данных против них», – написал оксфордский физик Дональд Перкинс[97].

Однако к весне 1972 года огромные теоретические успехи выдвинули поиск нейтральных токов в самый верх списка. Физики стали задумываться о том, что, может быть, у них есть шанс получить окончательный ответ.

Большая и все растущая международная коллаборация во главе с физиком ЦЕРНа Полем Мюссе, Андре Лагарригом из ускорительной лаборатории в Орсэ и Дональдом Перкинсом работала над крупнейшей пузырьковой камерой с тяжелой жидкостью, которую назвали Гаргамель[98]. Гаргамель построили во Франции при финансировании французской Комиссии по атомной энергии и установили в ЦЕРНе в 1970 году рядом с протонным синхротроном на 26 ГэВ. На создание Гаргамель ушло шесть лет, он был сконструирован специально для изучения столкновений с участием нейтрино.