Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Теперь было важно рассмотреть конкурирующие распады, без частиц Хиггса, поскольку они могли бы доминировать и сделать интересующую меня возможность чисто умозрительной. Одной из самых важных возможностей, которые нужно было рассмотреть, был распад на цветные глюоны. Я не мог сделать точного расчета в уме, но, исходя из грубых оценок, казалось, что все в порядке. (Так оно и есть в действительности.) Но это навело меня на еще более важную мысль: если тяжелые кварки могут связываться с частицами Хиггса и с глюонами, то они дают возможность связать глюоны с частицами Хиггса! И в этот момент в моем мозгу родился основной процесс, который вы видите в нижней части илл. 36. Опять же, точное вычисление было бы трудной задачей, но я сделал некоторые приблизительные оценки в уме и счел результаты обнадеживающими. В частности, я понял, что, даже если недостающие кварки окажутся очень тяжелыми, они все равно будут давать свой вклад – и что если бы существовали еще более тяжелые кварки, то они тоже участвовали бы в процессе. Мне сразу же стало ясно, что это был основной способ, которым частицы Хиггса могут связываться со стабильным веществом. Здесь открывалось многообещающее окно в неизведанное. Это было вторым моим важным осознанием той ночи.

В тот момент я дошел до лаборатории и решил повернуть обратно. Мне повезло в размышлениях о минимальной модели Хиггса, поэтому хотел подумать, как новые идеи можно применить к более сложным ее версиям. Изменения легко развивать дальше в любом конкретном случае, поэтому я начал думать, какие усложнения было бы интереснее всего рассмотреть. Особенно любопытная идея заключалась в существовании некоторой дополнительной симметрии, которая бы спонтанно нарушалась. Это могло привести к возникновению новых безмассовых частиц – захватывающая возможность! Это было моим третьим важным осознанием той ночи.

В Принстоне, где я до этого преподавал в течение года, нечто, названное инстантонами – которые я даже не буду пытаться объяснить здесь, – вызвало сильнейшее возбуждение. Инстантоны нарушают симметрию особенно интересными способами, и я подумал, что будет забавно привлечь и их, чтобы у меня было что-то такое, о чем можно рассказать коллегам и о чем им было бы интересно послушать. Я смутно чувствовал, что частица, которая в противном случае была бы безмассовой, согласно моему третьему осознанию, вместо этого получит небольшую массу и будет иметь другие интересные свойства. Это было моим четвертым важным осознанием той ночи, и оно привело меня домой.

Судьба этих четырех озарений различна. Первому просто не повезло. Красивый b-кварк оказался недостаточно тяжелым по сравнению с частицей Хиггса, а t-кварк настолько тяжел и нестабилен, что его мезоны бесполезны.

Второе – это одно из моих достижений, которыми я больше всего горжусь. Более чем через 30 лет оно имело решающее значение для открытия частицы Хиггса, как описано на илл. 36 и в тексте рядом с ним.

Третье еще не принесло плоды, но остается интересным. В конечном счете я назвал эти безмассовые частицы «фамилонами», и их продолжают искать.

Четвертое оказалось самым интересным и, возможно, самым важным. Когда я возвратился в лабораторию на следующий день и посмотрел литературу на эту тему, то обнаружил очень интересную статью Роберто Печчеи и Хелен Квинн. Они рассматривали модель, похожую на ту, над которой размышлял я, и обратили внимание на то, что она могла решить очень важную проблему, так называемую проблему θ. Ее суть в том, что существует число θ, которое, согласно Главной теории, может иметь любое значение в интервале между -π и π, однако наблюдения показывают, что оно очень-очень мало. Это или совпадение, или признак того, что Главная теория является неполной. В модели Печчеи – Квинн это «совпадение» объяснялось как след новой (спонтанно нарушенной) симметрии. Однако Печчеи и Квинн не заметили, что в их модели была новая легкая частица! Поэтому мне выпала честь дать ей имя. За несколько лет до этого я заметил одно моющее средство Axion, название которого походило на имя частицы. Я решил, что, если у меня будет шанс, я назову так частицу. Среди прочего проблема θ содержала аксиальный ток. Это дало мне лазейку, с помощью которой можно было незаметно протащить это название мимо бдительных консервативных редакторов журнала Physical Review Letters, что я и сделал. (Стивен Вайнберг тоже заметил эту новую частицу независимо от меня. Он собирался назвать ее «хигглетом». Мы договорились, слава Богу, использовать название «аксион».)

У аксиона долгая, запутанная и все еще не законченная история. К этой теме я возвращался много раз, разработав теорию его рождения в ранней Вселенной и предложив возможное существование аксионного фона, аналогичного широко известному микроволновому фону. Согласно этой работе, наблюдать аксионный фон будет трудно, но возможно. Отважная команда блестящих экспериментаторов ведет активный поиск. Когда-нибудь в скором времени аксион, возможно, будет достоин собственной книги, поскольку является главным кандидатом для объяснения темной материи Вселенной. Но он может и не существовать вовсе. Время покажет.

Часть 4: Подведение итогов

Перечень взаимодействий и сущностей

У нас есть четыре фундаментальных взаимодействия: гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия. Все они теоретически описываются с использованием локальной симметрии. Теория гравитации, или общая теория относительности Эйнштейна, основана на локальной симметрии пространства-времени, в то время как теории других трех взаимодействий – на локальной симметрии пространств свойств.

Общая теория относительности – могущественная теория, и ее совсем не просто освоить. Но она базируется на взаимодействии между обычным пространством-временем и энергией-импульсом, которые являются универсальными понятиями, не требующими подробной записи в нашем списке. Следовательно, мы вовсе не проявляем какого-либо неуважения к этому взаимодействию, когда признаем эту взаимосвязь одним словом «гравитация».

Поскольку поведение вещества относительно других трех взаимодействий определяется потоками в пространствах свойств, мы должны описать геометрию пространств свойств, в которых оно «обитает», чтобы дать корректное описание вещества. Я сделаю это в два этапа, представленных на парных вклейках RR и SS, TT и UU. На первом этапе я обошел вниманием некоторые сложности, к которым вернулся на втором этапе.

На вклейках RR и SS вы можете видеть шесть различных блоков. Внутри блоков написаны названия частиц: u- и d-кварки в трех цветах (например, красный, зеленый, и синий u-кварки) и лептоны e и ν (электрон и нейтрино). Каждый блок кодирует способом, который мы сейчас опишем, возможное пространство свойств для материи. Таким образом, эти шесть блоков представляют шесть различных видов материи, которые занимают различные виды пространств свойств. Некоторые из блоков содержат несколько различных видов частиц; самый большой из них (блок A) содержит шесть. С нашей точки зрения – и, главное, с точки зрения взаимодействия, – различные частицы в одном блоке действительно являются одной и той же сущностью, но видимой в различных положениях в пространстве свойств. Наш перечень содержит 16 различных видов частиц – возмутительно большое число фундаментальных ингредиентов нашего мира! Но если смотреть глубже, то мы увидим, что эти 16 частиц представляют собой только шесть различных сущностей – значительно меньше (но все еще слишком много… мы добьемся большего успеха в следующей главе).

В горизонтальном направлении мы изображаем три измерения пространства сильного заряда (или «цвета»). Блоки, в которых есть три столбца (A, B и C), представляют сущности, способные перемещаться в трехмерном пространстве свойств сильного заряда. В вертикальном направлении мы расположили размерности пространства слабого заряда. Блоки, в которых есть две строки (A и D), представляют сущности, которые могут перемещаться в двумерном пространстве свойств слабого заряда.

Объект, представленный блоком A, может независимо перемещаться в обоих направлениях, таким образом, он может наслаждаться 3 × 2 = 6 размерностями свойств.

Числа рядом с каждым блоком представляют масштаб его одномерного пространства свойств электрического заряда[76].

Наконец, верхние индексы L и R обозначают соответственно левый и правый. Ли и Янг показали нам, что только левые кварки и лептоны участвуют в слабом взаимодействии. В нашем перечне это можно понять из того факта, что только блоки с верхним индексом L содержат две строки. Каждая частица встречается как в левой, так и в правой разновидности, но в разных блоках.