Первую теорию бета-распада, как мы говорили, построил Э. Ферми еще в 1934 г. По этой теории нейтрон превращался одномоментно в протон, электрон и антинейтрино, причем имелось пять вариантов этой теории, и долго казалось, что разные эксперименты говорят, для разных случаев, в пользу разных теорий — поэтому очень долго проводились расчеты всех вариантов и все они проверялись. После открытия несохранения четности число возможных вариантов, по крайней мере, удвоилось, и теория стала казаться необозримой.
Только к 1957 г. М. Гелл-Манн и Р. Фейнман, а также Р. Маршак (1916–1996) и Э. Сударшан (р. 1931) независимо установили, уже с учетом несохранения четности, правильный вариант этой четырехфермионной теории слабого взаимодействия — оказалось, что оно, как и КЭД, носит векторный характер. Но на этом сходство с КЭД кончалось. Графики Фейнмана для таких процессов выглядели как-то неэстетично: в КЭД все ясно — заряженная частица испускает или поглощает фотон, т. е. все взаимодействия сводятся к тому, что выражение для тока этой частицы умножается на потенциал электрического поля. А тут, видите ли, в одной точке встречаются сразу четыре линии!
Поэтому, по аналогии, могла возникнуть такая мысль: попробуем ввести новый тип тока, который может изменять заряд частиц, скажем, барионный ток, превращающий в момент взаимодействия протон в нейтрон, но испускающий при этом не фотон с нулевым зарядом, а какую-то заряженную частицу (без изменения барионного или лептонного заряда). Если при этом ввести аналогичный лептонный ток, превращающий при поглощении этой промежуточной частицы электрон в нейтрино или позитрон в антинейтрино (можно, конечно, и наоборот), то удалось бы построить график Фейнмана для бета-распада таким же образом, как в КЭД. Но только при этом, вместо обмена фотоном, шел бы обмен между двумя токами этим самым промежуточным мезоном (его спин должен обязательно быть целым, т. е. он должен быть бозоном).
В 1960 г. Шелдон Глэшоу попытался объединить именно на такой основе электромагнетизм и слабое взаимодействие. Его подход предсказывал существование четырех частиц — переносчиков взаимодействий. Одна из них, очевидно, должна быть фотоном, переносящим электромагнитное взаимодействие. Остальные три частицы, которые он обозначил как W+, W- и Z0, должны быть безмассовыми переносчиками слабого взаимодействия.
Теория эта страдала явными недостатками. Во-первых, частица, имеющая электрический заряд, не может не иметь массу — она ведь может виртуально испускать-поглощать фотоны, а следовательно, должна обладать какой-то инерцией. Во-вторых, радиус электромагнитных взаимодействий бесконечен, и связано это с тем, что масса фотона равна нулю. А вот у слабых взаимодействий радиус действия очень мал, поэтому масса промежуточных мезонов должна быть очень велика — тогда, согласно принципу неопределенностей, они возникают лишь на короткое время, и в следующем варианте теории Глэшоу постулировал большие массы бозонов и W+, W- и Z0, но и при этом из теории следовало, что некоторые слабые взаимодействия должны осуществляться и с бесконечной силой.
Множество исследований в этом направлении оставалось безрезультатным, пока в 1967 г. к этой работе не подключился Стивен Вайнберг[58], одноклассник и друг Глэшоу (они оба ученики Швингера), сумевший преодолеть громадные математические трудности. Прямое постулирование массы частиц невозможно — в такой теории не удается избежать бесконечностей вроде тех, что были ранее преодолены в КЭД. И Вайнберг предлагает использовать в этой теории механизм спонтанного нарушения симметрии: так называемый механизм Хиггса (о нем чуть ниже).
Решение, которое построил Вейнберг, показывает, через механизм Хиггса, что фотон по-прежнему остается безмассовым, а остальные три частицы приобретают массу. (Такую же теорию независимо от них и с аналогичной процедурой перенормировки построил гораздо более опытный А. Салам.) В этой теории электромагнитные и слабые взаимодействия уравниваются по силе при крайне высоких энергиях. Однако, массы W- и Z-бозонов слабо влияют на процесс, поскольку обмен ими в пределе высоких энергий в точности таков же, как и обмен фотонами, а силы слабого взаимодействия столь же сильны, как и электромагнитные. Но при более низких энергиях частицы W- и Z образуются редко, так что слабые взаимодействия проявляются на меньших расстояниях, чем электромагнитные. (Отметим, что температуры и энергии земной физики, очевидно, таковы, что разница между этими двумя силами проявляется больше, чем их сходство.)
Важнейшее отличие этой теории от всех предшествующих состояло в том, что один из трех промежуточных бозонов должен быть нейтральным, т. е. в ней есть, помимо заряженных, и слабые нейтральные токи. Поэтому возможно, например, за счет этих токов рассеяние нейтрино на электроне без изменения типа частиц.
Узнав об этой теории, группа из 80 физиков ЦЕРНа старательно пересмотрела архив фотографий, полученных на большой пузырьковой камере «Гаргамель» при облучении потоком мюонов. Проделав титаническую работу пересмотра и обработки примерно 1,4 млн изображений, они нашли три случая рассеяния мюонных нейтрино на электронах — эти электроны как бы получали сильный, ничем иным не вызванный толчок и оставляли свой след на снимке. Это количество соответствовало числу случаев, ожидаемых на основе электрослабой теории.
Три снимка доказали справедливость долгожданной электрослабой теории, объединившей два типа взаимодействий, и за ее построение Шелдон Л. Глэшоу (р. 1932), Стивен Вейнберг (р. 1933) и Абдус Салам (1926–1996) были удостоены Нобелевской премии по физике 1979 г. Их достижение сравнивали с успехом Максвелла, объединившего электромагнетизм и оптику.
А в 1983 г. группа Карло Руббиа обнаружила в экспериментах с коллайдером на аппаратуре, задуманной и созданной Симоном дер Ме-ром (мы писали о ней в главе об аппаратуре), все промежуточные мезоны: W+, W- и Z0. Массы W- и Z-мезонов оказались, соответственно, примерно в 82 и 92 раза больше, масс нуклонов. Оба руководителя эксперимента получили Нобелевскую премию 1984 г.
Однако сложности с пониманием природы электрослабого взаимодействия на этом не кончились: Глэшоу, Вейнберг и Салам не смогли довести теорию до той ясности, которая была достигнута в КЭД. В частности, они не сумели провести полностью перенормировку массы, т. е. в их расчетах возникали какие-то неопределенности, на которые приходилось закрывать глаза. А это могло означать, что они не полностью учитывали возможные взаимодействия или неправильно их трактовали.
Для преодоления этих трудностей потребовалось еще очень много усилий: нужно было придумать какие-то специфические приемы расчетов. Так, оказалось, что в этих взаимодействиях нужно учитывать еще и модель кварков: только на этом пути удалось точно вычислить массы и времена жизни промежуточных бозонов и шестого кварка (у него, как мы выше писали, оказалось совсем уж неожиданно большая масса). Эту работу смогли выполнить Мартинус Й. Г. Вельтман (р. 1931) и его ученик Герард т-Хоофт (р. 1946), удостоенные «за прояснение квантовой структуры электрослабых взаимодействий» Нобелевской премии 1999 г.
Рассмотрим такой простой пример: пусть прямая стальная спица установлена строго вертикально и на нее сверху чем-то давят. С началом давления она будет сжиматься, но при какой-то пороговой величине давления вдруг, возможно без добавочных внешних воздействий, изогнется — такое положение энергетически выгоднее. Итак, вначале наша система была полностью симметрична относительно вращений, но вдруг эта симметрия спонтанно пропала, причем направление, в котором изогнулась спица, — совершенно произвольно. Именно такой процесс и называется спонтанным нарушением симметрии.
Перейдем теперь к другому примеру. Имеется намагниченный ферромагнетик, он не симметричен, так как в нем выделена ось намагничения. Однако, если нагреть его выше так называемой точки Кюри, когда исчезают ферромагнитные свойства, то спины всех атомов разбредутся по разным сторонам, и он станет в этом плане симметричным. Но если начать его охлаждать, то при переходе через точку Кюри у него появится, возможно, слабая намагниченность в каком-то направлении — и это тоже пример спонтанного нарушения симметрии.
Таким образом, в разных системах симметрия может появляться или исчезать при разных изменениях — увеличении или уменьшении внешнего воздействия. Для элементарных частиц, как мы говорили, характерно, что с ростом энергии силы разных взаимодействий, в том числе слабого и сильного, сближаются. Следовательно, при каких-то очень больших энергиях они одинаковы: существует симметрия по всем взаимодействиям, а вот с понижением энергии эта симметрия пропадает — частицы разделяются по типам.
Действительно, рассмотрим энергию частиц, скажем, в 1000 ГэВ, когда вся энергия, соответствующая массе протона или нейтрона, несколько меньше 1 ГэВ. Ясно, что при таких энергиях различия в массе между нуклоном и безмассовым нейтрино пренебрежимо малы — их можно рассматривать на единой основе.
За счет чего же у некоторых частиц появляется масса? По общей идеологии квантовой теории поля, масса как мера инерции соответствует возможности испускать и поглощать виртуальные частицы, т. е. создавать вокруг себя виртуальное облако, «шубу». Проще всего, конечно, испускать и перепоглощать частицу с нулевым спином и без зарядов — при этом она сама по себе может быть полностью симметрична (напомним, что сила, действовавшая на спицу в первом примере, была симметрична относительно вращений, как и температурное поле второго примера).
Понятие спонтанного нарушения симметрии возникло в теории фазовых переходов Л. Д. Ландау, а в теорию частиц оно было первоначально перенесено в 1961 г. Дж. Голдстоуном, но он показал, что при таком изменении симметрии должно происходить излучение или поглощение скалярной частицы нулевой массы. А в 1964 г. Питер Хиггс доказал, что достаточно допустить существование одного скалярного поля, взаимодействие с которым разрешит все трудности с приобретением массы при снижении энергии частиц.