Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» - [35]

Правда ли, что партоны – это в самом деле кварки? Фейнман не знал ответа, и ему было все равно, но у Бьеркена и Пасчоса скоро уже была подробная модель партонов, основанная на триплетах кварков.

Дальнейшее изучение глубоко неупругого рассеяния электронов на нейтронах в Стэнфордском центре ускорителей и результаты исследования рассеяния нейтрино на протонах в ЦЕРНе дали новые подтверждения. К середине 1973 года кварки официально «состоялись». Может быть, мысль о них как о странной игре природы родилась в шутку, но теперь они сделали решительный шаг к тому, чтобы их признали действительными составными частями адронов.

Некоторые важные вопросы оставались без ответа. Поведение структурных функций можно было понять только при условии, если допустить, что отельные кварки движутся внутри протона или нейтрона совершенно независимо друг от друга. И однако же 20-гигаэлектронвольтные электроны ударяли в отдельные кварки, что приводило к уничтожению нуклонов-мишеней, так почему же кварки при этом не высвобождались?

Это не имело никакого смысла. Если сильное взаимодействие с такой мощью удерживает кварки внутри нуклонов, что они навечно там заключены и никто никогда не сможет их увидеть, как же может быть, что внутри нуклонов кварки, по всей видимости, движутся с полной свободой?

К концу 1971 года законченная квантовая теория поля для электрослабого взаимодействия была полностью разработана, и теоретики все больше убеждались в ее истинности. Нарушение симметрии при помощи механизма Хиггса могло объяснить разницу между электромагнитным и слабым ядерным взаимодействиями, которые в ином случае оставались бы все тем же универсальным электрослабым взаимодействием. Нарушение симметрии сообщило массу переносчикам слабого взаимодействия, в то же время оставив фотоны безмассовыми. Для слабого взаимодействия требовалось два заряженных переносчика, частицы W+ и W^—, и нейтральный переносчик, частица Z⁰. Если Z⁰ существует, то можно было ожидать, что их взаимодействие с обменом проявится в виде слабых нейтральных токов.

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.