10.10.2013

Нобелевская премия по физике — 2013

Нобелевская премия по физике за 2013 год была присуждена двум физикам, бельгийцу Франсуа Энглеру (Francois Englert) и британцу Питеру Хиггсу (Peter Higgs), за «теоретическое открытие механизма, который помогает нам понять происхождение масс субатомных частиц и который был недавно подтвержден благодаря открытию на Большом адронном коллайдере новой предсказанной частицы». Иными словами, за то, что сейчас обычно называется «хиггсовским механизмом». Подчеркнем: не за открытие и даже не за предсказание хиггсовского бозона, а за сам механизм, отголоском которого хиггсовский бозон является. Это была одна из самых предсказуемых номинаций по физике в этом году и одновременно — источник многочисленных споров о приоритете и вообще об осмысленности присуждения Нобелевской премии по этой теме конкретным людям.

Нобелевская премия — хороший повод, чтобы рассказать про историю открытия хиггсовского механизма, про сложный выбор, стоявший перед нобелевским комитетом, и заодно скорректировать то впечатление, которое у неискушенного читателя может сложиться при знакомстве с этой темой. Самые базовые вещи про хиггсовский механизм в максимально кратком виде сформулированы ниже в виде «вопросов-ответов».

Краткая памятка про хиггсовский бозон

- Правда ли, что хиггсовский бозон отвечает за массу всех частиц во Вселенной?

- Нет. Гравитация связана с полной энергией тела. Хиггсовское поле может переводить часть полной энергии в энергию покоя, то есть в массу, но непосредственно на гравитационное взаимодействие оно не влияет. В современной физике есть теории, в которых хиггсовское поле всё-таки определенным образом перекликается с гравитацией, но это совсем не та связь, которую обычно имеют в виду в этом вопросе.

Кому давать «нобеля»?

В массовом сознании какое-то важное открытие в теоретической физике — а тем более, открытие, отмеченное Нобелевской премией, — обычно выглядит так. Была какая-то сложная проблема, никто ее не мог решить, как ни пытался, а потом за дело берется Гений и в одиночку производит на свет полностью законченную теорию. Увы, но в подавляющем большинстве случаев дело в современной науке обстоит совсем иначе. Теоретическая физика развивается совместными усилиями многих тысяч специалистов, и вклад каждого конкретного человека может быть совсем небольшим — даже если он стал звеном, соединяющим чужие публикации до него и после.

Более того, бывает так, что какой-то сложный вопрос долго не дает физикам покоя, и тогда в этой напряженной атмосфере схожие идеи могут одновременно прийти в голову нескольким людям. Потом уже, из перспективы десятилетий, вся возникшая теория может выглядеть очень важной, но отдать по справедливости приоритет одного-единственного «самого важного шага» кому-то из участвовавших в ее создании физиков бывает исключительно трудно. И порой критерием в такой тупиковой ситуации служит не то, кто оказался реально важнее для построения самой теории, а кто в нужный момент и в нужном контексте произнес правильное слово.

Нобелевская премия по физике за 2013 год является ярким примером такой ситуации. Премия за «хиггсовский механизм» была присуждена двум физикам, Питеру Хиггсу и Франсуа Энглеру, и могла быть присуждена еще и Роберту Брауту, соавтору Энглера, если бы он сейчас был жив. Однако к созданию хиггсовского механизма приложили руку не один десяток теоретиков (см. рис. 2 ниже). И даже если взять только те статьи 1964 года, в которых было сделано и в какой-то мере доказано ключевое утверждение хиггсовского механизма, то и тут нужно упомянуть как минимум статьи трех групп. Хронологическая последовательность публикаций была такова: сначала Браут–Энглер, затем две статьи Хиггса, затем статья Геральда Гуральника, Карла Хагена и Томаса Киббла. Не случайно все шестеро получили в 2010 году престижную премию Сакураи, которую Американское физическое общество присуждает за выдающийся вклад в физику элементарных частиц.

Надо сказать, что щекотливая ситуация с приоритетом в открытии этого механизма и с постоянным применением термина «хиггсовский» известна уже давно. Она неоднократно обсуждалась при разных обстоятельствах и, в частности, послужила поводом для нескольких исторических зарисовок и воспоминаний всех участников этой истории полувековой давности.

Краткий курс истории хиггсовского механизма

На рис. 2 показана составленная видным физиком Мэттом Страсслером схема того, как хиггсовский механизм выкристаллизовывался в работах десятков теоретиков в 50-60-х годах прошлого века. То, что эта схема названа «страшно неполной» — совсем не шутка, в ней действительно нереально было учесть всех, кто в какой-то степени приложил к этому руку. Центральный, выделенный цветом блок включает упомянутые четыре статьи; отлично видно, что эти работы опираются на работы разнообразных предшественников. Попытаемся кратко обрисовать, не пускаясь в слишком технические детали, кто что сделал и кто на кого повлиял.

К концу 1950-х годов была сформулирована смелая гипотеза: сильные и слабые взаимодействия тоже можно описать как калибровочные взаимодействия, наподобие успешной квантовой электродинамики (см. всю историю развития физики элементарных частиц на одной странице). В таких теориях взаимодействие между частицами возникает самостоятельно как результат симметричности теории относительно некоторых преобразований, а физическое силовое поле получается за счет обмена частицами-переносчиками. Правда, в отличие от электромагнетизма, эти поля должны быть необычными для описания сильных или слабых взаимодействий. Теория такого взаимодействия была построена Чж. Янгом и Р. Миллсом в 1954 году и опирается на богатую «внутреннюю» симметрию частиц.

Всё было бы замечательно, если бы не одна важная деталь. Если бы эта симметрия в нашем мире была, то частицы-переносчики слабых взаимодействий были бы безмассовые. Но таких частиц мы не видим. Поэтому если эта симметрия имеет какое-то отношение к нашему миру, то она должна быть спонтанно нарушена. Грубо говоря, хоть уравнения симметричны, их решения, которые и описывают наш мир, — нет.

Как построить теорию со спонтанным нарушением симметрии, физики знают. В физике конденсированных сред это было известно давно, а к элементарным частицам эти идеи применил в 1960 году Намбу. Надо предположить существование скалярного поля нового типа, которое обладает необычным свойством: в наинизшем энергетическом состоянии это поле вовсе не отсутствует, а сплошным однородным фоном заполняет всю Вселенную (иллюстрации хиггсовского механизма помогут понять эту картину). Примеры такого поля уже были известны в некоторых нерелятивистских разделах физики (например, сверхтекучесть и сверхпроводимость), но как это устроить в настоящих релятивистских теориях элементарных частиц, было не очень понятно.

Кроме того, тут возникает новая напасть: когда симметрия спонтанно нарушается, то безмассовые частицы появляются уже у скалярного поля. Это утверждение получило название «теорема Голдстоуна» и в окончательном виде было строго доказано в 1962 году. Вывод отсюда следовал довольно жесткий: если это так, то разнообразные интересные попытки связать свойства элементарных частиц со спонтанным нарушением какой-то внутренней симметрии бесплодны. Ведь тогда неизбежно возникнут безмассовые скалярные частицы, но мы совершенно точно знаем, что в природе их нет.

Таким образом, можно пока что вообще отложить в сторону всякие свойства реальных частиц и реальных взаимодействий и поставить вполне конкретный, хоть и довольно теоретический, вопрос: можно ли вообще хоть как-то обойти теорему Голдстоуна? Можно ли нарушить симметрию, но при этом избежать появления безмассовых бозонов?

В 1962–1963 годах появились работы сначала Швингера, а затем Андерсона, в которых приводятся конкретные примеры, как эту теорему можно обойти. Причем в своей статье Андерсон прямым текстом сформулировал ключевое наблюдение, которое ставит вещи на свои места:

Безмассовые бозоны появляются, но они тут же запутываются с безмассовыми же частицами-переносчиками взаимодействия; из-за этого перепутывания безмассовые скалярные частицы сами по себе становятся ненаблюдаемыми, зато частица-переносчик становится массивной.

Эта идея — «безмассовая скалярная частица + безмассовый переносчик = массивный переносчик» — лежит и в основе хиггсовского механизма. Именно поэтому автором этой идеи было бы считать именно Андерсона, если бы не одна тонкость: пример Андерсона относился к нерелятивистской теории. Он надеялся, что это можно будет реализовать и для релятивистских теорий, но как именно, он не продемонстрировал.

1964 год

Последовавшие события 1964 года выглядели скорее как обмен «открытыми письмами» размером не более страницы, чем как полновесными научными статьями (и не случайно они были опубликованы в журналах Physical Review Letters и Physics Letters). Мартовский выпуск PRL: Клейн и Ли вновь обращают внимание, что доказательство теоремы Голдстоуна опирается на полную релятивистскую ковариантность при формулировке теории и вроде бы без нее теорему доказать не удается. Может быть, это лазейка? Три месяца спустя Гильберт возражает: разумеется, это лазейка, но она поможет только для нерелятивистских теорий. А теории взаимодействия элементарных частиц мы строим релятивистски инвариантным способом, так что увы, но не получится.

В сентябре 1964 года на это замечание появляется встречное возражение Хиггса. Это верно, говорит он, но только не будем забывать, что в калибровочных теориях имеются свои важные особенности, которые такую жесткую формулировку не допускают. Так что всё-таки можно сконструировать теорию так, чтобы и симметрия нарушилась, и безмассовых частиц не получилось. В октябрьском выпуске журнала PRL Хиггс привел конкретный пример (правда, на уровне классической, а не квантовой теории) и, между делом, прямым текстом написал, что в ней в дополнение ко всему возникает еще и новая массивная бесспиновая частица.

Параллельно с этой перепиской в августовском выпуске PRL — то есть еще до первой статьи Хиггса — появляется трехстраничная статья Браута и Энглера, посвященная той же проблеме. Они не отвечали на чьи-то конкретные возражения, а просто построили пример нужной теории, причем уже в теории Янга–Миллса. Поскольку эта работа появилась почти одновременно с первой статьей Хиггса, перекрестных ссылок в них нет, но вторая статья Хиггса ее уже упоминает.

В ноябре 1964 года в PRL выходит статья Гуральника, Хагена и Киббла, посвященная той же самой проблеме. О публикациях Хиггса и Браута–Энглера они не знали до самого последнего момента и получили журналы с их работами, лишь готовя свою статью к отправке. Текст своей статьи им после этого пришлось дополнить новыми комментариями, но в целом они видели ситуацию так: то, что не до конца было проработано у Браута–Энглера и Хиггса, у них принимает завершенный вид.

Обратите внимание, что хиггсовский бозон занимает в этой истории несущественное место. Вся полемика ведется вокруг возможности корректного построения теории, поисков обхода теоремы Голдстоуна, смертельно опасной для интересных приложений теории Янга–Миллса. Более того, когда речь заходила о конкретных приложениях, большинство людей тогда пытались с помощью нового метода объяснить массы адронов, а вовсе не гипотетических частиц-переносчиков слабых взаимодействий! Так что с точки зрения решения этой задачи новый бозон, который в явном виде впервые упоминается только у Хиггса, не представлял собой никакого нового достижения и вообще не был как-то связан с теорий слабых взаимодействий. Однако спустя десятилетия именно это прямое упоминание несущественного факта и трансформировалось в массовом восприятии в «предсказание хиггсовского бозона» как некий существенный элемент всей эпопеи.

Поскольку эти работы были чисто техническими, то, разумеется, на них история и не завершилась. Последовали и другие статьи, иногда связанные с ними, иногда — нет. Например, в 1966 году совсем молодые тогда Александр Мигдал и Александр Поляков опубликовали статью в ЖЭТФ с теми же результатами, полученными другим способом. В своих воспоминаниях Мигдал рассказывает, что они пытались эту статью опубликовать целых два года, но никто поначалу не хотел ее серьезно воспринимать (см. также воспоминания Александра Полякова и материалы, сопровождающие присуждение Нобелевской премии). Да и вообще, вопрос о том, что вообще из себя представляет нарушение калибровочной симметрии, обсуждался еще долгие годы (см., например, теорему Элицура 1975 года). Однако подчеркнем: за исключением отдельных работ, долгое время акцент был именно на самой теории, а не на хиггсовском бозоне.

Роль бозона как удобного для экспериментального наблюдения «отголоска» механизма была по-настоящему осознана только в 70-е годы. Примерно тогда же к нему, а также к самому механизму навсегда пристал удобный и краткий, но не вполне справедливый эпитет «хиггсовский». После того как была построена теория электрослабых взаимодействий, которая опиралась, среди прочего, на этот механизм, после того как было показано, что эта теория перенормируема (то есть самосогласованна и годится для расчетов), возник массовый интерес среди физиков к свойствам и к поиску бозона Хиггса.

Теоретики принялись рассчитывать процессы рождения и распада бозона, а экспериментаторы стали искать его на всех коллайдерах. Увы, никаких следов не находили, но это никого сильно и не беспокоило, поскольку масса бозона оставалась неизвестной. Бозона не было видно и на исполинских коллайдерах LEP в ЦЕРНе и Тэватрон в Фермилабе, но зато он стал «чувствоваться» косвенно во всей совокупности накопленных к тому моменту данных по проверке Стандартной модели. Подавляющее большинство физиков к тому времени убедили себя, что бозон, по всей видимости, существует, а значит хиггсовский механизм реален, но не хватало последнего штриха — прямого открытия бозона Хиггса в эксперименте. Оно было сделано на LHC в 2012 году, и тем самым, спустя полвека (!) после теоретического открытия, окончательно подтвердило справедливость хиггсовского механизма нарушения электрослабой симметрии.

Ну а на закуску, для того чтобы лучше почувстовать, кто участвовал в построении теории, попробуйте сосчитать, сколько из людей, поименно перечисленных в этой новости, являются нобелевскими лауреатами (подсказка: лауреатами не только по физике!).

Игорь Иванов

Источники:

1. elementy.ru