Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

Поляризовані пучки з’явилися 1970 року, проте лише 1978 року було розроблено та здійснено експеримент із достатньою чутливістю для пошуку слабко-електромагнітної інтерференції в розсіюванні електронів.

Тоді як успішне спостереження нейтральних струмів 1974 року означало, що теорія Ґлешоу – Вайнберґа – Салама почала здобувати широке визнання серед фізиків-теоретиків, експеримент у СЦЛП 1978 року був настільки важливим через те, що 1977-го було проведено два атомнофізичні експерименти, результати яких, якщо вони були правильні, упевнено перекреслювали цю теорію.

Досі в нашій оповіді ключову роль відігравало світло, освітлюючи (даруйте за каламбур) наше розуміння не лише електрики й магнетизму, а й простору, часу та, урешті-решт, квантового світу. Так і цього разу стало зрозуміло, що світло може допомогти в пошуках можливого електрослабкого об’єднання.

Першим видатним успіхом квантової електродинаміки стало передбачення спектра водню, а зрештою й інших атомів. Проте якщо електрони відчуватимуть ще й слабку силу, виникне невеличка додаткова сила між електронами та ядрами, яка змінить, хай ледве-ледве, характеристики їхніх атомних орбіт. Здебільшого ці зміни неспостережувані, оскільки слабкі ефекти губляться на тлі електромагнітних. Проте слабкі взаємодії порушують парність, тож та сама слабко-електромагнітна нейтральнострумова інтерференція, досліджувана за допомогою пучків поляризованих електронів, може викликати в атомах новітні ефекти, які зникали б, якби єдиною дієвою силою був електромагнетизм.

Зокрема, у випадку важких атомів теорія Ґлешоу – Вайнберґа – Салама передбачала, що якщо пропустити поляризоване світло крізь газ з атомів, то напрямок поляризації світла повернеться на приблизно одну мільйонну градуса через ефекти, які порушують парність нейтрального струму в атомах, крізь які це світло проходить.

1977 року в «Physical Review Letters» одна за одною вийшли друком статті, присвячені результатам двох незалежних атомнофізичних експериментів, проведених у Сіетлі та Оксфорді. Їхні результати жахали. Жодної оптичної ротації не спостерігали на рівні, удесятеро меншому за передбачений електрослабкою теорією. Якби такий результат було отримано лише в одному експерименті, ситуація була б менш однозначною. Проте однаковий результат двох незалежних експериментів із використанням незалежних методів справляв враження однозначності. Схоже, теорію було спростовано.

Утім, експеримент СЦЛП, який почався трьома роками раніше, був у самому розпалі, і оскільки всі приготування до його проведення вже стартували, було затверджено, що збір даних розпочнеться на початку 1978 року. З огляду на попередні нульові результати атомнофізичних експериментів Стенфордська колаборація доповнила експеримент кількома приблудами, щоб у разі, якщо ніякого ефекту виявлено не буде, бути певними, що, якби такий ефект мав місце, вони могли б його виявити.

Через два місяці після початку експерименту почали з’являтися чіткі ознаки порушення парності, і станом на червень 1978 року науковці оголосили про одержання ненульового результату, який узгоджувався з передбаченнями моделі Ґлешоу – Вайнберґа – Салама й базувався на вимірюванні розсіювання нейтрино під дією нейтрального струму, яке слугувало мірою сили Z-взаємодії.

Проте ще лишалися деякі відкриті питання, у першу чергу пов’язані з явною розбіжністю з результатами експериментів у Сіетлі та Оксфорді. Під час обговорення цієї теми в Калтеху Річард Фейнман у своїй звичній манері зосередився на ключовому спірному експериментальному питанні та поцікавився, чи перевіряли експериментатори зі СЦЛП, що їхній детектор однаково гарно реагує як на ліво-, так і на праворукі електрони. Вони цього не робили, проте з теоретичних міркувань не мали підстав очікувати різної поведінки детекторів у випадку різних поляризацій (вісім років по тому, після трагічного вибуху «Челленджера», Фейнман славетно докопається до суті іншої складної проблеми, ефектно продемонструвавши наслідки втрати еластичності гумовим кільцевим ущільненням членам комісії з розслідування катастрофи та телеглядачам, які дивилися пряму трансляцію засідання).

Упродовж осені група СЦЛП відшліфувала свій експеримент, щоб виключити як це, так і інші поставлені питання, і наприкінці осені відзвітувала про остаточний результат, який узгоджувався з передбаченням Ґлешоу – Вайнберґа – Салама з рівнем невизначеності, меншим за 10 %. Електрослабке об’єднання було реабілітоване!

На сьогодні мені невідомо, чи має хтось гарне пояснення причин одержання хибних результатів початкових атомнофізичних експериментів (результати подальших експериментів відповідали теорії Ґлешоу – Вайнберґа – Салама), окрім того, що проводити експерименти й теоретично інтерпретувати їхні результати – складна справа.

Проте лише за рік, у жовтні 1979-го, Шелдон Ґлешоу, Абдус Салам і Стівен Вайнберґ були нагороджені Нобелівською премією за їхню вже експериментально підтверджену електрослабку теорію, яка об’єднувала дві з чотирьох сил природи на основі однієї фундаментальної симетрії – калібрувальної інваріантності. Якби не незриме порушення калібрувальної симетрії, слабкі й електромагнітні взаємодії виглядали б ідентично. Проте в цьому випадку всі частинки, з яких ми складаємося, не мали б маси, і нам було б байдуже, оскільки нас не існувало б…

Проте це ще не кінець оповіді. Дві з чотирьох – це лише дві з чотирьох. Сильна взаємодія, від якої відштовхувалася значна частина робіт, що привели до електрослабкого об’єднання, досі вперто опиралася будь-яким спробам її пояснити, навіть попри оформлення електрослабкої теорії. Жодні пояснення сильної ядерної сили через спонтанно порушувані калібрувальні симетрії не витримали випробування експериментом.

Тож навіть попри те, що науковці-філософи ХХ століття, шкутильгаючи, здолали заплутаний та кволо освітлений шлях і вибралися з печери тіней, щоби поглянути на приховану натомість під поверхнею реальність, посталому перед ними чудовому гобелену природи бракувало ще однієї сили, необхідної для розуміння фундаментальної структури матерії.

Розділ 19
Нарешті вільні

Відпусти Мій народ…

Вихід 9:1

Довга дорога, що вела до електрослабкого об’єднання, стала втіленням вищого пілотажу інтелектуальної завзятості та майстерності. Проте це також утілення вищого пілотажу під час руху не вгору, а в об’їзд гори. Майже всі основні ідеї, що їх запропонували Янг, Міллз, Юкава, Хіггс та інші, які привели до цієї теорії, були розроблені в ході невдалих на вигляд спроб зрозуміти найпотужнішу силу в природі – сильну ядерну силу. Згадаймо, що ця сила та її провісники, сильно взаємодійні частинки, настільки замучили фізиків, що в 1960-х роках багато з них втратили всіляку надію