20 ноября исполнилось 50 лет назад, с того дня, как американский физик Стивен Вайнберг опубликовал знаковую статью «Модель лептонов», которая лежит в основе Стандартной модели – на сегодня самой полной теории взаимодействия частиц в нашей вселенной.
Статья, состоящая из всего двух страниц, на тот момент была революционной, но в течение многих лет была практически проигнорирована. Но сейчас цитируется как минимум три раза в неделю.
Как известно, в основе всех физических процессов лежат 4 фундаментальных взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, сильное (оно же ядерное, которое отвечает за ядерные реакции и процессы, происходящие в атомных ядрах) и слабое (проявляющееся в физике элементарных частиц, в первую очередь в реакциях с участием нейтрино). Ещё Эйнштейн пытался создать «единую теорию всего», объединяющую эти 4 взаимодействия, но у него и его последователей это пока не получилось.
Основная идея, лежащая в основе теории объединения всех взаимодействий, понятна: по мере роста энергии взаимодействия частиц рано или поздно разница между различными видами взаимодействий будет стираться. Примерно так и было в первые мгновения посте «Большого взрыва», произошедшего около 13,7 млрд лет назад, когда Вселенная появилась в её нынешней форме. Впоследствии, по мере «охлаждения» материи (уменьшения энергии её частиц) одно когда-то единое взаимодействие между ними расщепилось на те 4 разных взаимодействия, которые мы знаем. Однако какой конкретно физической и математической моделью всё это должно описываться, до некоторого времени представлялось непонятным.
Стивен Вайнберг (который, кстати, более широко известен как автор научно-популярной книги «Первые три минуты»external link, opens in a new tab, описывающей физические процессы в эти первые три минуты после Большого взрыва), в своей статье, изданной 50 лет назад, нашёл ключ к решению этой проблемы.
В статье используется идея симметрии – что всё, в том числе и частицы и формы взаимодействия между ними имеют свой аналог зеркального отражения. С 1965 года Вайнберг строил математическую структуру и теоремы, основанные на понятии симметрии, которая объяснила, почему физики наблюдали определенные формы взаимодействия между частицами в ходе их рассеяния друг на друге. Это открыло путь для целой теории физики адронов при низких энергиях.
Физики использовали понятие симметрии с 1930-х годов, но еще не способна объединить электромагнитные и слабые силы. Объединение двух сил приблизило бы физиков к единой теории, описывающей, как и почему происходят все фундаментальные взаимодействия в нашей Вселенной. Нужно было найти частицу, которая играла бы роль переносчика этого взаимодействия (наподобие того, как частица света – фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия, а пи-мезоны являются переносчиками ядерного взаимодействия). Проблема была в том, что, по теории, такие частицы должны быть очень тяжёлыми и существовавшая тогда ускорительная техника не позволяла их обнаружить.
Однажды к 34-летнему Вайнбергу пришла идея – ранее он искал частицу в неправильном месте. Пытаясь найти механизм, объединяющий тяжёлый W-бозон (частицу, являющуюся «переносчиком» слабого взаимодействия), с не имеющим массы фотоном (переносчиком электромагнитного взаимодействия) он понял, что должен существовать ещё один ранее неизвестный механизм. Впоследствии в ходе дальнейшего теоретического исследования этот механизм стал известен под названием «бозон Хиггса».
Попытки доказать теорию Вайберга вдохновили ЦЕРН на создание различных всё более и более мощных экспериментальных установок, которые шаг за шагом подтверждали правильность выдвинутой теории: в 1973 году на установке Gargamelle было получено первое свидетельство существования электрослабого тока; в 1982 году Супер - протонный синхротроне дал первые доказательства существования W-бозона; и, наконец, совсем недавно, в 2012 году большой адронный коллайдер подтвердил существование бозона Хиггса.
В 1979 году Вайнберг получил Нобелевскую премию за свою публикацию. Как отмечается в статье ЦЕРН в честь нынешнего юбилея,
«Полвека спустя после этой публикации трудно найти теорию, которая объясняет фундаментальную физику так же ясно, как статья Вайнберга, который собрал все различные части головоломки и соединил их в одну, очень простую идею».
По материалам ЦЕРН
