История развития физики элементарных частиц шла совсем по иному сценарию, не схожему с историей космологии. Вместо того чтобы страдать от недостатка данных, мы были завалены данными, которые не могли понять. Прогресс в этой области был достигнут в основном благодаря теоретическим успехам, а эксперимент выступал арбитром для конкурирующих теорий.
К концу 1940-х гг. у нас уже была хорошая теория для одного типа взаимодействий, в котором участвуют элементарные частицы, например электроны, а именно электромагнитного взаимодействия. Эта теория — квантовая электродинамика — частный случай целого класса теорий, известных как квантово-полевые теории. Величины, входящие в фундаментальные уравнения, описывают поля, которые заполняют пространство, как вода заполняет ванну. Элементарные частицы вторичны: это «кванты» полей, сгустки энергии и импульса поля, примерно как водовороты на море. Фотоны — безмассовые частицы света — это кванты электромагнитного поля, а электроны — кванты электронного поля.
Вычисления в квантовой электродинамике можно проводить с очень большой точностью, поскольку силы взаимодействия довольно малы. Вероятность всякого процесса в квантовой теории поля дается суммой, каждое слагаемое которой соответствует одной возможной последовательности промежуточных шагов, определяющей протекание процесса. Например, при столкновении двух электронов один из них может испустить фотон, который будет поглощен другим электроном, или один электрон может испустить два фотона, которые будут поглощены другим электроном в том же или обратном порядке, или один электрон может испустить два фотона, один из которых будет поглощен испустившим его электроном, а второй — другим электроном, и т. д.
Количество таких сценариев всегда бесконечно, что в общем случае делает невозможным выполнение точных расчетов, однако, если силы взаимодействия малы, наиболее вероятны простейшие сценарии. Пренебрегая всеми слагаемыми, за исключением самых больших, в квантовой электродинамике можно получать результаты, великолепно согласующиеся с экспериментом. 50 лет назад некоторые из нас мечтали о том, чтобы найти более полную квантовую теорию поля, которая смогла бы описать все частицы и силы природы так же успешно, как квантовая электродинамика описывает фотоны и электроны. В итоге почти все так и вышло.
Но на это потребовалось время. Существует еще одна сила, которая даже слабее силы электромагнитного взаимодействия. Она называется слабым ядерным взаимодействием, и именно она отвечает за то, что иногда нейтрон в атомном ядре превращается в протон или наоборот. К 1950-м гг. результаты исследований радиоактивности позволили сформулировать квантово-полевую теорию слабого взаимодействия, которая хорошо описывала имеющиеся данные. Проблема заключалась в том, что при применении этой теории за пределами диапазона параметров, обычных для задач радиоактивности, а также для расчета характеристик экзотических процессов, которые по техническим причинам невозможно исследовать экспериментально, получались очевидно бессмысленные результаты, содержащие бесконечные значения величин. Аналогичные бесконечности встречались на начальных этапах развития квантовой электродинамики, но позже ученые-теоретики поняли, что все эти бесконечности могут быть устранены
[36], если озадачиться определением массы и электрического заряда электрона (соответствующая процедура получила название перенормировки). Однако для слабого взаимодействия подобное исключение бесконечностей казалось невозможным.
Найденным в конце 1960-х гг. решением стала новая квантово-полевая теория слабого взаимодействия. Эта теория была построена не просто по лекалам квантовой электродинамики, она включила в себя квантовую электродинамику как частный случай. Аналогично тому, как электромагнитное взаимодействие осуществляется за счет обмена фотонами, слабое взаимодействие в рамках этой «электрослабой» теории осуществляется за счет обмена соответствующими частицами, получившими название W+, W— и Z0-бозонов.
С теориями такого типа имеется очевидная проблема. Фотоны не имеют массы, тогда как W+, W— и Z0-бозоны должны быть очень тяжелыми, иначе их обнаружили бы на несколько десятков лет раньше: ведь чем тяжелее частицы, тем больше энергии необходимо для их получения в ускорителе и тем дороже становится сам ускоритель. Решение связано с идеей так называемого спонтанного нарушения симметрии, успешно применявшейся в других областях физики частиц с 1960 г. Уравнения теории могут обладать определенными упрощениями, которые отсутствуют в решениях, описывающих результаты наблюдений
[37]: например, можно упростить соотношения, описывающие взаимодействие между фотоном, W+, W— и Z0-бозонами. В теории электрослабого взаимодействия симметрия между слабой и электромагнитной силами нарушается и W+, W— и Z0-бозоны, как и электрон, получают массы от четырех предполагаемых «скалярных» полей, пронизывающих Вселенную
[38]. Новая, недавно открытая частица, существование которой было предсказано теорией, представляет собой квант одного из этих скалярных полей
[39].
Поскольку уравнения теории электрослабого взаимодействия аналогичны уравнениям квантовой электродинамики, соответственно, все бесконечности в теории вроде бы должны исчезнуть. Доказательство было получено в 1971 г. Явления, связанные с обменом Z0-частицами, были зарегистрированы в 1973 г., и, как оказалось, наблюдения согласуются с предсказаниями теории электрослабого взаимодействия. Сами W+, W— и Z0-бозоны были открыты на 10 лет позже, и все их свойства соответствовали теоретическим оценкам.
Чуть больше времени потребовалось, чтобы понять природу еще одной силы, которая удерживает вместе протоны и нейтроны в атомном ядре. Речь идет о сильном ядерном взаимодействии. 50 лет назад мы располагали огромным массивом данных об этой силе и могли вообразить любое количество квантово-полевых теорий, потенциально пригодных для описания этого типа взаимодействия, однако у нас не было способа воспользоваться данными, чтобы выбрать правильную теорию. Поскольку сила взаимодействия велика, во всех этих теориях каждая возможная последовательность промежуточных шагов вносила существенный вклад во все наши расчеты. Учесть все эти вклады даже приблизительно, как мы делали в рамках теории электрослабого взаимодействия, было невозможно.
Ситуация усложнялась тем, что со временем обнаруживалось все больше и больше типов частиц, участвующих в сильном взаимодействии. Казалось невероятным, что все эти сотни типов частиц могут быть квантами различных полей, сгустками энергии поля, по одному полю на каждый тип частиц. Всем этим частицам можно было бы придать какой-то смысл, если предположить, что они состоят из по-настоящему элементарных частиц — кварков, относящихся к нескольким типам. Было сделано предположение, что каждый протон и нейтрон в атомном ядре состоит из трех кварков. Но если это так, почему экспериментаторы не смогли обнаружить эти кварки? Я помню охвативший всех пессимизм относительно того, можно ли вообще сильное взаимодействие описать хоть какой-то квантово-полевой теорией.
