10 Шекспировский вопрос

10

Шекспировский вопрос

Глава, в которой БАК работает так, как никто не ожидал (кроме Линдона Эванса), и за несколько месяцев выполняет годовой план, а у бозона Хиггса остается все меньше мест, где он может прятаться

Лишь в начале сентября 2009 года, почти через год после первого запуска, последний из восьми секторов БАКа начал процедуру охлаждения. К концу октября все восемь секторов снова были охлаждены до своей рабочей температуры, и в ноябре БАК снова заработал. Несмотря на то что в зимние месяцы электричество стоит дороже, коллайдер проработал всю зиму 2009/10 года, главным образом чтобы физики ЦЕРНа не дали обогнать себя соперникам на Тэватроне, который тоже дразняще близко подошел к обнаружению бозона Хиггса.

За первые несколько месяцев 2010 года пучки протонов, летящие по двум кольцам БАКа в противоположных направлениях, разогнались до 3,5 ТэВ, а после этого столкнулись лоб в лоб. Первые столкновения на 7 ТэВ были зарегистрированы 30 марта. Эта энергия столкновения сохранялась при постепенном увеличении интенсивности и светимости пучков. Детекторы ATLAS и CMS зарегистрировали события, которые можно было отнести на счет очень многих старых знакомцев, поскольку весь сонм частиц Стандартной модели, открытых за шестьдесят с лишним лет, был обнаружен всего за несколько месяцев. Среди них были нейтральный пион, впервые открытый в 1950 году, эта-, ро– и фи-мезоны (образованные разными комбинациями верхних, нижних и странных кварков), J/?-мезон, Y-мезона и W– и Z-бозоны (см. рис. 26). В июле физики собирали новые данные об истинном кварке.

?⁺?^— масса (ГэВ/с²)

Рис. 26

В 2010 году, в первые несколько месяцев работы на энергии 7 ТэВ, коллаборации ATLAS и CMS зарегистрировали события – кандидаты на весь спектр известных частиц Стандартной модели. На графике коллаборации CMS показаны данные для J/?-мезона, ипсилона (Y-мезона, образованного прелестным кварком и его антикварком) и Z⁰-частицы, обнаруженные в результате образования мюон-антимюонных пар с разной энергией.

Источник: © copyright CERN, в интересах коллаборации CMS

8 июля 2010 года итальянский физик Томмазо Дориго написал у себя в блоге, что, по слухам, Тэватрон нашел свидетельство легкого бозона Хиггса. Слух быстро распространился по всему Интернету и попал в новости. Его почти сразу же опроверг Фермилаб в своем твиттере, пренебрежительно отозвавшись о «сплетнях, которые распространяют блогеры, ищущие славы»[151]. Потом Дориго пытался оправдаться тем, что «лучше намеками на возможные открытия держать физику элементарных частиц в новостях, которые потом утихнут, чем делать громкие и четкие заявления раз в десять лет, когда действительно случается прорыв, и молчать все остальное время»[152].

Правда или нет, но слухи были весьма показательны для соперничества между Фермилабом и ЦЕРНом, которое все усиливалось, и общего чувства, будто что-то вскоре может быть открыто. Ледерман уже раньше признавался, что возможное заявление ЦЕРНа о каком-то будущем открытии вызовет у него смешанные чувства: «Примерно как если бы теща упала в пропасть на твоем БМВ», – сказал он[153].

Дориго в блоге ссылался на слухи о данных с уровнем статистической достоверности 3 сигмы[154]. Данные с уровнем достоверности 3 сигмы соответствуют 99,7-процентной уверенности – иными словами, вероятность, что данные ошибочны, составляет 0,3 процента. Хотя такой уровень достоверности кажется очень убедительным, все же, чтобы физики могли уверенно объявить об «открытии», им требуются 5 сигм, или уровень достоверности 99,9999 процента.

Считалось, что такие типы столкновений, которые могли привести к образованию и распаду бозона Хиггса, случаются очень редко и, чтобы собрать достаточно данных для 5 сигм, потребовалось бы очень много событий-кандидатов. Поэтому ключевое значение приобретала светимость[155] пучка частиц. Чем выше светимость, тем больше количество столкновений за определенный промежуток времени и тем больше количество потенциальных кандидатов. Фактически интегральная светимость (сумма светимости за некоторое время) непосредственно связана с количеством столкновений-кандидатов.

Интегральная светимость измеряется в довольно непонятных единицах, которые называют обратными барнами. Интенсивность ядерных реакций характеризуется такой величиной, как эффективное поперечное сечение, выражаемое в квадратных сантиметрах. Можно считать, что сечение – это площадь гипотетического двухмерного «окна», в котором происходит реакция. Чем больше окно, тем более вероятна реакция. Чем более вероятна реакция, тем быстрее она произойдет. Измеренные сечения имеют размеры атомного порядка, обычно это некое число, умноженное на 10^–24 см². Сечение реакций с атомами урана оказалось таким большим, что один физик из Манхэттенского проекта саркастически заметил, что оно «размером с амбар»[156]. Так амбар, или барн, стал единицей измерения. Поперечное сечение, выраженное в виде некоего числа, умноженного на 10^–24 см², стали выражать этим числом в барнах. Пикобарн равен одной триллионной (10^–12) барна, или 10^–36 см². Фемтобарн равен одной квадриллионной (10^–15) барна, или 10^–39 см².

На заседании ЦЕРНа во французском городе Эвиан 8 декабря 2010 года Джанотти коротко обрисовала перспективы обнаружения бозона Хиггса и характер гонки между БАКом и Тэватроном. Исходя из простой статистики, даже при интегральной светимости до 10 обратных фемтобарнов (10 раз по 10¹⁵ обратных барнов, или 10⁴⁰ см^–2) до конца 2011 года, Тэватрон в поиске бозона Хиггса может добиться уверенности максимум в 3 сигмы в отдельных диапазонах энергии. Более мощный БАК в принципе способен генерировать данные с уровнем достоверности 3 сигмы в диапазоне 1–5 обратных фемтобарнов, в зависимости от массы хиггса.

17 января 2011 года Департамент энергетики США объявил, что не будет финансировать расширение программы Тэватрона после 2011 года. Это решение не означало конец гонки за бозоном Хиггса, но оно стало признанием того, что отныне не Фермилаб, а ЦЕРН будет находиться на переднем крае физики высоких энергий.

Первоначальный план выполнения работ для БАКа учитывал длительную остановку в 2012 году, необходимую для модернизации, которая позволит довести расчетную энергию столкновений протонного пучка до 14 ТэВ[157]. Но бозон Хиггса был уже так мучительно близок, что в январе 2011 года руководители ЦЕРНа согласились отложить закрытие и продолжить работы на БАКе с энергией 7 ТэВ до декабря 2012 года. Потенциальное повышение энергии столкновений до 8 ТэВ сочли слишком рискованным. Вместо этого было решено увеличить светимость пучка.

«Если природа к нам добра и частица Хиггса имеет массу в пределах теперешних возможностей БАКа, – сказал об этом решении генеральный директор ЦЕРНа Рольф Хойер, – то в 2011 году у нас будет достаточно данных, чтобы увидеть намеки, но недостаточно, чтобы сделать открытие. Если мы будем работать весь 2012 год, у нас будут все необходимые данные, чтобы превратить эти намеки в открытие»[158].

Сцена готова, занавес поднят.

Секретарь Эйнштейна Хелен Дюкас однажды спросила его, не мог бы он попроще объяснить ей принцип относительности, чтобы она могла отвечать на постоянные вопросы репортеров. Эйнштейн задумался и потом сказал так: «Час, проведенный на скамейке с красивой девушкой, пролетает как минута, а минута на горячей плите тянется как час»[159].

Напряжение и возбуждение, охватившее тысячи ученых в коллаборациях Фермилаба и ЦЕРНа, буквально витало в воздухе. Новых частиц не открывали уже больше 10 лет. Почти 11 лет прошло с тех пор, как коллайдер БЭП «мельком» заметил след Хиггса. И вот наконец новая физика подошла так отчаянно, мучительно близко. Сколько осталось? Полгода? Год? Два года? Это явно была не скамейка, а горячая плита.

Пожалуй, плотину не могло не прорвать.

Математический физик Колумбийского университета Питер Войт завел блог о физике высоких энергий, после того как в 2006 году с успехом вышла его книга Not Even Wrong с критикой современной теории струн. 21 апреля 2011 года кто-то оставил анонимный комментарий с кратким содержанием внутреннего документа коллаборации ATLAS. В нем говорилось, что найдены признаки бозона Хиггса с массой 115 ГэВ с достоверностью 4 сигмы.

Это была не утка. Документ составила небольшая группа американских физиков в университете Висконсин-Мэдисон, участвовавшая в эксперименте ATLAS. Во главе группы стояла У Саулянь, входившая в коллаборацию ALEPH, которая «мельком заметила» бозон в 2000 году перед закрытием БЭПа. То есть это не было совпадение, что У решила снова просмотреть диапазон энергий, в котором, как она считала, были замечены следы бозона Хиггса в прошлый раз.

Однако не обошлось без двух проблем. Первая была из области физики. Частица наблюдалась в так называемом двухфотонном канале распределения массы из общего количества данных примерно 64 обратных пикобарнов, собранных за 2010 год и в первой половине 2011.

Когда протон-протонные столкновения в БАКе происходят с энергией 7 ТэВ, в них происходят столкновения кварков и слияния глюонов, которые теоретически могут привести к образованию бозонов Хиггса. Какие каналы распада открыты для бозона Хиггса, зависит от его массы. Для массивного бозона Хиггса доступны каналы распада с образованием двух W-частиц или двух Z-частиц. Но в случае бозона с малой массой 115 ГэВ этой энергии недостаточно для таких каналов. Вместо них распад бозона происходит по-другому. Один из вариантов включает образование двух высокоэнергетических фотонов, этот процесс записывается в виде H???.

Проблема в том, что наблюдаемый резонанс был примерно в 30 раз больше, чем предсказывала Стандартная модель для этого конкретного канала распада.

Распад бозона Хиггса на два фотона в Стандартной модели подавляют так называемые W-бозонные петли, подразумевающие образование и последующее уничтожение W-бозонов. В итоге такая форма распада прогнозируется как очень редкая, на долю которой приходится лишь около 0,2 процента всех возможных форм распада. Если это действительно бозон Хиггса, тогда его распад на два фотона по какой-то причине значительно усилен. Чтобы это объяснить, возможно, пришлось бы прибегнуть к новым частицам, например кваркам и лептонам четвертого и даже пятого поколения.

Вторая проблема касалась статуса находки. Просочившийся документ, так называемая информационная записка коллаборации ATLAS, предназначался для внутреннего пользования с целью быстрого информирования о еще не проанализированных и не утвержденных результатах и обсуждения их в рамках коллабораций. Его никак нельзя было назвать «официальной» точкой зрения коллектива ATLAS. Дальнейший анализ и изучение результатов могло полностью отвергнуть их, так что даже не понадобилось бы составлять никакого официального документа.

Блогеры подхватили новость о просочившемся документе незадолго до пасхальных каникул, и несколько дней обсуждение оставалось в рамках блогосферы, посвященной физике высоких энергий. В 2009 году Дориго предсказывал, что новость об открытии бозона Хиггса сначала появится в чьем-то блоге. Он считал, что его предсказание оправдывается, но все же сильно сомневался, что это бозон Хиггса, и сказал, что ставит 1000 долларов против 500, что дальнейшие исследования не покажут никаких новых частиц с энергией 115 ГэВ в двухфотонном канале распада.

24 апреля, в пасхальное воскресенье, известие подхватили главные британские СМИ. Джон Баттерворт, физик ATLAS из лондонского Университетского колледжа, сделал взвешенное сообщение в новостной программе британского канала Channel 4. Он сказал: «Случилось то, что несколько человек не спали четыре ночи. Они со ставили кое-какие графики и порядком перевозбудились [и] передали их во внутренней записке по коллаборации. И это совершенно нормально. Все взволнованы, но, к сожалению, информация просочилась наружу. В данный момент это очень беспокойное место»[160]. На следующий день историю широко обсуждали в газетах.

В своем блоге на сайте газеты «Гардиан» Баттерворт высказался подробнее: «Нам сейчас довольно трудно сохранять холодный научный подход. А если мы сами не всегда способны оставаться спокойными, неудивительно, что все вокруг тоже переволновались. Поэтому у нас и предусмотрен строгий внутренний анализ, который проводят разные группы, и внешние рецензенты, и повторные эксперименты, и тому подобное»[161].

Вскоре появились противоположные слухи. Французский блог, посвященный физике высоких энергий 28 апреля заявил, что, изучив дополнительные данные, физики ATLAS пришли к выводу, что признаков бозона Хиггса нет. 4 мая штатный репортер New Scientist Дэвид Шайга опубликовал на сайте новость, что он якобы видел документ, попавший к нему из коллаборации CMS, где говорилось, что анализ их данных «ничего не дал»[162]. Благодаря таким утечкам до заинтересованных наблюдателей долетали отголоски происходящего в коллаборациях ATLAS и CMS, которые кидало назад и вперед.

8 мая коллаборация ATLAS опубликовала официальный отчет. Дальнейший анализ 132 обратных пикобарнов данных за 2010 и 2011 годы действительно ничего не дал; двухфотонный канал распределения массы не показал избытка событий. В своем блоге Баттерворт позднее объяснил, что нулевой результат не должен удивлять: даже Стандартная модель предсказывала, что еще не на что смотреть, но «более-менее скоро» чего-то можно ожидать. «Поэтому не теряйте интереса к двухфотонному спектру масс, – написал он, – но подождите открывать шампанское, пока данные не подтвердятся»[163].

Казалось, ждать уже недолго. В полночь 22 апреля БАК установил новый мировой рекорд мгновенной светимости 4,67 ? 10³² см^–2 с^–1, или 467 обратных микробарнов (467 миллионных барна) в секунду. В тот вечер дежурным инженером была Лоретт Понс, которая бывала в ЦЕРНе еще ребенком и поступила в лабораторию в 1999 году для работы над докторской диссертацией. «Мне и не снилось, что однажды именно я буду нажимать кнопку пуска Большого адронного коллайдера», – сказала она[164].

Поскольку дело было в полночь, в центре управления находилось совсем немного очевидцев этого момента. Понс закричала, бросилась в пляс и замахала руками, как ребенок.

Такое резкое увеличение светимости произошло за счет инжекции все большего и большего количества протонных сгустков из ПСС в каждый летящий по коллайдеру пучок. 3 мая пиковая светимость увеличилась еще больше – до 880 обратных микробарнов в секунду, 768 сгустков на пучок. В конце мая была зарегистрирована пиковая светимость 1260 обратных микробарнов в секунду.

Чтобы было понятнее, поперечное сечение неупругих протон-протонных столкновений на энергии 7 ТэВ составляет около 60 миллибарнов, то есть 0,06 барна. Таким образом, мгновенная светимость 1260 обратных микробарнов в секунду означает 1260 ? 10⁶ ? 0,06 = более 75 миллионов столкновений в секунду. Если взять сечение для получения бозона Хиггса на 7 ТэВ в размере 9 пикобарнов[165], то эта мгновенная светимость означает 1260 ? 10⁶ ? 9 ? 10^–12 = 0,011 бозона Хиггса в секунду, или 1 бозон Хиггса в среднем каждые 90 секунд.

Шум, поднявшийся из-за утечки, вызвал интерес к процессу, который может привести к объявлению официального результата. Джеймс Гиллис, директор ЦЕРНа по связям с общественностью, объяснил изданию New Scientist, что любой результат сначала будет обсуждаться и согласовываться в самой коллаборации (ATLAS или CMS), которая его получила, прежде чем о нем сообщат генеральному директору ЦЕРНа. Затем результат передадут второй коллаборации, чтобы она его подтвердила или опровергла. Потом будут извещены руководители других лабораторий и представители стран, финансирующих работу ЦЕРНа. После этого в ЦЕРНе состоится семинар, на котором и будет оглашен результат. К тому времени о нем будут знать уже многие тысячи людей. Утечка представлялась не просто весьма возможной, а практически неизбежной.

Так где плотину прорвет в следующий раз?

К 17 июня БАК успел собрать 1 обратный фемтобарн данных по каждой из коллабораций – а ведь эту цель ставили на весь 2011 год. «Вряд ли наши цели были заниженными, – пояснил Хойер, выступая перед сотрудниками, что он делал раз в полгода. – Думаю, мы установили реальные, но не слишком оптимистичные цели. И за себя, прирожденного оптимиста, должен сказать, что машина работала лучше, чем мы ожидали»[166].

Однако Линдон Эванс не слишком удивился. «БАК работает гораздо лучше, чем ожидали все, кроме меня, – заявил он. – Я очень доволен»[167]. Эванс пришел в ЦЕРН в 1969 году и участвовал в проекте БАК с самого начала, еще с совещания в Лозанне в 1984 году. С 1993 года он возглавлял проект. Проделанный путь был весьма волнующим.

Когда обе коллаборации ATLAS и CMS получили такое количество данных, ожидания возросли, как никогда. Данных должно было хватить, чтобы свидетельствовать о бозоне Хиггса в диапазоне масс 135–475 ГэВ с уровнем достоверности 3 сигмы. Либо их должно было хватить, чтобы со 100-процентной уверенностью исключить его из диапазона 120–530 ГэВ. Если говорить о планах до конца 2012 года, казалось, что вопрос решится так или иначе.

«По-моему, ответ на шекспировский вопрос о бозоне Хиггса – быть или не быть – будет получен в конце следующего года», – сказал Хойер[168].

После этого всеобщее внимание обратилось к назначенной на 21 июля конференции по физике высоких энергий, которое проводило в Гренобле Европейское физическое общество.

На конференции ЕФО коллаборации ATLAS и CMS впервые получили возможность поделиться результатами анализа более чем 1 обратного фемтобарна данных. То, что коллаборации смогли представить их буквально за несколько недель после того, как собрали данные, свидетельствовало об упорном и ревностном труде сотен физиков, которые без устали – и почти без сна – работали над анализом.

Стало понятно, что бозон (или бозоны) Хиггса – если таковой существует – не будет «найден» как таковой. Вместо этого из исследований устранят диапазоны масс бозона, ограничивая поиск все более узкими диапазонами, пока наконец у бозона Хиггса не останется мест, где он мог бы прятаться.

Итак, коллаборация ATLAS могла с 95-процентной уверенностью исключить существование бозона Хиггса Стандартной модели с массой 155–190 ГэВ и 295–450 ГэВ. Сам по себе это уже был серьезный результат. Тот факт, что в таком широком диапазоне энергий ничего не нашлось, оставил лисе несколько гипотетических курятников; большинство из них относилось к физике вне Стандартной модели.

Но это еще не все. Данные эксперимента ATLAS также показали избыток событий над ожидаемым фоном между 120 и 145 ГэВ. Причины могли быть разные, например ошибки в анализе, фоновые флуктуации в событиях, которые не были должным образом спрогнозированы или рассчитаны, или системные неопределенности детектора. Либо это мог быть первый признак того, что нечто вроде бозона Хиггса Стандартной модели или, может быть, даже многих бозонов Хиггса прячется в этом диапазоне.

В избытке преобладали события, которые можно было отнести к двум разным каналам распада бозона Хиггса. Это был распад бозона на две W-частицы и затем на два заряженных лептона и два нейтрино (записывается в виде H ? W+W^— ? l+? l^—?)[169] и несколько более редкий канал, в котором бозон Хиггса распадается на две Z⁰-частицы и потом на четыре заряженных лептона (записывается в виде H ? Z⁰Z⁰ ? l+ l^— l+ l^—)[170]. Ожидалось, что первый канал будет преобладающим каналом распада бозона Хиггса Стандартной модели с достаточной массой, но, разумеется, нейтрино и антинейтрино, получаемые подобным образом, приходилось выводить логически, так как их невозможно обнаружить, а всем известно, как тяжело отличить истинные события с бозоном Хиггса от фоновых. Поэтому данные для этого канала позволяли только вывести диапазон масс бозона.

Второй канал гораздо чище. На самом деле этот канал называют «золотым», потому что в нем почти отсутствуют фоновые события и таким образом он обеспечивает потенциально очень точную оценку массы бозона Хиггса. Он, кроме того, встречается очень редко, примерно один на тысячу бозонов Хиггса распадается таким образом.

Наблюдаемый избыток событий в объединенных данных коллаборации ATLAS составил в целом 2,8 среднеквадратичного отклонения, или 2,8 сигмы выше фона. Это было не вполне 3 сигмы и далеко не 5 сигм, которые требовались, чтобы объявить об открытии. Тем не менее это весьма прозрачный намек. Что же нашел CMS?

Коллаборация CMS объявила, что можно с 95-процентной уверенностью исключить диапазоны 149–206 ГэВ, большую часть диапазона 200–300 ГэВ и диапазон 300–440 ГэВ. Объединенные данные CMS также показали любопытный избыток событий в районе 120–145 ГэВ, со статистической значимостью, которую оказалось трудно определить, но которая была чуть меньше, чем у коллаборации ATLAS.

Все это очень будоражило. ATLAS и CMS, которые до конференции работали по отдельности, втайне и соревнуясь, обнаружили почти одно и то же.

Но впереди по-прежнему лежал еще очень долгий путь. После презентации несколько членов коллабораций ATLAS и CMS собрались поднять по бокалу шампанского за новости и обсудить дальнейшие шаги. Предстояло создать небольшую рабочую группу, чтобы соединить результаты обеих групп, обновить их в соответствии с последними данными и представить более точную оценку.

Коллайдер продолжал бить собственные рекорды. 30 июля он достиг пиковой светимости 2030 обратных микробарнов в секунду (более 120 миллионов протон-протонных столкновений в секунду). Несмотря на некоторые проблемы со стабильностью, к 7 августа обе коллаборации собрали более 2 обратных фемтобарнов данных. Это уже вдвое больше данных, чем было проанализировано и представлено на конференции ЕФО.

ЦЕРН успел бы подготовить объединенные и обновленные результаты к следующей крупной конференции – XV международному симпозиуму по лептон-протонным взаимодействиям с высокими энергиями, который должен был начаться 22 августа в Институте фундаментальных исследований Тата в Мумбаи, Индия.

Казалось, что ответ на шекспировский вопрос будет получен в ближайшие месяцы.

Эйнштейн однажды заявил: «Господь Бог изощрен, но не злонамерен»[171]. И даже если новая глава эпоса о поиске бозона Хиггса и не говорит о кознях особо злонамеренного божества, но все-таки развитие событий намекает, что у Господа Бога по крайней мере довольно хулиганское чувство юмора.

За несколько недель до Мумбайской конференции блогосфера наполнилась слухами, что объединенные данные ATLAS и CMS уже гораздо менее неопределенно говорят о бозоне Хиггса с энергией около 135 ГэВ. Объединенные данные двух коллабораций как будто предполагали избыток событий распада бозона Хиггса с гораздо более высокой статистической значимостью, чем 3 сигмы. Ожидание становилось все напряженнее. Хотя 3 сигмы еще не соответствовали открытию, по уверенности физиков, прямо связанной с результатами, можно было бы судить о том, верят ли они, что это действительно «оно».

Я встретился с Питером Хиггсом дождливым четвергом в Эдинбурге, за несколько дней до начала Мумбайской конференции. Хиггс ушел на пенсию в 1996 году, но оставался в Эдинбурге и поддерживал связь с университетской кафедрой, где впервые стал преподавателем математической физики в 1960 году. Сейчас это был 82-летний бодрячок. Мы сидели в кофейне с его коллегой и другом Аланом Уокером и разговаривали о его жизни и надеждах на ближайшее будущее.

Статью, которая навеки связала его имя с названной в честь его частицей, Хиггс опубликовал в 1964 году[172]. Он 47 лет ждал хоть какого-то подтверждения. Мы говорили о том, чего ждать от Мумбайской конференции, и какие основания у нас есть для оптимизма, и стоит ли ожидать сообщения о чем-то эпохальном. «Я с трудом вспоминаю того человека, которым я был тогда [в 1964 году], – сказал Хиггс. – Но я рад, что дело идет к концу. Будет здорово, если после всех этих лет я окажусь прав»[173].

После обнаружения бозона Хиггса открывателей механизма Хиггса непременно будет ждать Нобелевская премия, и споры велись как раз из-за того, кого из них признает Нобелевский комитет: Энглера, Хиггса, Гуральника, Хейгена или Киббла[174]. Мы говорили о том, что вокруг уверенного подтверждения из Мумбаи и всех последующих заявлений Шведской академии, скорее всего, поднимется большая шумиха. Придется высказаться и пресс-службе Эдинбургского университета. И если шумиха зайдет слишком далеко, Хиггс просто отключит телефон и не будет открывать дверь.

Однако пока что в таких экстремальных мерах не было необходимости. Когда в следующий понедельник, 22 августа, открылась Мумбайская конференция, Джеймс Гиллис из ЦЕРНа опубликовал пресс-релиз. Там не упоминались объединенные данные ATLAS и CMS, обещанные в Гренобле. После поправок в соответствии с новым обратным фемтобарном данных по столкновениям, собранных в период между конференциями, статистическая значимость избытка событий, который наблюдали ATLAS и CMS в нижнем диапазоне масс около 135 ГэВ, фактически уменьшилась. «После анализа дополнительных данных значимость этих флуктуаций существенно понизилась», – уныло гласил пресс-релиз[175].

Трудно было не разочароваться. То, на что намекали представленные в Гренобле результаты, потеряло значимость в результатах, представленных в Мумбаи. Необычайная производительность БАКа, собравшего более двух обратных фемтобарнов данных по каждому детектору к августу 2011 года, создала ожидание, что ответ на «шекспировский вопрос» появится скорее рано, чем поздно. Господь Бог, как видно, решил попроказничать – легко не будет.

Хотя на тот момент каждая из двух коллабораций зарегистрировала данные по более чем 140 триллионам протон-протонных столкновений, физики по-прежнему имели дело всего лишь с горсточкой избыточных событий. А при недостатке данных статистические оценки могут очень сильно колебаться. Мелкие изменения могут показаться громадными.

Например, статистика подбрасывания монеты кажется простой донельзя. Мы знаем, что у орла и решки одинаковые шансы выпасть – 50 на 50. Но если взять лишь несколько подбрасываний, нам вполне может попасться последовательность, в которой преобладают либо орлы, либо решки. Это не значит, что монета «врет». Дело всего лишь в том, что мы наблюдали недостаточное количество подбрасываний, чтобы доказать теорию. Можно ожидать, что по мере накопления данных избыток постепенно исчезнет.

Представленные в Мумбаи результаты еще не означали, что бозона Хиггса Стандартной модели не существует. В диапазоне энергии 115–145 ГэВ еще оставались избыточные события, но именно этот диапазон энергий всегда считался довольно проблематичным для БАКа.

Оставалось только одно. Сохранять терпение и ждать новых результатов. Хиггс ждал 47 лет. Можно подождать и еще пару месяцев.

БАК все лето и осень 2011 года работал лучше всяких ожиданий, и его пиковая светимость достигла 3650 обратных микробарнов в секунду. Протонные пучки остановились 31 октября, и к тому времени обе коллаборации собрали более 5 обратных фемтобарнов данных из 350 триллионов протон-протонных столкновений.

Но времена были тревожные и непонятные. Мумбайская конференция подорвала уверенность. После нее ЦЕРН не делал никаких заявлений о бозоне Хиггса и не собирался. Давно обещанные сводные данные коллабораций ATLAS и CMS в конце концов были опубликованы, но они не сказали ничего нового и повторили только июльские выводы из двух обратных фемтобарнов данных. В тот момент общий объем данных был уже в пять с лишним раз больше.

Но вместо ЦЕРНа 23 октября 2011 года возбужденный шум вызвала новость, что группа физиков эксперимента OPERA¹, глубоко в горе Гран-Сассо Центрально-Итальянских Апеннин, готова сообщить о результатах кропотливого измерения скорости мюонных нейтрино, которые генерировали в ЦЕРНе, в 730 километрах оттуда. Результаты говорили о том, что нейтрино прошли сквозь землю и пришли в пункт назначения со сверхсветовой скоростью.

Пока бушевали споры о сверхсветовых нейтрино, другие физики ЦЕРНа занимались тем, что пытались объяснить, почему необнаружение бозона Хиггса все-таки будет представлять собой важный шаг вперед для физики высоких энергий. Безусловно, его необнаружение подорвет Стандартную модель и заставит теоретиков снова вернуться к мелу и доске. Но, несмотря на всю целеустремленность поисков, не найти ничего – это совсем не то же самое, что и найти что-то.

При этих мрачноватых перспективах объявленная советом ЦЕРНа конференция с представителями странучастниц для обсуждения последних событий не вызвала особого интереса. Первый день конференции, 12 декабря 2011 года, будет закрытым. На следующий день были назначены публичные обсуждения с Джанотти и Тонелли, которые казались несколько более обещающими. В конце концов, может быть, у них найдется что-нибудь интересное?

OPERA – сокращение от Oscillation Project with Emulsion-Tracking Apparatus (проект изучения осцилляций в эмульсионном аппарате), коллаборация ЦЕРНа и Национальной лаборатории Гран-Сассо (LNGS), Италия.

Журналисты со всего мира собрались в ЦЕРНе во вторник 13 декабря. Конечно, их несколько обескуражила сухая и техническая презентация, которую они просмотрели, но выводы тем не менее звучали вполне убедительно.

Объединив данные по нескольким возможным каналам распада бозона Хиггса, коллаборация ATLAS зафиксировала избыток событий, который соответствовал 3,6 сигмы над ожидаемым фоном для бозона Хиггса с массой 126 ГэВ. Коллаборация CMS сообщила об общем избытке событий с чуть более низкой статистической значимостью 2,4 сигмы для бозона Хиггса с массой около 124 ГэВ.

Физики тем не менее призывали к осторожности. «Возможно, причина избытка в отклонениях, – сказала Джанотти. – Но может быть, это и нечто более интересное. На этом этапе мы не можем делать выводов. Нам нужны дополнительные исследования и дополнительные данные. При условии такой же превосходной работы БАКа в этом году нам не придется долго ждать, и мы можем надеяться на разрешение этой головоломки до конца 2012 года»[176].

Хойер пояснил: «[Данные показывают] интересные признаки в нескольких каналах распада в обоих экспериментах, но прошу вас не делать поспешных выводов. Мы пока его не нашли. Мы пока его не исключили. Оставайтесь с нами и в следующем году»[177]. Джон Баттерворт сказал в новостях британского канала Channel 4: «Мы все очень волнуемся, потому что все выглядит весьма многообещающе и, как сказал Рольф Хойер, его заметили сразу в нескольких местах. Но нам все равно придется рискнуть еще пару раз»[178].

Сам Хиггс высказался в соответствии с «линией партии»: «Ну ладно, я не буду дома топить горе на дне бутылки виски, но и шампанское я тоже погожу открывать!»[179]

В тот же день Дориго сделал запись в блоге, где заявил, что результаты представляют собой «убедительное свидетельство» в пользу бозона Хиггса Стандартной модели с массой около 125 ГэВ[180]. Потом разразилась короткая, но яростная словесная баталия в блогосфере, когда американский физик-теоретик Мэтт Стрэсслер высказался более консервативно, в том смысле, что Дориго поторопился объявить свидетельство «убедительным»: «Если бы он сказал «некоторые предварительные данные», к нему не было бы претензий. Но так, по-моему, он перешел границу»[181].

На самом деле физики хором призывали не делать поспешных выводов, но по отдельности многие были готовы рискнуть, как сказал мне Баттерворт: «Нам действительно нужны данные для уверенности, но сам бы я сделал ставку. [Все] зависит от того, насколько ты азартен»[182].

По меньшей мере для оптимизма были хорошие основания. Новый запуск БАКа был назначен на апрель 2012 года, и в центре внимания снова окажутся большие летние конференции.

Параметры предстоящего запуска определил семинар в Шамони в феврале 2012 года. Через год необычайно успешной работы инженеры были гораздо увереннее в возможностях коллайдера и согласились довести энергию протон-протонных столкновений до 8 ТэВ. С такой более высокой энергией можно было ожидать до 30-процентного увеличения скорости образования бозонов Хиггса, что с учетом увеличенного фона все же давало увеличение чувствительности на 10–15 процентов. Цель состояла в том, чтобы за 2012 год собрать 15 обратных фемтобарнов данных с высокой энергией столкновений. Этого, безусловно, должно было хватить, чтобы в конце концов закончить поиск Хиггса.

22 февраля стало известно, что сверхсветовая скорость нейтрино, установленная экспериментом OPERA, оказалась ошибкой. Из-за неисправного оптоволоконного кабеля произошла небольшая задержка, и время прохождения нейтрино сократилось примерно на 73 миллиардные доли секунды. Когда ошибку исправили, измерение полностью соответствовало нейтрино, движущимся со скоростью света.

Несмотря на столь нелепую развязку, физики повсюду вздохнули с облегчением в уверенности, что специальной теории относительности Эйнштейна ничто не угрожает. Несколько руководителей коллаборации OPERA ушли со своих постов. Это был отрезвляющий момент, напомнивший (если кто-то забыл), что может случиться, если коллектив сложного эксперимента по физике сделает какие-то громкие заявления, которые впоследствии окажутся неверными.

Коллайдер возобновил работу 12 марта и восемь дней спустя достиг энергии 8 ТэВ. Обычный режим работы с протонными пусками начался в середине апреля. Мгновенная светимость дошла до пикового значения 6760 обратных микробарнов в секунду. Несмотря на небольшую задержку в сборе данных из-за технических проблем с охлаждением, к концу мая БАК уже поставлял впечатляющий объем данных: 1 обратный фемтобарн в неделю на каждую коллаборацию.

Складывались все условия для того, чтобы объявление состоялось на 36-й международной конференции по физике высоких энергий (ICHEP), которая должна была открыться 4 июля в Мельбурне, Австралия. Окончательная дата, когда должен был прекратиться сбор данных, чтобы успеть проанализировать их и представить на конференции, была назначена на 10 июня, и к тому моменту БАК позволил собрать данные объемом около 5 обратных фемтобарнов по обоим детекторам ATLAS и CMS, то есть столько же, сколько они собрали за весь 2011 год.

Разумеется, среди блогеров, пишущих о физике высоких энергий, поползли слухи. Питер Войт передал слух, что якобы снова появились уверенные признаки бозона Хиггса и данные 2011 года плюс около половины данных, собранных за 2012, свидетельствуют об избытке событий в канале Н ? ?? со статистической значимостью 4 сигмы. Обсуждение становилось все более бурным. Все как будто говорило о том, что ATLAS и CMS собираются сообщить о данных, показывающих избыток, которым лишь чутьчуть не хватает до 5 сигм, чтобы заявить об открытии. Если это действительно правда, то можно было не сомневаться, что результат объединения данных обеих коллабораций, скорее всего, будет говорить в пользу бозона Хиггса или чего-то в этом роде.

Но пойдут ли коллаборации на этот шаг? А если нет, вопрос останется официально незакрытым до получения новых данных. Тогда у блогеров будет возможность свободно публиковать свои весьма логичные, но, разумеется, неофициальные интерпретации данных. Может быть, они даже заявили бы об «открытии», которое официально никто не подтверждал. За всю историю науки еще никогда не складывалась подобная ситуация.

И вдруг, всех удивив, ЦЕРН заявил о том, что 4 июля в Женевской лаборатории будет проходить специальный семинар в преддверии конференции ICHEP. На семинаре будут представлены последние данные по поиску бозона Хиггса от коллабораций ATLAS и CMS, после чего состоится пресс-конференция. Приглашены Хиггс, Энглер, Гуральник, Хейген и Киббл[183].

Неужели это был знак, что одна или обе коллаборации добились статистической значимости 5 сигм, которая требовалась, чтобы объявить открытие состоявшимся? Все бросились строить догадки пуще прежнего. Чтобы не отставать, физики Фермилаба напомнили, что обе коллаборации Тэватрона – D0 и CDF – накопили почти 10 обратных фемтобарнов данных на низких энергиях столкновения. На мартовской конференции во французском Морионе физики Фермилаба продемонстрировали результат, предполагавший избыток в диапазоне 115–135 ГэВ с уровнем достоверности 2,2 сигмы и преобладанием распада до двух нижних кварков, то есть того канала, который трудно наблюдать в БАКе из-за высокого фона. 2 июля, за два дня до церновского заявления, состоялся семинар, на котором физики Фермилаба заявили, что благодаря усовершенствованию анализа довели значимость до 2,9 сигмы. Конечно, этого не хватало, чтобы заявить об открытии, но такой результат был бы убедительным подтверждением любого последующего заявления об открытии.

4 июля я смотрел онлайн-трансляцию из ЦЕРНа, удобно устроившись у себя в кабинете, и следил за реакцией зрителей по записям в блоге, которые в режиме реального времени выдавал присутствовавший на семинаре Дориго.

Сегодня особый день, объявил Хойер, и по нескольким причинам. В конце концов, он открывает собой международную конференцию по физике, первую в истории, которая транслируется по видео на разные континенты.

Первым взял слово Джо Инкандела, профессор физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, он выступал как представитель CMS. Инкандела казался нервным, видимо, он осознавал всю важность этого исторического момента. Но по мере выступления он начал говорить все увереннее.

В своей презентации он по праву подчеркнул поразительную сложность экспериментов. Просто сложить данные и получить один результат – ответ на вопрос «быть или не быть бозону Хиггса» – это не уважать труд всех тех, кто обеспечивает работу БАКа, оперирует детекторами и триггерами, отбирает события, рассчитывает фон, управляет международной вычислительной сетью, производит детальный анализ и практически не спит. Инкандела уделил некоторое время этим техническим аспектам, как будто чтобы уверить слушателей в том, что не может быть никакого сомнения в результатах, о которых он собирается рассказать.

Когда он в конце концов дошел до дела, главный тезис его выступления вызвал всеобщий трепет. Объединив данные по столкновениям с энергией 7 ТэВ за 2011 год и с энергией 8 ТэВ за 2012 год, коллаборация установила избыток событий в районе 125 ГэВ в канале Н ? ?? со значимостью 4,1 сигмы. Аналогичное объединение данных для канала H ? Z⁰Z⁰ ? l+ l^— l+ l^— показало избыток событий со значимостью 3,2 сигмы. После сопоставления данных по обоим каналам статистическая значимость составила 5,0 сигм. Для избытка, который ожидался для бозона Хиггса Стандартной модели с такой массой, достаточно было 4,7 сигмы. «Приятно получить пятерку», – сказал Инкандела[184].

Зал взорвался овацией.

Оставалось еще сообщить о некоторых других результатах по другим каналам распада, но они мало что добавили к общей картине. Объединенный результат показан на рис. 27, a на примере p-значения – мере статистической значимости результатов – в сравнении с массой бозона Хиггса.

После этого, учитывая нехватку времени, семинар сразу же перешел к второй детекторной коллаборации. Фабиола Джанотти представила результаты эксперимента ATLAS. Она выступила примерно в том же духе, подчеркнув важные технические аспекты эксперимента. Меня поразил один необычайный факт: при целых 10,7 обратного фемтобарна данных количество избыточных событий с энергией 126 ГэВ, которое прогнозировалось в канале Н ? ??, было оценено всего в 170. Количество фоновых событий с той же энергией прогнозировалось на уровне 6340, таким образом, отношение сигнал – фон составляло всего 3 процента.

Главный вывод у Джанотти был примерно такой же, что и у ее коллеги по CMS. Объединив данные за 2011 и 2012 годы, они получили избыток энергии 126,5 ГэВ в канале Н ? ??со значимостью 4,5 сигмы, что несколько больше (вдвое), чем предсказывает Стандартная модель. Соответствующие данные для канала H ? Z⁰Z⁰ ? l+ l^— l+ l^— показали избыток на 125 ГэВ со значимостью 3,4 сигмы. Соединив данные по двум каналам распада, коллаборация получила избыток со значимостью 5,0 сигмы, тогда как Стандартная модель предсказывала 4,6 сигмы. Итог изображен на рис. 27, в. Обе коллаборации получили данные со статистической значимостью 5 сигм, достаточной, чтобы заявить об открытии. Снова аплодисменты.

Хойер заявил: «Как неспециалист, я бы сказал, что, помоему, у нас получилось. Вы согласны?»[185] Бесспорно, ученые открыли нечто очень похожее на бозон Хиггса Стандартной модели, и на взгляд неспециалиста это действительно был он. Но физики оперируют более точными критериями. Они решили не распространяться, о каком именно открытии только что объявили, и под мягким нажимом журналистов на последующей пресс-конференции предпочли говорить, что новая частица совпадает с бозоном Хиггса. Они не захотели втягиваться в рассуждения о том, действительно ли это тот самый бозон Хиггса или нет.

Рис. 27

Предварительные результаты, о которых 4 июля 2012 года сообщили коллаборации CMS и ATLAS. Графики показывают варианты p-значения – величины статистической значимости – в сравнении с массой бозона Хиггса. (a) Результаты CMS показывают избыток событий для каналов Н ? ?? и H ? Z⁰Z⁰ ? l+ l^— l+ l^— и их сочетания, которое достигает решающего уровня 5 сигм. Пунктирной линией показан избыток, который предсказывает для бозона Хиггса Стандартная модель. (b) Аналогичный график коллаборации ATLAS показывает примерно такой же результат. Источник: © copyright CERN

Очевидные факты были таковы: новый бозон имел массу в пределах 125–126 ГэВ и взаимодействовал с другими частицами Стандартной модели именно таким образом, который прогнозировался для бозона Хиггса. Помимо наблюдаемого превышения в канале распада H ???, формы распада нового бозона на другие частицы так же соотносятся друг с другом, как это ожидается от бозона Хиггса в Стандартной модели. Хотя оба эксперимента, ATLAS и CMS, ясно показывают, что это бозон, ни тот ни другой не могут точно определить его спин, который может иметь значение 0 или 2. Однако единственная частица с ожидаемым спином 2 – это гравитон, гипотетический переносчик гравитационного взаимодействия. Поэтому спин 0 был гораздо более вероятен. Перефразируя Руббиа, есть соблазн сказать, и не без оснований: «Он выглядит как бозон Хиггса Стандартной модели, он пахнет как бозон Хигг са Стандартной модели, значит, это и есть бозон Хигг са Стандартной модели».

В действительности эти результаты открывают врата в новое долгое путешествие. Открыт бозон, который в глазах всего мира выглядит как бозон Хиггса. Но какой бозон Хиггса? Стандартной модели нужен только один, чтобы нарушалась электрослабая симметрия. Минимальной суперсимметричной Стандартной модели нужно пять. У других теоретических моделей другие требования. Единственный способ выяснить, какая именно частица открыта, – это исследовать ее свойства и поведение в дальнейших экспериментах.

В пресс-релизе ЦЕРНа говорилось так[186]: «Чтобы уверенно установить характеристики новой частицы, требуется значительное время и усилия. Но каков бы ни оказался характер частицы Хиггса, вскоре мы сделаем большой шаг вперед в понимании фундаментальной структуры материи».

После заслуженных поздравлений и одобрительных похлопываний по спине семинар закончился. Когда у Питера Хиггса спросили, что он думает, он поздравил лабораторию с потрясающим успехом и сказал: «Это поистине невероятно, что такое событие случилось еще при моей жизни»[187].

Важный этап в наших попытках понять фундаментальную природу материи подходит к концу. Вскоре начнется новый увлекательный путь.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.