Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Бэгготт Джим

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.

169

Лептоны и нейтрино образуются в комбинациях. Например, частица W^— распадается на электрон или мюон и соответствующее антинейтрино, а частица W+ распадается на позитрон или антимюон и соответствующее нейтрино.

170

И опять-таки лептоны образуются в комбинациях: электроны с позитронами, мюоны с антимюонами.

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.

171

В память об Эйнштейне фраза «Raffiniert ist der Herrgott, aber boshaft ist er nicht» вырезана в камне над камином зала Файн-Холл Принстонского университета.

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] .

172

Хотя предсказанная им частица прославилась под именем бозона Хиггса лишь в 1972 году.

173

Интервью Питера Хиггса автору, 18 августа 2011.

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.

174

К несчастью, Роберт Браут умер после продолжительной болезни в мае 2011 года. Нобелевская премия не вручается посмертно, и ее могут разделить не более чем три человека.