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

Бэгготт Джим

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] .

175

Пресс-релиз ЦЕРНа, 22 августа 2011.

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] .

176

Фабиола Джанотти, цитата по пресс-релизу ЦЕРНа от 13 декабря 2011.

177

Рольф Хойер, заключительное слово на публичном семинаре ЦЕРНа l3 декабря 2011.

178

Телевизионное интервью Джона Баттерворта Джону Сноу, Channel 4 News, 13 декабря 2011.

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] .

179

Питер Хиггс со слов Алана Уокера, из личной переписки с автором, 13 декабря 2011.

180

Dorigo T. Firm Evidence of a Higgs Boson at Last! // A Quantum Diaries Survivor. Запись в блоге за 13 декабря 2011, www. science20xom/ quantum_diaries_survivor/.

181

Strassler М. Higgs Update Today: Inconclusive, as Expected // Of Particular Significance, комментарий к записи в блоге за 13 декабря 2011. profmattstrassler.com/2011/12/13/.

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.

182

Джон Баттерворт, из личной переписки с автором, 23 декабря 2011.