В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Сэмпл Иэн

Решение эксплуатировать LHC на половине его проектной энергии далось нелегко, но ЦЕРН не мог позволить себе допустить возможность еще одной разрушительной аварии, подобной той, из-за которой машина закрылась на год в 2008 году. Остановка коллайдера надолго — серьезная проблема: не работает машина — нет столкновений, значит, нет результатов. А значит, останавливается развитие физики и пропадает энтузиазм у перспективных студентов, стремящихся получить докторские степени. Многие физики сегодня считают, что, во всяком случае, в ЦЕРНе бесспорного открытия бозона Хиггса до 2015 года ждать не приходится.

Эллис хватает ноутбук и открывает статью с результатами последних — на февраль 2010-го — экспериментов, проведенных на коллайдере “Теватрон” в лаборатории Ферми ¹⁸⁹.

Он указывает пальцем на один из графиков, демонстрирующий, насколько результаты, полученные на американском коллайдере, отличаются от того, что могло бы быть при рождении частиц Хиггса с различными массами. “Интересно, что именно подобное мы и ожидали бы увидеть, если бы родился бозон Хиггса с такой массой”, — говорит он, указывая на часть графика, соответствующую кандидату на бозон Хиггса с массой 115 ГэВ. Это та область, где на предыдущем коллайдере ЦЕРНа в 2000 году увидели трек, напоминающий след хиггсовского бозона. “Теоретики громко спорили тогда, — говорит Эллис, — ведь это мог быть он — прямо там. Очень вероятно, что они уже нашли частицу Хиггса”.

Существует большая разница между “кандидатом на открытие” и настоящим открытием. По состоянию на начало 2010 года правительство США планировало прекратить работу коллайдера “Теватрон” в конце 2011 года, примерно тогда же, когда LHC закроют на переделку ¹⁹⁰. Большинство физиков считает, что им отпущено слишком мало времени, чтобы устранить сомнения в обнаружении частицы Хиггса. Лучшее, на что ученые с “Теватрона”, по их словам, могли надеяться, — это увидеть намек на рождение частицы Хиггса, похожий на то, что увидели в ЦЕРНе за несколько месяцев до окончательного закрытия коллайдера LEP в 2000 году и что едва не привело в состояние помешательства всю команду ЦЕРНа. “Физики Фермилаба предпринимают невероятные усилия, чтобы сделать это чертово открытие — гораздо большие, чем кто-либо может себе представить. Но они не волшебники, а потому просто не наберут достаточно столкновений за это время, — говорит Эллис. — Даже если им очень повезет, они смогут лишь претендовать на получение некоторых свидетельств, но — не на открытие”.

Однако этот прогноз, возможно, был преждевременным. В сентябре 2010 года директор Фермилаба — Пьер Оддон — во всеуслышание заявил о намерении продлить работу “Теватрона” до 2014 года. Принятия окончательного решения ожидали в начале 2011 года ¹⁹¹.

В нескольких минутах ходьбы от офиса Эллиса находится здание номер 40 — де-факто штаб-квартира команды “Атласа”, детектора БАКа, одной из крупнейших научных групп во всей истории науки — в ней работает более 3000 физиков (большая часть при этом не выезжает из своих университетов). Глава группы — итальянка Фабиола Джанотти, приехавшая работать в ЦЕРН в 1987 году. СМИ иногда поднимают страшный шум по поводу того, что женщине доверено возглавлять такой большой коллектив ученых. Вообще говоря, реклама — вещь полезная, но в рекламе такого рода проскальзывают отвратительные сексистские нотки. ЦЕРН — поистине уникальное место, здесь представлены самые разные народы, культуры. Не имеет никакого значения, откуда вы сюда приехали, а также ваш возраст или ваш пол. Важно лишь то, насколько хорошо вы разбираетесь в своей области, страсть, с которой вы отдаетесь науке, и умение ладить с окружающими людьми.

Группа “Атлас” и команда, работающая на соседнем детекторе, называемом CMS, находятся в первых рядах охотников за частицами Хиггса на LHC. Обе группы ученых планировали с самого начала делиться своими данными, чтобы максимально увеличить шансы на открытие. “Частицу Хиггса долго искали, — говорит Джанотти. — Я воспринимаю это как продолжение долгого приключения. В какой-то момент с помощью нашей машины мы скажем решающее слово”.

Существует одна интересная возможность — после столь долгого соревнования, имея в виду предстоящее длительное отключение LHC в конце 2011 года, ученые могут объединить данные, полученные на европейском коллайдере, с теми, что добыты в Фермилабе на “Теватроне”. Если на обеих машинах к тому времени найдут свидетельства существования бозона

Хиггса, они вместе могут оказаться достаточными для объявления об открытии. Тогда европейский и американский ускорители закончат охоту на частицы Хиггса и пересекут финишную черту одновременно.

Однако в науке существуют гораздо более важные вещи, чем победа в гонке за открытием, и отчего у физиков действительно захватывает дух, так это от новостей о природе частиц Хиггса. Большинство физиков, с которыми я говорил, очень надеются, что, когда (и если) бозон Хиггса будет найден, он окажется таким, каким его видит теория суперсимметрии, предсказывающая существование тяжелых и невидимых партнеров у всех известных нам частиц. Суперсимметричная частица Хиггса может открыть ученым дверь в новую физическую реальность и приблизить их на один большой шаг к единой теории, описывающей все частицы и силы природы.

Простейшая возможность (а этого достаточно, чтобы в представлениях некоторых физиков сделать ее самой вероятной) состоит в том, что ученые обнаружат одну незаряженную частицу Хиггса, которая плотно уляжется в Стандартную модель как последний кусочек пазла. Это помогло бы разгадать тайну происхождения массы и развязать последний узел, оставшийся в Стандартной модели. Но тогда физики окажутся в очень затруднительном положении, поскольку им известно, что Стандартная модель не описывает всего многообразия явлений, происходящих во Вселенной. Например, она ничего не говорит о темной материи или гравитации, а ученые отчаянно хотят, чтобы бозон Хиггса указал путь к пониманию этих и других тайн природы.

В одном из наших разговоров со Стивеном Вайнбергом (когда я приезжал к нему в Университет Остина, штат Техас) он посетовал, что физика элементарных частиц оказалась в ненормальной ситуации: теоретические идеи ушли намного вперед в объяснении того, что экспериментаторы лишь надеются увидеть в своих экспериментах в будущем, и в этом нет ничьей вины. Бозон Хиггса может подсказать выход из тупика, но — не обязательно. “Открытие единственной нейтральной частицы Хиггса не выведет нас из депрессии, а наоборот, еще более усилит наше подавленное состояние, — сказал он. — Мы обнаружим только то, что ожидали увидеть, и не получим ключа к пониманию нового. Для нас было бы лучше, если бы существовало несколько видов частиц Хиггса или их не было вовсе”.

Перспектива остаться с пустыми руками по окончании охоты на бозон Хиггса очень реальна, по крайней мере, так думают некоторые ученые. В декабре 2009 года, всего через несколько дней после того, как на LHC увидели первые пробные столкновения, Тини Вельтман, который разделил в 1970-х годах Нобелевскую премию с Герардом т’ Хоофтом за работы, связанные с механизмом Хиггса, выступил на семинаре в ЦЕРНе. Вельтман высказал предположение, что частицы Хиггса просто могут не существовать и что все частицы обретают массу другим способом ¹⁹². Если они, эти неуловимые бозоны, все-таки существуют, то вполне могут быть невидимыми. Это означает, что, едва родившись, они сразу распадаются на такие частицы, которые в современных детекторах увидеть нельзя. Вельтман закончил доклад словами: “Если уже в ближайшем будущем бозон Хиггса найден не будет, то он либо не существует, либо невидим. Сейчас мне кажется более вероятной перспектива, которую можно сформулировать кратко так: “Хиггса не существует”.

Вельтман не единственный, кто сомневается в существовании частицы Хиггса в том виде, в котором большинство ученых склонны ее представлять. В 2009 году два физика, Дэвид Станкато и Джон Тернинг из Калифорнийского университета в Дэвисе, заявили, что бозон Хиггса может быть вовсе не частицей, а тем, что они назвали “нечастица” или “Нехиггс” ¹⁹³.

Эти нечастицы последнее время вызывают огромный интерес. У них много общего с обычными частицами, но и ряд особенностей. Нормальные частицы имеют четко определенные массы, а масса нечастиц размыта и неопределенна. Этот факт сам по себе ставит успех охоты на “Нехиггса” под вопрос. Еще хуже то, считают Станкато и Тернинг, что, если “Нехиггс” родится внутри LHC, его почти невозможно будет обнаружить с помощью детекторов.