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

«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→γγ.

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.