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

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 → γγ 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 → γγ 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 → γγ, 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 → γγсо 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 → γγ 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 →γγ, 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».