Текст книги "Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир"

Жестокие схватки с ATLAS

Когда начались эксперименты при энергиях в 7 ТэВ, CMS стал выдавать результаты значительно быстрее, чем ATLAS. И мы это предвидели: наше оборудование было значительно проще калибровать и юстировать; более того: сильное магнитное поле и комбинация трековых детекторов с мюонными обеспечивали превосходную производительность. За несколько месяцев CMS опубликовал целый ряд впечатляющих статей. Когда прослеживаются процессы рождения и распада более массивных объектов, вроде топ-кварка, и представляются описания очень редких событий, вроде рождения пар W-бозонов, все понимают, что исследователи готовы к большой охоте. ATLAS тоже выдавал отличные результаты, но все видели, сколько труда это ему стоило. Он всегда отставал – на недели или на месяцы, а его статьи уступали в полноте и методической новизне статьям CMS. Состязание становилось все более жестким.

Выбор двух независимых экспериментов в LHC – стратегический ход ЦЕРН. Повторяется сценарий, который применялся еще во времена UA1 и UA2. Та же формула была принята и на Тэватроне, где состязаются / сотрудничают два эксперимента – CDF и D0. Поиски бозона Хиггса или следов Новой физики – исключительно сложная операция. Надо регистрировать очень слабые и редкие сигналы, которые часто прячутся среди сигналов, весьма похожих на те, что мы хотим изучать. Современные эксперименты используют сложнейшие технологии, полные разнообразных тонкостей и чреватые возможными неисправностями. Софт, используемый для идентификации интересных событий в целях их реконструкции и изучения, содержит миллионы строк компьютерного кода. В этих условиях любой может совершить промах или недооценить определенный источник систематических ошибок. Страх – самый верный спутник в нашем путешествии. Упустив какую‑то деталь, ты убеждаешь себя в том, что сделал великое открытие, а потом обнаруживаешь, что все провалено из‑за банальнейшей ошибки, – вот кошмар, преследующий нас по ночам. В таком случае доверие к нам было бы подорвано основательно и надолго, а оно – самая большая наша ценность, и рисковать ею мы не можем.

Вот почему в таких больших коллаборациях, как CMS, постоянно задействованы механизмы контроля и верификации, которые должны защищать нас хотя бы от наиболее грубых ошибок. Но мы понимаем, что не всегда все работает наилучшим образом. И потому иметь два эксперимента – это своего рода страховка и для нас самих, и для результатов, которые мы бы хотели получить. Две независимые группы исследователей, использующие разные технологии и несовместимый софт, ловят одни и те же сигналы. Если первая группа делает открытие, у второй появляется шанс его верифицировать. Только когда обе группы получают схожие результаты, появляются резонные основания поверить в их справедливость.

Такой механизм подразумевает яростную конкуренцию. Все знают, что коллеги из другого эксперимента в любой момент могут объявить об открытии чего‑то важного. Это создает непрерывное напряжение внутри коллабораций, состоящих из ученых, которые всю свою жизнь мечтают когда‑нибудь выявить новое состояние материи. Дух соревнования заставляет в поисках небывалых идей заглянуть под каждый камень и пройти по каждой тропинке – в надежде первыми достичь финиша.

Но это соревнование, каким бы яростным оно ни было, проходит в особых формах, не понятных, например, тем, кто занят разработкой нового микропроцессора или поисками химической формулы нового медицинского препарата – одним словом, чего‑то, имеющего значительный коммерческий эффект. В таких областях между конкурирующими коллективами царит строжайшая конфиденциальность: зачастую идеями не обмениваются даже исследовательские группы одной и той же компании.

У нас не так. Все технологии, используемые обоими экспериментами, хорошо известны и полностью опубликованы. То же справедливо и в отношении софта. Секретов нет, не скрывается даже информация, которая могла бы повредить другой коллаборации. Если в одном эксперименте случается авария и он не может собирать данные на протяжении недель, второй эксперимент тоже должен остановиться и ждать, пока не перезапустится первый. Даже в условиях конкуренции, остающейся весьма напряженной, эксперименты непрерывно в чем‑то помогают друг другу. Каждая из двух групп хочет быть первой, но добиваться этого нечестными путями для всех нас неприемлемо.

Вот почему у меня с Фабиолой, несмотря на то, что мы то и дело обмениваемся жестокими ударами научного соперничества, сохраняются отношения искренней дружбы. Мы часто организуем совместные вечера, на которых бывает и моя жена Лучана, и наши общие друзья. И тогда мы обсуждаем все на свете. Фабиола интересуется делами моей дочери Джулии, балерины Оперного театра Цюриха, завсегдатаем которого она была в юности; я же рекомендую ей хотя бы изредка отдыхать, поскольку мне кажется, что вид у нее утомленный, а это наверняка связано с недостатком сна. Излишне говорить, что темы, связанные с бозоном Хиггса, в наших частных беседах под запретом. Оба эксперимента публично продемонстрировали, что они собираются делать: какие каналы распады будут анализироваться и какая техника для этого будет использоваться. Состязание началось, так пусть победит сильнейший.

И все же при нашем обмене ударами первое очко заработал CMS. Сразу после парижской конференции 2010 года мне сообщили, что одна из наших аналитических групп получила нечто неожиданное. Мы встретились первого августа, и находка действительно оказалась интересной. Она не имела никакого отношения ни к бозону Хиггса, ни к Новой физике, и все же полученный эффект заинтриговывал. В наших столкновениях протонов наблюдалось слабозаметное явление, которое до этого наблюдалось только в столкновениях тяжелых ионов. Каждый год его изучению посвящался месяц сбора данных, чаще всего – перед рождественскими каникулами.

Когда с высокими энергиями сталкиваются ионы свинца, ядерная материя словно бы расплавляется, образуя своего рода идеальную жидкость из кварков и глюонов. Ее свойства изучены во всех подробностях; считается, что в этом состоянии в первые моменты после Большого взрыва пребывала вся материя нашей Вселенной. Фотографии столкновений очень выразительны: треки заряженных частиц и выбросы энергии создают весьма характерную картину. ATLAS и CMS воспользовались этими данными, чтобы произвести интересные измерения, но в таких экспериментах ведущая роль была у эксперимента ALICE[32]32
  Детектор и, соответственно, работающая с ним коллаборация A Large Ion Collider Experiment. Их основная цель – изучение процессов столкновения ультрарелятивистских тяжелых ионов.


[Закрыть], так как в их распоряжении находилось устройство, предназначенное для такого рода исследований.

Феномен, наблюдавшийся на CMS, был очень интересен, так как никто не ожидал, что нечто подобное может происходить в столкновениях протонов. Мы зарегистрировали странное распределение сотен частиц, образовывавшихся в результате столкновений; все, казалось, указывало на то, что эффект рождается из крошечной капельки этой самой магической кварк-глюонной жидкости. Это был удобный случай, чтобы протестировать наши внутренние системы контроля.

Когда после недель жарких споров результат подтвердился, нам оставалось только вынести его на суд научного сообщества (внешнего по отношению к CMS), представив наши данные на семинаре ЦЕРН и опубликовав статью на эту тему. Ни у ATLAS, ни у ALICE не было в активе подобных результатов, так что пальма первенства досталась CMS.

22 сентября 2010 года весь мир облетает весть, что на LHC обнаружено новое явление. Результат CMS привлекает всеобщее внимание, и все вдруг сходятся во мнении, что у гадкого утенка теперь чудесные перья. Кое-кому в ATLAS это совсем не по вкусу, и в эксперименте раздается ропот. На Фабиолу начинаются нападки: мол, она слишком застенчива, слишком добра и совсем распустила этих безумцев из CMS.

Однако реакция ATLAS не заставила себя долго ждать – нам наносят удар в самый неожиданный момент. Через несколько дней после того, как завершился сбор данных от столкновений протонов и начался сбор данных от столкновений ионов свинца, ATLAS представил поразительный результат: они зарегистрировали события настолько разбалансированные, что, казалось, в них нарушается принцип сохранения энергии. События, в которых, по всей видимости, энергия, вытекающая в виде струи частиц в одном направлении, не компенсировалась эквивалентным выходом энергии в другом. Чего‑то подобного и следовало, в общем‑то, ожидать, но на LHC феномен проявился с не знавшей прецедентов ясностью, и им удалось стать первыми, кто сообщил о нем. Кварк-глюонная плазма может участвовать в настолько активных взаимодействиях, что образование одной из струй оказывается заблокированным и происходят события с несбалансированным выходом энергии. Мы тоже наблюдали это явление, но в тот раз они нас опередили. Не прошло и двух месяцев, как Фабиола смогла вернуть себе контроль над ситуацией. В конце концов оба эксперимента представили новые результаты, но по итогу все увидели, что они идут впереди, а мы следуем за ними.

После этого обмена ударами мы решили, что пора выработать совместную процедуру открытия, которая и была закреплена в кратком меморандуме, подписанном обеими сторонами. Если в одном из экспериментов открывают новое явление, то, согласно договоренности, сначала о нем оповещается директор ЦЕРН, а затем предварительные результаты передаются другому эксперименту. С этого момента у последнего есть две недели, чтобы получить собственные результаты и опубликовать их одновременно с “соперником”. В противном случае первый эксперимент уходит вперед в одиночку.

И тут пошла по‑настоящему жесткая игра.

Дай пять!

Встреча в Шамони в начале февраля – старая традиция ЦЕРН, восходящая еще ко временам LEP. Это ежегодное собрание, во время которого эксперты по ускорителю и спикеры экспериментов проводят пятидневные консультации, чтобы определить все детали программы сбора данных на текущий год. Сейчас это 2011‑й. Пока мы жарко спорим в гостинице, туристы штурмуют подъемники, чтобы совершить спуск по северному склону Монблана или по южному склону Бревана. Шамони – столица горных лыж, и все здешние трассы и живописны, и сложны. Я люблю горные лыжи, и для меня мука сидеть в отеле и обсуждать эмиттанс и коллимацию пучков, когда за его стенами сияет солнце и счастливчики бегут к выбранным трассам с лыжами наперевес. Но ставка в игре слишком высока: я не могу пропустить в дискуссиях ни слова.

В зале гостиницы – примерно сотня человек. Всю неделю обсуждается вопрос, до каких значений можно повышать энергию и интенсивность столкновений. В 2010 году ускоритель хорошо себя показал при энергиях в 7 ТэВ, и знающие люди вроде Лина Эванса утверждали, что энергию можно без особых проблем довести до 9 или 10 ТэВ. Для нас, стремящихся изловить бозон Хиггса, бóльшие энергии означают и бóльшую вероятность успеха. Но Стив осторожничает, и ничто его не убеждает. В закутках новых сложных технологий таится пока много неизведанного, много рисков. Кто знает, сколько еще дефектных контактов может скрываться среди 12 тысяч прошедших предварительные тесты? Если при проведении тестов были допущены какие‑то ошибки, то нет никаких гарантий, что не произойдет нечто наподобие инцидента 2008 года. А в этом случае – пускай даже последствия окажутся менее тяжелыми – нам не уберечься от волны критики. Есть риск, что LHC будет закрыт, а нас всех отправят по домам. Последнее слово Стива подвело итог нашим спорам: мы останемся на 7 ТэВ.

Мы с Фабиолой настаивали тогда на увеличении светимости. И под конец было решено, что LHC станет собирать данные, имея в виду 5 fb^-1 к 2012 году, но официальное значение на 2011 год остается только 1 fb^-1. Стив всегда был слишком осторожен. Он прекрасно знал, что можно пойти значительно дальше, но не согласился бы на это и под пыткой. Разница была колоссальной, и ему это было хорошо известно. Все наши исследования показывали, что красная линия, за которой открывается реальный шанс поймать призрачный бозон Хиггса, проходит где‑то рядом с этим магическим числом. Чем быстрее нам удастся собрать эту статистику, тем лучше, но от рисков Стив уклонялся.

И потому в шутку, под конец нашей встречи в Шамони, мы нахально кричали ему в знак приветствия: “Все отлично, Стив, только дай мне пять!” Я и Стив продолжали эту игру весь год, изо дня в день, когда встречались в зале центра управления, чтобы обсудить наши планы. Это стало веселым ритуалом, который сопровождался взглядами глаза в глаза. И мы оба знали, что означает мой взгляд: “Ты дай мне 5 fb^-1, а я принесу тебе бозон Хиггса”.

Ложные тревоги или эпохальные открытия?

Едва я открыл компьютер и прочитал пришедший ночью мейл, как тут же понял: меня ждет черный день. Было 22 апреля 2011 года, до Пасхи оставалось всего ничего, и мы с женой собирались отправиться на Лазурный берег. Рождественские каникулы мы провели словно в окопах, я не мог никуда выбраться даже на денек. А потом начались месяцы напряженной работы по подготовке к очередному периоду сбора данных. Я давно пообещал Лучане, что на Пасху у нас будет три дня отпуска, и даже забронировал романтический отель в Сен-Тропе: туда можно добраться всего за несколько часов… и прогноз погоды был хорошим. Но теперь я понимал, что все наши планы пошли прахом.

Ночью в научных блогах разразилась буря. Заголовок говорил сам за себя: “Появились сообщения об открытии на ATLAS бозона Хиггса”. В статьях цитировался внутренний документ, в котором якобы сообщалось о сильных сигналах распада на два фотона частицы массой 115 ГэВ. Та же самая реакция, которая в последние месяцы существования LEP породила столько надежд и столько конфликтов. Мой электронный ящик ломился от сообщений, и уже объявились первые журналисты, добивавшиеся интервью и комментариев.

Звоня в отель и отменяя бронь, я старался не думать о грустных глазах Лучаны.

А затем я начал раскручивать маховик ответных действий, которые сделали адскими наши следующие недели.

Первым делом я позвонил Фабиоле и попросил объяснить, что происходит. Но она была удивлена и озадачена не меньше моего. Речь шла не об официальном результате коллаборации. Это была работа одной из групп внутри ATLAS, действующих изолированно от других; группа создала внутренний документ, которому был дан ход до его верификации и одобрения. Кому‑то в ATLAS хотелось нанести нам удар. И это был худший из возможных сценариев.

Инициатива исходила от группы из Висконсина (США), руководимой У Сюлань, нашей старой знакомой. Сюлань – прекрасный эксперт, живой и энергичный; ее окружают исключительно одаренные молодые ученые – одним из ее студентов был Вивек; ее работоспособность практически безгранична. Родившись в Гонконге, в очень бедной семье, она уже в юности проявила выдающиеся способности и получила возможность бесплатно учиться в Вассарском колледже штата Нью-Йорк, куда принимали девочек из наиболее обеспеченных американских семей[33]33
  У Сюлань (吳秀蘭) начала учиться в Вассарском колледже в 1960 г. Колледж перестал быть женским учебным заведением в 1969‑м, и туда стали принимать молодых мужчин и женщин на равных основаниях.


[Закрыть]. Там, среди прочих, она встретила Жаклин Бувье, которой вскоре предстояло стать госпожой Кеннеди. Окончив колледж, У Сюлань стала работать у Сэма Тинга, в группе, открывшей очарованный кварк. Возможно, причиной тому были китайские корни обоих, возможно, сходство характеров, но очень скоро она стала его верной ученицей. И “заразилась” от него настойчивостью и агрессивностью.

Как и многие из тех ученых, кто работал на LEP, Сюлань была убеждена, что слабые сигналы на уровне 115 ГэВ, зарегистрированные старым ускорителем, указывали на бозон Хиггса. Очевидно, поэтому над ее анализом довлело – или даже предопределяло его – получение ad hoc[34]34
  Для этого, по этому случаю (лат.).


[Закрыть] сигнала любой ценой. Тот факт, что ее работа не была подтверждена другими группами, – проявление небрежности, делающей проведенные исследования уязвимыми. В таком случае ATLAS мог бы легко опровергнуть полученные результаты. Но могло случиться и так, что это был корректный и точно проведенный анализ, который нарочно держали под спудом, потому что Сюлань хотела заполучить всю славу открытия себе. А вдруг ей и впрямь удалось подобрать лучшие критерии отбора сигналов? Тогда, поколебавшись, ATLAS был бы вынужден признать ее правоту и опубликовать результаты. Ведь речь‑то бы шла о поистине эпохальном открытии. Но CMS в таком случае ждал неминуемый и близкий конец.

Реакция последовала стремительно. Исследовательская группа по распаду бозона Хиггса на два фотона – что, как предполагалось, было открыто Сюлань – собралась немедленно и трудилась в режиме нон-стоп. Вивек Шарма, который после нескольких месяцев работы в ЦЕРН поехал в Сан-Диего на день рождения своей семилетней дочери Мееры, был срочно вызван обратно. Мы создали task force[35]35
  Оперативная группа (англ.).


[Закрыть] экспертов для более точной калибровки калориметра, все собранные к этому моменту данные подверглись ревизии, молодые исследователи получили карт-бланш на воспроизведение тех отобранных последовательностей в наших данных, которые, казалось, напоминают сигналы, полученные на ATLAS; проведение brain storm[36]36
  Мозговой штурм (англ.).


[Закрыть] всячески приветствовалось.

25 апреля Фабиола официально объявила, что проверки, проведенные на ATLAS, опровергли результат, так возбудивший мировые масс-медиа. Не было получено ни одного сигнала от распада бозона Хиггса на два фотона. Однако это сообщение меня не убедило, хотя и чуть приободрило. Сколько раз подобные официальные заявления делались только для того, чтобы снизить давление прессы и получить возможность работать спокойно! Никто не может гарантировать, что спустя несколько недель все не изменится. Мы обязаны довести до конца наши собственные проверки, а это займет еще какое‑то время.

В итоге мы приходим к тому же заключению: вблизи значения 115 ГэВ ничего нет, и дело, которое войдет в историю как Easter bump[37]37
  Зд.: Пасхальный пупырь (англ.).


[Закрыть], может отправляться в архив. Однако же оно, хоть и здорово попортило нам нервы, имело благоприятные последствия для CMS. Группа по исследованиям распада бозона Хиггса на два фотона стала одной из самых сильных и компетентных. Ужас проиграть ATLAS соревнование заставил ее сделать за несколько недель больше, чем было сделано за много месяцев. Возникли новые идеи, были созданы новые инструменты. А главное – возникло то самое командное чувство, которое окажется востребованным совсем скоро, в тот самый момент, когда будут получены первые настоящие сигналы.

…Сюлань совершенно неожиданно вошла в мой кабинет на пятом этаже 40‑го корпуса, и я ошарашенно застыл, слушая ее извинения за случившееся. Она, которая, как и многие ее соотечественники, всегда спокойна и сдержанна, сейчас сидела передо мной в слезах. Сохранить невозмутимость мне не удалось. Я знал, что она совершила непростительную ошибку, нарушив – возможно, не желая того, возможно, из‑за амбиций – одно из важнейших правил коллабораций. Я знал, что она дорого заплатит за это, потому что окажется в сообществе ATLAS в изоляции. Возможно, будь она в CMS, я не чувствовал бы к ней жалости. Но вот она здесь, в моем кабинете, – в слезах. Никто не заставлял ее приходить, она просто осознавала, что обязана просить прощения за все те жертвы, на которые нам пришлось пойти по ее вине. И я сказал ей, что дело уже прошлое и что сейчас нам важно смотреть вперед и стараться открыть наконец эту проклятую частицу.

После Easter bump миновало всего несколько недель, и на нас обрушился новый удар. На этот раз что‑то не то было с нашими данными, но это что‑то не имело никакого отношения к бозону Хиггса. Ускоритель работал на полную катушку, Стив продолжал делать свою работу наилучшим образом: каждую неделю мы собирали больше данных, чем за весь 2010 год. Если так пойдет дальше, мы достигнем первого fb^-1 уже к июню. И тут мы стали регулярно наблюдать некие любопытные события.

Это были очень чистые события, в которых в результате столкновения образовывались два электрона или два мюона, испускаемые под большими углами, – типичные события с большой поперечной энергией, предусмотренные в LHC; то, что не было предусмотрено, – так это их интенсификация в определенном отрезке масс с образованием избытка событий, своего рода пика в плотности распределения. А именно это мы и наблюдали. Вблизи 950 ГэВ, где мы не ожидали ничего особенного, вдруг появились сначала два, потом три и, наконец, четыре события, которые будто говорили нам: “Эй, вы чего медлите? Разве не видите, что мы тут?”

Я немедленно проинформировал всех в нашей коллаборации. На такие случаи (когда можно ожидать близкого открытия) у нас есть система, использующая стандартный кодекс трех цветов. Я активирую процедуру открытия оранжевым кодом, чтобы указать на возможность сигналов Новой физики. Эту возможность надо внимательно проверить, даже если тревога окажется ложной; но может случиться и так, что нам надо будет перейти на красный уровень, то есть к объявлению об открытии. В этом случае процедура предполагает активацию всей коллаборации на проверку событий, а также запуск целой серии тестов и поиск схожих событий, которые можно было бы использовать для аналогичного анализа. И тогда мы снова попадаем в фазу судорожного энтузиазма.

В данном случае события представляли собой именно то, что мы искали много лет. Это один из классических каналов распада супермассивного партнера Z-бозона – очень похожей на Z-бозон частицы, только в десять раз тяжелее, существование которой предсказывают отдельные теории экстраизмерений. Ее называют Z′, и ее открытие знаменовало бы эпохальный водораздел. Напряжение взлетело до небес. Сбор данных продолжался, подобные события мониторились в ежедневном режиме, и лучшие эксперты по электронам и мюонам оценивали в данных каждую деталь. Готовился очередной сеанс юстировки трекового детектора – для улучшения разрешения при измерении импульса мюонов. Похожие сигналы искались и в других распадах, с другими массивными аналогами известных частиц – например, с W′ и топ′. Природа могла подготовить для нас сюрприз вблизи энергии в 1 ТэВ, где мы бы открыли второе семейство частиц, подобных W-, Z-бозонам и топ-кварку, которые в Стандартной модели группируются близ уровня 100 ГэВ. Другие исследовательские группы включились в работу по полному пересмотру всех полученных данных, применяя различные критерии их отбора.

Нашему хладнокровию предстояло еще одно серьезное испытание. Все собранные данные явно подтверждали, что события представляют собой именно то, что мы думаем, сигналы продолжали усиливаться – и мы начали готовить кучу публикаций и неформально предупредили об открытии заместителя директора по науке Серджо Бертолуччи. Надо было подождать еще неделю, а потом, если ничего не изменится, провести совещание с Рольфом и Фабиолой и запустить процедуру открытия. Энтузиазм в коллаборции взлетел до небес. В успех поверили все, в том числе и самые осторожные. Молодежь разбушевалась не на шутку и даже придумала для новой частицы имя: Гвидо'.

Мне же было очень и очень не по себе. С одной стороны, я должен готовиться защищать результат, которому суждено стать сногсшибательным. Он бы ясно продемонстрировал, что мы живем во Вселенной с большим количеством измерений, и это бы навсегда поменяло нашу картину мира. Именно о таком открытии мы мечтали долгие годы. Но, с другой стороны, мне страшно. Уже случалось, что сногсшибательные результаты оборачивались в итоге простой статистической флуктуацией. Будущее CMS было одновременно чревато и триумфом, и провалом.

А потом вдруг все кончилось и интересных событий не стало: миновала одна неделя, миновала вторая… все они точно ушли в подполье. Какое‑то время мы думали, что проблема в наших триггерных цепях: мол, они начали сбоить, и потому мы не можем больше регистрировать события, – но время шло, и нам пришлось смириться. Сигнал переставал быть статистически значимым, причем чем дальше, тем больше. Я отменил оранжевый уровень тревоги и сообщил Серджо, что все вернулось к нормальности. Когда мы закончим сбор данных, на память от больших надежд на Z' нам останется малозаметная рудиментарная статистическая флуктуация на уровне 950 ГэВ. Дабы убедиться в том, что в нашей Вселенной не четыре, а шесть или десять измерений, и затем радикально изменить свой взгляд на мир, требуется время. Но мы сохранили хладнокровие и не потонули в волнах энтузиазма. Мы очень гордимся тем, как повел себя CMS.