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

Глава 6
Необычный день рождения

Прекрасный подарок

Женева,

8 ноября 2011 г.

Когда с момента окончания run (как мы называем период “бега” ускорителя, то есть его работы) прошло несколько недель, персонал ускорителя буквально всех ошеломил. Физики и инженеры своей кропотливой работой привели LHC к такому состоянию, что всего за один день на нем производилось больше столкновений, чем за целый 2010 год. Начиная с лета, LHC стал функционировать, как швейцарские часы.

Весь 2011 год операторы выполняют совершенно фантастическую работу. Теперь в каждом сгустке по 150 млрд протонов, и тут есть чего пугаться: при такой высокой интенсивности минимальный сбой мог обернуться для ускорителя катастрофой.

Поэтому его постоянно пристально мониторят. Меры предосторожности совершенствуются день ото дня. Всякое отклонение от заданных параметров – даже самое незначительное – при диагностике детально изучается. Потребовались недели и месяцы непрерывной работы, кропотливой и методичной, выполнявшейся мелкими шажками, с небольшими, но ежедневными усовершенствованиями, с осторожными попытками мало-помалу увеличивать светимость, но в конце концов мы все‑таки добились своего.

У Стива Майрса на весь год я просил 5 fb^-1, и он всегда отмалчивался. Но затем, ничего не сказав, без всяких фанфар, он вдруг дал все 6 fb^-1. О таком уровне мы лишь мечтали, и теперь в наших данных стали проглядывать достойные внимания события. Мы ждали их с нетерпением; они концентрировались в области небольших масс, самой сложной, но и самой интересной для изучения. На протяжении месяцев ребята, занятые анализом, совершенствуют инструменты, улучшают разрешение, повышают эффективность и все лучше понимают процессы, влияющие на фоновые шумы. И сейчас мы можем видеть результаты этих чрезвычайных усилий. Я по очереди знакомлюсь с молодыми энтузиастами, тянущими на себе всю группу и упорно продвигающимися к цели. Мне хорошо с ними, и мы встречаемся ежедневно.

8 ноября – мой день рождения. Проходит очередное совещание одной из многих исследовательских групп по бозону Хиггса, и аналитики представляют на нем свои результаты. Именно тогда появился пик на значении 125 ГэВ. Ничего сверхъестественного, но все же что‑то. Сам по себе такой всплеск подобных событий ничего не значит. Но он находится на том самом месте, где возникло небольшое уплотнение очень редких событий, некоторые из которых были собраны другой аналитической группой.

Это он.

Я это чувствую, хотя пока и не уверен окончательно. Должно быть, так оно и происходило у наших предков, охотников-собирателей. Кому‑то из них интуиция подсказывала: вон в тех зарослях скрывается добыча. Ничто не шелохнется, кругом царит тишина, нигде нет никаких следов, но он кидает копье и убежден, что оно прилетит в цель.

Сегодня я знаю это точно: мне первому стало известно, что бозон Хиггса существует, и, думая об этом, я ощущаю легкое головокружение, делающее меня невесомым. Мы искали его долгие годы, и некоторые даже начали сомневаться в его существовании. Но вот же он, прямо здесь, в самом очевидном месте. Прятался, думая, что находится в безопасности, – ан нет!

Через несколько месяцев об этом узнают все на свете, и мир будет праздновать очередную победу науки. А сегодня меня окружают молодые люди, те самые, кто первым выделил слабые сигналы. Мы спорим, шутим и смеемся. Никто не говорит об открытии, никто не упоминает имени Хиггса, но наши глаза ярко сияют. Мы уже знаем, что “отправили наше копье точно в цель”, и этого знания достаточно, чтобы все были возбуждены и счастливы. Я получил ко дню рождения самый ценный подарок, о каком только мог мечтать.

Ускоренный бег охотников за бозонами

Чтобы в полной мере оценить работу, которая привела к одному из самых важных открытий последних десятилетий, надо облачиться в охотничье одеяние, взять в руки охотничье оружие и понять, как им пользоваться.

Охота на бозон Хиггса велась не вслепую. Фоторобот подозреваемого номер один в Стандартной модели очень детализирован. Прекрасно известны его характерные черты и все процессы, в которых он образуется. Нет проблем с тем, чтобы предсказать, сколько бозонов может себя обнаружить в столкновениях на LHC и на какие частицы они будут распадаться. Никого не пугает, что ищутся исключительно редкие события. Нам не привыкать разыскивать иголку в стоге сена. Сложность в том, что фоторобот заметно меняется в зависимости от заранее не известной нам массы, и потому нам приходится держать под рукой сотни различных фотороботов, каждый из которых соответствует той или иной гипотезе относительно массы. Получается, будто мы одновременно ищем сотни различных частиц. Поэтому не надо удивляться, что нам понадобилось привлечь к работе десятки исследовательских групп и сотни физиков.

Прежде всего предстояло рассмотреть различные реакции, в которых может появляться эта частица. Из таких чаще всего на LHC случается слияние двух глюонов – переносчиков сильного взаимодействия, при лобовом столкновении аннигилирующих с образованием одиночного бозона Хиггса. Чтобы исключить неожиданности, мы рассмотрели также и другие механизмы, не столь часто встречающиеся, но оставляющие исключительно характерные следы. Из наиболее интересных – образование одного бозона Хиггса в паре с W– или Z-бозоном, или образование бозона Хиггса в процессе аннигиляции пары W– или Z-бозонов[38]38
  Протоны – составные частицы. Внутри каждого протона, летящего с околосветовой скоростью, можно с некоторой вероятностью встретить и кварки, и антикварки, и глюоны, и даже тяжелые W– и Z-бозоны. Поэтому когда речь идет о рождении новой частицы в столкновении двух протонов на LHC, необходимо уточнить, в каком именно подпроцессе она появляется. Именно эти возможные подпроцессы для рождения бозона Хиггса автор и перечисляет. – Прим. науч. ред.


[Закрыть].

Далее надо было рассмотреть различные варианты распада бозона Хиггса. Во всем диапазоне масс, который мы изучали, от 115 до 1000 ГэВ, бозон Хиггса может распадаться на пару W– или на пару Z-бозонов. Поэтому два эти канала распада, как мы их называем, фигурировали во всех наших исследованиях. При массе больше 350 ГэВ становится возможным распад на пару топ-кварков, но это очень редкий и с трудом поддающийся идентификации процесс. При массе меньше 160 ГэВ, наоборот, становится возможным использовать редчайший распад на два фотона или на фермионные пары: например, на пару тау-лептонов либо на струи, порождаемые парой b-кварков (b-кварки иногда называют bottom quark или beauty quark[39]39
  По-русски используются альтернативные названия: бьюти-кварк, прелестный кварк или красивый кварк.


[Закрыть]).

Для каждой из этих надежных характеристик надо также рассмотреть изрядное число вторичных каналов. К примеру, занимаясь распадом бозона Хиггса на пару Z-бозонов, надо посмотреть, на что Z-бозоны распадутся дальше, – и тут обнаружится много вариаций. Не будем забывать, что не только бозон Хиггса, но и W– и Z-бозоны – нестабильные частицы, которые сразу распадаются на какие‑то еще. Так, сначала рассматривается случай, когда один Z-бозон распадается на два мюона и второй на два мюона, потом ищутся распады второго на два электрона, или на два тау-лептона, или на пару нейтрино, или на две струи – и так далее. Затем мы перейдем к случаю, когда первый Z-бозон распадается на два электрона, а второй на два мюона; потом – когда и второй на два электрона – и так далее. В общем, добраться таким образом до бозона Хиггса – это как сыграть в “Китайскую шкатулку”: его надо идентифицировать по продуктам распада частиц, на которые он распадается.

Когда выбран определенный канал распада для данного диапазона масс, ищутся сигналы, совместимые с присутствием бозона. Поиск начинается с гипотезы, что бозон Хиггса не существует, и он направлен на то, чтобы исключить его присутствие. Если для каких‑то значений масс это сделать не удается, то это уже первый признак, что с такой массой он может и существовать. Число событий, характеристики которых сопоставимы с искомым сигналом, сравниваются с числом событий, которые должны наблюдаться, если бозон Хиггса существует и если у него именно такая масса. И так, отрезок за отрезком, канал за каналом, исследуется весь диапазон.

Все компьютерные симуляции, проведенные до того, как 5 fb^-1 были достигнуты, показывали, что с такими данными у нас будет достаточная чувствительность, чтобы увидеть бозон Хиггса или исключить возможность его существования в диапазоне от 115 до нескольких сотен ГэВ. Как уже говорилось, диапазон между 115 и 150 ГэВ – самый сложный для исследования. Если бозон Хиггса скрывается здесь, то мы в лучшем случае увидим очень слабые сигналы, практически неразличимые на фоне шумов. Именно на этом диапазоне следует сконцентрировать все силы в непрерывном поиске все более точных методов анализа, чтобы получить данные по всем доступным каналам распада.

Здесь наиболее важны так называемые бозонные каналы, то есть те, в которых бозон Хиггса распадается на пару других бозонов – фотоны, W– или Z-бозоны. В случае, когда это пара W-бозонов, идентифицировать его относительно просто, потому что можно обнаружить в детекторах присутствие электронов и мюонов, образующихся в результате распада W-бозона. Коварство в том, что есть множество других реакций, не имеющих ничего общего с бозоном Хиггса, в которых также образуются пары лептонов с высокими энергиями и которые заглушают сигнал: выделить сигнал бозона Хиггса, распадающегося на пару W-бозонов, на фоне такого нормального шума – задача очень сложная. Кроме того, в этом канале очень низкое разрешение по массе. Дело в том, что распад W-бозонов на лептоны сопровождается нейтрино, которые остаются невидимыми для детекторов и улетают прочь, унося определенную долю выделившейся энергии, из‑за чего массу распадающейся частицы можно оценить только косвенно и приблизительно. В общем, распад на пару W-бозонов может дать нам понять, что что‑то происходит, но окончательного доказательства присутствия бозона Хиггса он нам не даст.

Чтобы проверить находку, надо получить сигналы в двух бозонных каналах с высоким разрешением: распад на два фотона и распад на пару Z-бозонов. В этих каналах есть возможность идентифицировать присутствие бозона Хиггса по появлению пиков в плотности распределения событий по массе – их избытка на вполне определенных отрезках.

Распад бозона Хиггса на фотоны сопровождается очень заметными событиями. Два фотона с высокими энергиями, которые излучаются в противоположных направлениях в плоскости, перпендикулярной пучку, очень легко обнаруживаются. И разрешающая способность калориметра CMS настолько высока, что энергия фотонов прекрасно измеряется. Если они возникли в результате распада бозона Хиггса, то дадут определить его массу с точностью до 1–2 %, а все сигналы соберутся в один очень узкий пик.

К сожалению, даже в этом случае есть другие явления, которые продуцируют события, идентичные искомым, и заглушают сигнал. События, вносящие свой вклад в фоновый шум, значительно более многочисленны, чем те, которые вызывает распад бозона Хиггса, но их распределение по массам сильно отличается. Мы тут не видим пиков, распределение везде регулярное, и число событий быстро убывает с ростом массы. Поиск бозона Хиггса подразумевает умение достаточно хорошо измерить это фоновое распределение, чтобы смочь выявить минимальные горбы, остающиеся от пиков, которые мы ищем.

Распад бозона Хиггса на пару Z-бозонов также сопровождается очень выразительными событиями. В этом случае в данных, которые мы регистрируем, появляются только четыре лептона. Каждый из Z-бозонов действительно распадается на пару электронов или мюонов; следовательно, мы можем получить только три различных комбинации: четыре электрона, четыре мюона или два электрона и два мюона. Разрешающая способность CMS при измерении электронов и мюонов прекрасна. В этих событиях не рождаются нейтрино, и полная энергия может быть измерена с точностью 1–2 %. Другими словами, мы можем реконструировать массу бозона Хиггса, из которого образовались эти четыре лептона, с исключительной точностью, и в этом случае присутствие бозона Хиггса также обнаруживается по пику в плотности распределения событий по массе. В противоположность тому, что происходит при распаде бозона Хиггса на два фотона, в этом случае фоновых шумов значительно меньше. В Стандартной модели события, в которых образуются четыре лептона, исключительно редки при энергиях ниже 150 ГэВ. К сожалению, при таких энергиях очень редки также события с участием бозона Хиггса. Во всей статистике, собранной в 2011 году, мы ожидали обнаружить только два или три таких события, но нужно было постараться не пропустить и одного, поскольку даже единственное событие может кардинально изменить ситуацию.

Фермионные каналы, то есть такие, в которых бозон Хиггса распадается на две струи b-кварков или на два тау-лептона, значительно сложнее всех прочих. Доля случаев, в которых они имеют место, высока, но результирующие распады бозона Хиггса практически идентичны огромному числу нормальных событий, которые замазывают сигнал и “мутят воду”. Эти каналы будут изучаться и станут важны уже после открытия бозона Хиггса, когда понадобится выяснить, нет ли каких‑то других аномалий, – в частности, связан ли бозон Хиггса с фермионами именно так, как предсказывает Стандартная модель.

Так выглядит принятая нами стратегия поиска бозона Хиггса. В области больших масс данных должно быть достаточно для получения хорошо видимого сигнала при комбинации всех каналов распада на пары W– и Z-бозонов. Если бозон Хиггса, напротив, окажется в области значительно более проблемной, со значениями массы меньше 150 ГэВ, то мы распознаем первые признаки его присутствия, регистрируя избыток событий в канале распада на пару W-бозонов, а в каналах распада на два фотона и на два Z-бозона в то же самое время появятся два ясно различимых пика при одном и том же значении массы.

Когда мы видим появление сигнала, то должны проверить, совместимы ли его интенсивность и вероятности различных каналов распада с теми, которые предсказывает теория для бозона Хиггса с такой же массой. Наконец, надо учитывать статистику, потому что каждая новая наблюдаемая нами картинка может оказаться не более чем случайной флуктуацией уже известных явлений, вносящих свой вклад в фоновый шум. В том, что действительно происходит нечто новое, мы будем уверены лишь тогда, когда сигнал окажется настолько силен, что вероятность для него оказаться результатом простой статистической флуктуации будет доведена до значения менее одной миллионной. До этого момента мы обязаны проявлять осмотрительность.

И снова контрастный душ

К июню 2011 года на LHC уже собрано более 1 fb^-1 данных. Целевое значение для всего года было достигнуто в первые три месяца. Теперь статистика позволяла нам изучать все самые интересные каналы, и, по мере накопления данных, становилось все более маловероятно, что бозон Хиггса прячется где‑то в области больших масс. В промежутке между 150 и 450 ГэВ мы уже достигли достаточной чувствительности, чтобы либо увидеть бозон, либо исключить его присутствие здесь. Но при бóльших значениях массы у нас не было значимого избытка событий. Все, что мы видели, объяснялось уже известными процессами Стандартной модели, так что теперь мы могли приступать к исключению присутствия бозона Хиггса в области от 150 до 200 ГэВ и в области от 300 до 450 ГэВ. Делать заключения для значений массы между 200 и 300 ГэВ, ниже 150 и выше 500 ГэВ мы пока не могли: чтобы говорить о чем‑то с уверенностью, нашей технике недоставало чувствительности. Нам требовалось больше данных.

И, тем не менее, в области ниже 150 ГэВ явно происходило что‑то любопытное. Интерес и удивление вызывал избыток событий в канале распада на два W-бозона. Однако все относились к этому со скепсисом, так как в каналах распада на два фотона или на четыре лептона ничего не было; впрочем, для каких‑то определенных предположений статистика была еще недостаточна.

После того как все было проверено, мы представили первые результаты на конгрессе Европейского физического общества, собравшегося в Гренобле в июле. Обнаруженный нами избыток не был значим и преимущественно проявлялся в канале распада с низким разрешением; тем не менее возник некоторый ажиотаж, ибо нечто похожее наблюдали и на ATLAS.

В точности, как и наши данные на CMS, результаты, полученные на ATLAS, исключили большие значения массы для бозона Хиггса, между 150 и 200 ГэВ и между 300 и 450 ГэВ. В них тоже присутствует избыток событий в канале распада на два W-бозона и на том же отрезке небольших значений масс, несмотря на то, что два эти результата заметно различаются. Интерес научного сообщества был до того высоким, а внимание прессы настолько настойчивым, что в мире стало шириться ожидание неминуемого открытия; в коллаборациях неостановимо нарастал оптимизм. Однако эти ожидания были абсолютно необоснованными, и мы всячески старались объяснять это как коллегам из коллабораций, так и журналистам. Время еще не пришло, чувствительность пока недостаточна, надо подождать, когда мы пройдем рубеж в 5 fb^-1, – лишь после этого можно будет сказать что‑то определенное и относительно области небольших масс. О верных признаках присутствия бозона Хиггса можно будет говорить только тогда, когда появятся – если вообще появятся! – какие‑то сигналы и в каналах с высоким разрешением. Но все наши усилия оказались напрасными. В газетах выходили статьи с заголовками “Хиггс: мы, кажется, у цели!” или “Интригующий избыток событий на уровне 140 ГэВ – возможно, именно там прячется давно разыскиваемый бозон”.

Впрочем, во всей этой какофонии была и одна радующая нота: стало ясно, что эксперименты на LHC заняли лидирующие позиции в гонке за бозоном Хиггса. Ученые с Тэватрона чувствовали наше дыхание на своих затылках. Данные, которые они представляли в Гренобле, год спустя после шокировавшего нас выступления в Париже, больше не были такими же интересными. Все знали, что если LHC не сбавит темп, Тэватрон соревнование проиграет.

После нашего выступления в Гренобле, вызвавшего взрыв энтузиазма, миновало всего несколько недель, когда все вдруг вмиг успокоилось. Сначала на ATLAS обнаружили небольшую ошибку в своем анализе: во время подготовки доклада на конференции один из источников фонового шума был сильно недооценен. При повторном проведении вычислений выяснилось, что избыток событий, вызвавший столько разговоров, стал значительно менее очевиден. При дальнейшем исследовании новых данных все и вовсе вернулось к нормальности. LHC продолжал работать полным ходом, и в последующие недели избыток событий при 140 ГэВ ослаб в обоих экспериментах до почти полного исчезновения.

Когда мы встретились в августе в Мумбае на Лептон-фотонной конференции[40]40
  Имеется в виду XXV Международный симпозиум по лептон-фотонным взаимодействиям при высоких энергиях (The XXV International Symposium on Lepton Photon Interactions at High Energies), проходивший в Мумбае (Индия) с 22 по 27 августа 2011 г.


[Закрыть] (в сезон проливных дождей, принесенных индийскими муссонами), оба эксперимента только и смогли, что меланхолически констатировать: избыток событий на малых массах, так всех впечатливший всего месяц назад, вместо того чтобы становиться заметнее и заметнее, утратил всякую значимость. Депрессивные муссоны смыли последние остатки энтузиазма. Наши эмоции еще раз прокатились на американских горках, но нам было не привыкать.

Как часто случается при переходе от энтузиазма к разочарованию, теперь превалировал пессимизм. Мы готовились к худшему: LHC ничего нам не даст, бозон Хиггса не существует. Почти все были уверены, что наши старания ни к чему не приведут. Мы окажемся очередными в длинном списке экспериментов, поставленных теми, кто напрасно рассчитывал бесстрашно взлететь к небесам. Рассуждения же вроде: “Доказать, что бозон Хиггса не существует, – это тоже важное научное открытие” – не слишком большое утешение. Хотя в физике, разумеется, очень важны и отрицательные результаты, доказывающие ложность той или иной теории. Не найти предсказанную теорией частицу – это не провал; напротив: ненахождение частицы налагает дополнительные ограничения на все известные модели, означает исключительно важный шаг познания, переключает внимание на пока еще не фальсифицированные теории или побуждает создавать новые.

К сожалению, каждый из нас понимал, что для LHC такой исход повлек бы очень серьезные последствия. Неудивительно, что Совет ЦЕРН сразу распорядился создать небольшую рабочую группу по выработке документа, объясняющего, насколько важно в научном плане исключение бозона Хиггса. И 16 сентября появился первый проект этого документа со странным заголовком “Научная значимость исключения бозона Хиггса в диапазоне масс между 114 и 600 ГэВ и наилучшие способы оповещения об этом”. В частности, нас очень озадачивала его вторая часть. Очевидно, Совет опасался, что могут возникнуть политические трения, которые вынудят некоторые страны в будущем уклоняться от амбициозных проектов, связанных с ускорителем. Или, хуже того, что какие‑то из двадцати стран, входящих в ЦЕРН, сократят свой ежегодный взнос на поддержку этой организации, лавинообразно увлекая за собой и других. Никакие красивые декларации не могли скрыть тот факт, что в годы экономического кризиса и всевозможных оптимизаций расходов, затронувших многие администрации, эта самая фиксированная сумма ежегодных платежей в швейцарских франках не то чтобы на ура воспринималась и некоторыми правительствами, и европейским общественным мнением.

Тем не менее невозможно было отрицать психологические последствия для нашего сообщества, годами пребывавшего в напряжении и уже не раз внезапно испытавшего на себе прелести контрастного душа. Каждый из нас понимал, что документ, поданный в Совет, корректен с научной точки зрения, но никто не мог бы убедить нас, что удовлетворение от открытия нового состояния материи сравнимо с удовлетворением от доказательства того, что его не существует.