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

Только нейтрино нам и не хватало!

Еще бы чуть‑чуть – и я бы умер. Кусок сэндвича, откушенный в спешке и в озлоблении, встал мне поперек горла. Мы с Серджо – на шестом этаже центрального здания, над генеральной дирекцией, у дверей зала, где проходила встреча с наиболее важными научными и финансовыми комитетами. У нас перерыв, чтобы перекусить и выпить кофе. Серджо отозвал меня в сторонку: “Готовится настоящая бомба. Надо еще провести некоторые проверки, но похоже, что в OPERA, эксперименте под руководством Антонио Эредитато, зарегистрировали нейтрино, распространяющиеся со скоростью больше скорости света. Уже несколько месяцев они все проверяют и перепроверяют, но эффект сохраняется. Еще немного – и будет официальное объявление. Пристегивайте ремни!”

OPERA – это эксперимент в подземной лаборатории, расположенной в Италии, в горах Гран-Сассо, примерно в 700 км от ЦЕРН. Задача эксперимента состоит в сборе доказательств осцилляций мюонного нейтрино в тау-нейтрино. Склонность нейтрино к самопроизвольным превращениям друг в друга уже была доказана для других поколений этого семейства, но пока еще никому не удавалось зарегистрировать события, которые собрались изучать в OPERA. Пучок мюонных нейтрино высокой интенсивности направляется из ЦЕРН через толщу земной коры и достигает Гран-Сассо. Нейтрино – легчайшие частицы, не участвующие ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях, могут беспрепятственно преодолевать тысячи километров горных пород. В OPERA регистрируют редкие взаимодействия этих частиц с детекторами в надежде на редчайшие случаи превращения по дороге мюонных нейтрино, испущенных в ЦЕРН, в тау-нейтрино.

В 2010 году в OPERA зарегистрировали первый такой случай и теперь продолжают собирать данные, чтобы зарегистрировать другие случаи. Попутно они измеряют время, за которое эти частицы достигают Гран-Сассо; собственно отсюда физики и сделали свой умопомрачительный вывод: нейтрино тратят на дорогу на 60 миллиардных долей секунды меньше, чем предсказано. Пустяк, казалось бы, но если все подтвердится, то придется признать, что нейтрино – хотя бы при определенных условиях – могут двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Результат ошеломительный и во всех отношениях неожиданный.

Моя первая реакция – раздражение. Только этого нам сейчас не хватало! Очередная медийная буря разразится в тот самый момент, когда мы должны сосредоточенно и спокойно работать. Вместо того чтобы тратить энергию на анализ новых данных, получаемых на LHC, и вникать во всевозможные тонкости, нам придется тратить время на расспросы журналистов, на телевизионные интервью, на изучение деталей проводимых экспериментов, чтобы не ляпнуть какую‑нибудь неточность.

А потом появился страх. Вот он, наихудший сценарий нашего будущего! На уровне инстинктов я, разумеется, не мог принять результаты этих экспериментов, и я был не одинок, когда сразу подумал о том, что допущена какая‑то ошибка. Со скепсисом отнеслось к полученным результатам подавляющее большинство исследователей. И дело было не только в некритическом доверии к специальной теории относительности – все ученые на самом деле осознают, что рано или поздно будет проведен некий эксперимент, который заставит нас отказаться даже от тех немногих истин, что кажутся сегодня гранитными.

Причина скептицизма заключалась в том, что скорость нейтрино уже не раз измерялась и никогда не превышала скорости света, причем даже на значительно бóльших расстояниях. Когда в 1987 году взорвалась сверхновая, было проведено много экспериментов с нейтрино, прибывших к нам от умирающей звезды, и нигде не наблюдалось никакой аномалии. Это правда, что в данном случае речь шла о совсем других энергиях, но исходить из того, что нейтрино, излученные звездой, почему‑то движутся медленнее, чем нейтрино от ЦЕРН, – это значит строить аргументацию на песке. А кроме того, будь это и правда так, подобная аномалия сильно сказалась бы на других величинах, уже измеренных с колоссальной точностью.

Страх, который я испытывал, был порожден кошмарной картиной, внезапно представшей перед моим внутренним взором. Вот отпразднуем мы сейчас это выдающееся открытие, сколько‑то месяцев ЦЕРН будет на щите, и все станут повторять: именно здесь самая важная в мире лаборатория, где делают эпохальные открытия и даже ставят под вопрос авторитет самого Эйнштейна. А потом, может быть, всего через несколько месяцев, выяснится, что все дело в допущенной ошибке, и тогда наступит печальный финал – потеря лица и глобальное недоверие. И тут вдруг, посреди всего этого, заявляемся мы со своим LHC и с невинным видом сообщаем: знаете, а мы открыли бозон Хиггса. Мне кажется, я уже слышу громкий хохот, которым будет встречено это наше известие. Так стоит ли вообще лезть во все это дерьмо? Что выигрывает ЦЕРН, связывая свою деятельность и свой престиж с результатами Эредитато? А ведь OPERA – это даже не один из экспериментов ЦЕРН!

Но фарш уже провернут. Эредитато представил свои результаты в центральной аудитории – в том историческом месте, откуда сообщалось о величайших открытиях, – и его доклад привлек к себе, как и ожидалось, планетарное внимание: сотни статей, десятки интервью, несчетное количество веб-сайтов. Даже я, хотя я тут никаким боком, получил десятки поздравлений по телефону и по электронной почте – по случаю нового замечательного результата ЦЕРН. И мне приходилось прикусывать себе язык, чтобы не сказать открытым текстом, что я по этому поводу думаю. Давая официальные комментарии, я изо всех сил пытался сохранять спокойствие: “Эксперимент интересный, но… необходимо тщательно проверить, прежде чем… нужны подтверждения в других экспериментах… бла-бла-бла”.

Недоумение еще больше возросло, когда выяснилось, что коллаборация в OPERA расколота до такой степени, что даже не все ее члены поставили свои подписи под публикацией. Это свидетельствовало о том, что во внутренних механизмах эксперимента не все функционировало так, как надо.

Как мы уже видели, когда в больших коллаборациях регистрируется некий неожиданный результат, сразу запускается процедура верификации и проверок, которая должна быть тем более глубокой и всесторонней, чем более резонансным и значимым в научном плане может оказаться предполагаемое открытие. Организовать процесс валидации[41]41
  Верификация и валидация – две разновидности контроля, различие между которыми довольно существенное, хотя и не всегда понятное. Верификация подтверждает результат эксперимента, а валидация подтверждает, что эксперимент позволяет судить об исследуемом явлении.


[Закрыть], убедиться, что никакая мелочь не ускользнула от внимания, – главная задача ответственных лиц эксперимента. Без такого механизма внутренних проверок CMS каждый день открывал бы то экстраизмерения, то суперсимметричные частицы. В таких сложных устройствах достаточно пустяка, чтобы появился сигнал, похожий на те, которые могли бы опрокинуть всю картину мира. Это может быть и недостаточно откалиброванный детектор, и дефект в электрической цепи, и банальная электромагнитная помеха, и незамеченный шумовой фон, и забытый баг в одной из бесчисленных строчек кода… перечислять тут можно до бесконечности.

По сути, речь идет об энтропии. Есть тысячи разных способов произвести скверное вино, но лишь один (с незначительными вариациями) – дать жизнь настоящему “Сассикайя”. То же самое правило работает в физике. Не существует магического рецепта, который защитит тебя на все сто процентов, но достаточно пренебречь какой‑то одной из контрольных процедур – потому, что слишком торопишься, или потому, что тебя манит свет прожекторов, – и результат наверняка окажется катастрофическим. Поэтому нам требуются выдержка и хладнокровие. А самое главное – в таких решениях должны принимать участие все физики эксперимента. Ты обязан сразу обратиться к тысячам умных и компетентных экспертов, чтобы они искали в твоих рассуждениях не замеченные тобой слабые места.

Именно для этого как раз и нужна максимальная прозрачность внутри эксперимента. Все должны иметь полный доступ ко всей информации. Все должны осознавать свое право / свою обязанность нелицеприятно критиковать результат, полученный одной из аналитических групп. Все должны получить полный доступ к каждой детали проводимого исследования и быть в состоянии провести его заново. Если результат подразумевает резонансные последствия, ты должен обязательно обратиться ко многим независимым группам с просьбой воспроизвести его, используя абсолютно другие методы и программное обеспечение. Принципиально важно в этом процессе забыть об иерархиях и авторитетах. Много раз я видел в CMS совершенно юных студентов, которые одним простым вопросом разбивали результаты, представляемые известными профессорами.

Увы, приходится признать, что, несмотря на любые усилия, ошибки все равно происходят. От них не застрахованы никакие эксперименты, даже самые знаменитые. В 1985 году UA1, эксперимент, руководимый Руббиа, объявил об открытии топ-кварка с массой 40 ГэВ. Но UA2 не смог воспроизвести результат, и очень скоро оказалось, что Руббиа совершил ошибку; правда, полученная им незадолго до того Нобелевская премия защитила его от более тяжких последствий, чем краткосрочная потеря доверия. Ну, а о ложной тревоге на LEP по случаю несостоявшегося открытия бозона Хиггса на 115 ГэВ я уже говорил… и этот “скорбный список” можно продолжить.

Когда ты двигаешь вперед свои отряды для исследования новых территорий, то должен принимать в расчет вероятность где‑то споткнуться. Тебе надо признать, что среди сотни экспериментов за гранью возможного окажутся и такие, что дадут бессмысленный результат. Принцип научной достоверности – со времен Галилея требующий, чтобы, поставив тот же самый эксперимент в тех же самых условиях, всегда можно было проверить и перепроверить любой научный результат, а также чтобы независимые экспериментаторы пришли к тем же выводам, – целых 400 лет убедительно демонстрировал свою неизменную работоспособность. В истории с OPERA хватило нескольких месяцев, дабы стало ясно: этот принцип не был соблюден, полученный результат не был подтвержден в других экспериментах, и потому его сразу следовало отправить в архив – в качестве очередного наглядного примера допущенной ошибки. В чем тут была неправильность? В том, что происходило внутри коллаборации. Как стало известно вскоре после публичного сообщения о полученном результате, некоторые детали эксперимента скрывались даже от его участников. Никто не обращался к независимым группам исследователей для проверки экспериментальных процедур и повторения полученного результата иными методами. Спикер очень спешил объявить о громком открытии. Тем, кто пытался выразить сомнение и потребовать дополнительных проверок, затыкали рты, на них давили авторитетом, и потому они попросту не стали ставить свои подписи под статьей. Все эти грубые ошибки не позволили сразу обнаружить то, что вскрылось позднее, весной 2012 года: какое‑то дурацкое оптоволокно не было подсоединено должным образом, отчего измерение, вызвавшее такой ажиотаж, оказалось полной ерундой.

Что же касается LHC, то нам здорово повезло, что все это случилось весной, спустя несколько месяцев после того, как на декабрьском семинаре мы на весь мир объявили о первых свидетельствах присутствия бозона. Когда в OPERA признали свою ошибку, мы в ЦЕРН уже работали над открытием. Но ситуация все еще оставалась очень рискованной.

В конце концов за все ответил Эредитато; он, конечно, был виноват во многом, но расплачиваться ему пришлось и за то, в чем его вины не было. Он утратил доверие и был вынужден оставить свой пост, а те самые информационные каналы, которые совсем недавно пели ему осанну как новому Эйнштейну, принялись безжалостно его высмеивать. Все те, кто заскочил в вагон к “победителю”, в минуту его поражения и позора мгновенно испарились. ЦЕРН делал вид, что все идет по плану. Его сдержанное коммюнике сообщало, что в OPERA обнаружили дефекты в экспериментальном оборудовании, которые ставят под сомнение результаты, обнародованные несколькими месяцами ранее. Позже, вспоминая об этом эпизоде, Серджо Бертоллучи ядовито заметит: “Было ясно, что так оно и закончится. Разве в Италии хоть что‑то может произойти раньше положенного срока?”

Разумеется, то, когда именно и при каких обстоятельствах “взорвется нейтринная бомба”, определил случай. Но я не исключаю и вмешательства кого‑либо еще, кому понадобилось, чтобы ЦЕРН непременно расписался под сенсационными достижениями. Это непрерывное стремление к тому, чтобы всегда быть на первых полосах, – один из результатов чрезмерного внимания прессы после 2008 года. Я долго пытался понять, кто же принял решение о поддержке открытия OPERA со стороны ЦЕРН. Но, боюсь, мое любопытство так и останется неудовлетворенным.

Убейте этот сигнал

Пока внимание всего мира было приковано к нейтрино, мы упорно изучали новые данные. Стив продолжал увеличивать светимость ускорителя, и все шло наилучшим образом. Данные все прибывали и прибывали, однако, к сожалению, крутиться в полную силу шестеренкам нашего механизма мешали кое‑какие песчинки. Одна из них – это pile-up[42]42
  Нагромождение (англ.).


[Закрыть].

Для того, чтобы увеличить светимость, Стив увеличивал плотность протонов в каждом сгустке и улучшал фокусировку пучков. Все это приводило к хорошо известному для ускорителей типа LHC явлению, с которым мы, однако, не рассчитывали встретиться так скоро. На практике число столкновений для каждого пересечения пучков росло слишком быстро. От идеального случая, когда на каждое пересечение приходится по одному столкновению, мы пришли к ситуации, когда надо было реконструировать по 12 столкновений на пересечение, а иногда дело доходило и до совсем экстремальных 25 столкновений на пересечение. Из них от силы одно могло представлять какой‑то интерес, а во всех остальных отмечалась слишком низкая энергия. Но в каждом таком столкновении образовывались десятки частиц, запутывавших картину, которую нам предстояло изучать.

Эксперименты на LHC проектировались с учетом этого явления, но нам впервые пришлось с ним столкнуться в реальности, и никто не мог гарантировать, что готовые рецепты будут работать так, как задумывалось. В июле мы получили предупреждение и сразу же принялись за работу. Многие даже отказались от своего недельного отпуска в августе, чтобы в сентябре, когда начнется финальная суматоха, все было гарантированно готово. На бумаге предлагавшиеся инновативные идеи вроде бы работали очень хорошо, но мы готовились вмешаться, если что‑то пойдет не так. События могли оказаться настолько сложнее, чем предполагалось, что их не удастся записать на диск. Наш адский суперпроцессор, тот самый триггер, который на лету отбирает и реконструирует лишь многообещающие события, мог просто захлебнуться в потоке данных. Кроме того, надо было следить за тем, чтобы все расчеты в этих новых условиях давали достоверные результаты, а для этого требовалась подробная численная симуляция на компьютере миллиардов событий.

К счастью, рост оказался не лавинообразным, а вполне постепенным, так что у нас было время проводить проверки шаг за шагом, по мере необходимости приспосабливаясь к изменениям. Но сложность заключалась в том, что нам при этом нельзя было терять ни секунды. Сотни людей месяц за месяцем напряженно работали и всеми силами старались уменьшить затраты времени на реконструкцию треков, стремясь снизить путаницу в калориметрах и смягчить эффект pile-up при отборе электронов, фотонов и мюонов – наиболее важных частиц для выявления признаков бозона Хиггса.

Параллельно с этим следовало удостовериться в качестве новых данных; зачастую их надо было быстро отправлять на повторную обработку – в надежде воспользоваться результатом идеальной юстировки и калибровки. Мы не могли тратить месяцы на ожидание. У нас было всего несколько недель, чтобы провести полный анализ и понять: есть тут этот проклятый бозон или нет.

Оркестр звучит прекрасно во всех регистрах, дирижер может не слишком напрягаться. У него полное взаимопонимание с оркестрантами. Достаточно легкого взмаха дирижерской палочки или даже грозного взгляда – и группы инструментов в нужный момент подхватывают мелодию либо умолкают, а солисты виртуозно сменяют друг друга. Прежде мне никогда не доводилось видеть, чтобы такой большой и такой разношерстный коллектив работал столь слаженно, страстно и неутомимо, словно он и в самом деле был единым организмом.

И результаты не заставили себя ждать. Наиболее важная роль – у трех групп, занимающихся поисками бозона Хиггса в области небольших масс. В каждой работают сотни физиков, входящих в сеть подгрупп.

Та, которая занималась распадом бозона Хиггса на пару W-бозонов, обеспечивала рост чувствительности ускорителя. Я уже упоминал, что разрешающая способность в этом канале по массе была несопоставима с разрешающей способностью в распадах бозона Хиггса на два фотона или четыре лептона. Именно от этих групп зависел исход дела. Если никакого избытка распадов на два W-бозона не будет, то все усилия окажутся напрасными. Работая как проклятые, ребята из группы W смогли в итоге поднять чувствительность в этом канале и выдавали теперь информацию о происходящем в области небольших масс на уровне 120 ГэВ – то есть близко к порогу LEP, – в той самой области, которая еще несколько месяцев назад рассматривалась как непригодная к исследованию. Ради уверенности в надежности результата были организованы дополнительные независимые проверки. Три воинственно настроенные подгруппы сотрудничали и конкурировали друг с другом, стараясь превзойти соперников в надежности и убедительности результатов, которые будут опубликованы как достижение всей коллаборации.

Группа, искавшая бозон Хиггса в парах фотонов, знала, что находится в центре внимания, но также чувствовала и ответственность за получение надежных результатов. А значит, исследователям надо было предельно откалибровать электромагнитный калориметр и максимально учесть фоновые процессы. Сигналы от распада бозона Хиггса на два фотона очень заметны, но нужно распознать сотню таких событий на фоне десятков тысяч других, хотя они и выглядят очень похоже. Тут тоже требуется создавать независимые аналитические группы, которые станут использовать для идентификации тех же самых сигналов иные методы. Каждый результат, полученный одной из подгрупп, будет верифицирован, событие за событием, другими подгруппами, до тех пор, пока анализ в разных подгруппах не будет полностью синхронизирован. Всякое, даже мельчайшее, улучшение разрешающей способности может оказаться важным. Вот, скажем, подгруппа, занимающаяся откликом калориметра; каждый из 75 000 кристаллов анализируется, словно под микроскопом; изучается отклик каждого кристалла в зависимости от точки попадания частиц; проверяется, как отклик кристалла меняется с течением времени, – и делаются корректировки, учитывающие любые вариации условий, в которых протекают эксперименты. Другая подгруппа работает над тем, чтобы по информации о двух фотонах реконструировать координаты точки, откуда они были излучены, и сопоставить их с координатами места столкновения частиц. Еще одна подгруппа разделила все события на различные классы, приписав каждому определенный вес в зависимости от чистоты получаемого сигнала. И хотя таким образом достигается предельная чувствительность, процедура проверок становится исключительно сложной, особенно на этапе согласования результатов работы всех подгрупп.

Наконец, есть группа, занимающаяся распадом бозона Хиггса на четыре лептона. Тут тоже многое делается для изучения электронов и мюонов низких энергий и возможностей их идентифицировать в условиях возросшего pile-up последних месяцев. Это необходимо проделать при поиске бозона Хиггса в области небольших масс, поскольку мы знаем, что можем в лучшем случае рассчитывать на горстку полезных событий. Распад бозона Хиггса на пару Z-бозонов с последующим распадом каждого из них на пару электронов или пару мюонов – процесс очень ясный, потому что фон тут невелик, но эти события так редки, что мы не можем себе позволить пропустить ни одно из них. Очень кстати кто‑то обнаружил, что на основании предсказанных свойств бозона Хиггса можно улучшить выделение сигнала из фона, анализируя угловое распределение лептонов после распада. Как и в других группах, анализ тут проводят независимо и поэтапно – ради достижения лучшего результата.

Во всех группах есть молодые и очень молодые сотрудники, которые стремятся использовать наиболее инновационные методы анализа, принятые к использованию в физике относительно недавно и особенно эффективные при поиске слабых сигналов в наиболее запутанных ситуациях. Их называют многомерным анализом данных, так как в настоящее время для отбора наиболее интересных событий они используют всевозможные переменные. Однако мы в CMS пока не верим, что они пригодятся для поиска бозона Хиггса. В таких сложных методах анализа всегда есть риск утратить контроль над тем, что вы делаете. Но инновационные методы очень важны, так как дают нам возможность организовать дополнительную проверку происходящего.

В первых числах ноября охотники за бозоном Хиггса заметили новые странности. Группа, занимающаяся парами W-бозонов, увидела избыток интересных событий во всем диапазоне масс меньше 160 ГэВ; это могло быть первым указанием на то, что в этой области что‑то происходит, но мы уже пережили слишком много взлетов и падений, чтобы отнестись к новости с энтузиазмом. Более интересной выглядела ситуация с распадом бозона Хиггса на четыре лептона. Для масс меньше 130 ГэВ событий было явно больше ожидаемого. Но мы пока не понимали, что там творится. Были два события около 125 ГэВ и три около 119 ГэВ. Какая из зон была правильной? Или в обоих случаях речь шла о статистических флуктуациях, временных сгущениях событий, которым суждено рассосаться по мере накопления новых данных?

Все взгляды были прикованы к распаду бозона Хиггса на два фотона. Но группы пока не успели проанализировать полный объем данных, потому что анализ должен был проводиться синхронизированно и мы ожидали проведения новых калибровок. Поэтому 8 ноября, когда проходило очередное совещание группы, никто особо не волновался. За исключением меня, Вивека и еще пары участников встречи, большинство присутствующих не следило за тем, что происходит в других группах. Мы принимали участие во всех совещаниях и получали информацию из первых рук, а люди, входившие в ту или иную группу, были слишком поглощены собственной работой, чтобы вдаваться в то, чем заняты другие.

Когда в их результатах появляется пик на 125 ГэВ, лишь немногие понимают, что на самом деле происходит. Во-первых, сигнал слаб, во‑вторых, на 145 ГэВ есть еще один пик, так что вполне можно подумать, что мы видим всего лишь очередную статистическую флуктуацию. Но если бы кто‑то, подобно мне, просмотрел перед этим другие результаты, то у него бы наверняка тоже заколотилось сердце. Совещание шло обычным ходом: задавались вопросы, предлагались объяснения. Однако когда в тот же день я повстречал ребят из двух других групп первичного анализа – они как раз обменивались новостями, – мне не потребовалось много слов, чтобы описать ситуацию.

Приказ, отданный немедленно, звучал абсолютно ясно и обсуждению не подлежал: у вас есть две недели на то, чтобы убить этот сигнал. Сделайте все, чтобы его не было. Если же у вас это не получится, то я еще до конца месяца сообщу о нем генеральному директору.

Для CMS начались безумные дни бесконечных проверок, страха и острых конфликтов. Прочая же научная общественность, не имевшая отношения к LHC, сохраняла спокойствие и обсуждала новые горизонты, открывавшиеся в связи с тем, что, как теперь стало ясно, бозона Хиггса не существует.

Через неделю после моего дня рождения я был в Сорбонне, на одной из регулярных встреч физиков-теоретиков. Они яростно спорили, выбирая между различными моделями Новой физики, объясняющими отсутствие бозона Хиггса. Кое-кто, обладавший сомнительным чувством юмора, даже начал свое выступление с замечания, что Питеру уже больше восьмидесяти лет, и со слайда, на котором виднелся надгробный камень с надписью: “ХИГГС R. I. P.” (то есть “Да упокоится с миром” на латыни). Пока шли дискуссии, я все время отвлекался на свой мобильник, ожидая новостей из ЦЕРН. Легкая улыбка освещала мое лицо.