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

На море в Портовенере

На последний слайд своей презентации к семинару я поместил отличное фото улыбающегося отца. Я посвятил ему свое выступление, потому что знал, как бы он гордился мною, доведись ему присутствовать в зале. Он был на защите моей диссертации в Пизе в 1975‑м, и я до сих пор помню его счастливое лицо. Вот и теперь его глаза сияли бы от радости. И многие из тех коллег, что прислали мне поздравления, отметили мужество и силу воли, которые потребовались мне, чтобы справиться с болью в важнейший момент моей профессиональной жизни.

Через два дня после семинара я поехал в Специю на похороны. Свои пожелания по их поводу отец высказывал неоднократно: он хотел, чтобы его кремировали, а прах высыпали в море.

Отец любил море и привил эту любовь и мне, причем еще когда я был ребенком. Я никогда не забуду того восторга, который охватывал меня, когда я слышал отцовское: “Ну, поехали!” От галечного пляжа Монтероссо мы несколько часов плыли до Пунта-Меско – мыса, который отделяет национальный парк Чинкве-Терре от Леванто. Теперь‑то в этих местах полно туристов, они кишат здесь круглый год, а тогда вдоль побережья тянулись сонные городки, где жили рыбаки и прогуливались редкие отдыхающие.

В море мы с отцом, держась друг от друга примерно в десяти метрах, плыли, дыша через трубку и размеренно работая ластами, и разглядывали через стекло маски плоское каменное дно. Тамошние осьминоги внимательно смотрели на нас, желая убедиться, что мы не опасны. Я и сейчас помню физическое ощущение радости и силы, которые давали мне эти долгие заплывы.

…Пришлось обращаться в муниципалитет за ворохом разных справок. Как оказалось, развеять над морем прах умершего не так‑то просто: для этого требуются разнообразные разрешения, и не факт, что просьбу все же удовлетворят. В конце концов я прекратил борьбу – и понял, что мне надо сделать.

Забрав урну с прахом отца, я по идее должен был везти ее на кладбище, чтобы захоронить там в земле. Но для осуществления задуманного мне не требовалось много времени. Я отправился в Портовенере – истинную жемчужину наших мест, прелестную деревеньку, ограничивающую с севера бухту Специи. Стоял ясный декабрьский день; на фоне кипенно-белых Апуанских Альп и их снежных шапок ярко выделялись разноцветные домики. Прямо передо мной лежал остров Пальмария. Наверху, на склоне, виднелась церковка святого Петра. Отец наверняка был бы доволен и временем, и местом, что я выбрал для его упокоения. Именно здесь любил он нырять каждое лето.

Жизнь частенько играет нашими эмоциями. Всего через четыре дня после семинара по ту сторону Атлантики, в Чикаго, родился малыш, которого Диего, храня связь поколений, решил назвать в честь дедушки Джулиано.

Вслепую

Вскоре слух о семинаре распространился по всему свету. Сотни газет и телепередач сообщили, что в ЦЕРН продолжают загонять бозон Хиггса в угол и что около 125 ГэВ “что‑то шевелится”. Мы были предельно осторожны, взвешивали каждое слово и обходились нейтральными фразами, но наиболее искушенные из наблюдателей прекрасно понимали, чего следует ожидать.

Слухи, что в обоих экспериментах видели какие‑то события вблизи 125 ГэВ, появились еще до официального сообщения. И некоторые теоретики бросились наперебой писать статьи о том, что будто бы они не только предсказывали бозон Хиггса именно с такой массой, но даже прилагали усилия к тому, чтобы их предсказание было опубликовано до 13 декабря. Другие же пустились рассуждать о значении этого открытия для суперсимметрии и о возможных его связях с инфляцией и стабильностью вакуума. А третьи, вроде Джона Эллиса, сразу после семинара по своей личной инициативе объединили результаты двух наших экспериментов; полученный широко разошедшийся график не оставлял места для сомнений. Статьи, в которых были опубликованы представленные на семинаре данные, набирали сотни цитирований.

Ясный и отчетливый сигнал добрался даже до самых верхних этажей мировой политики. 15 декабря, спустя два дня после нашего семинара, премьер-министр Японии Ёсихико Нода, выступая на объединенном физическом симпозиуме в Токио, объявил, что его страна готова взяться за строительство нового коллайдера стоимостью в 7–8 млрд долларов. Он будет называться ILC и станет самым большим в мире линейным ускорителем – настоящей фабрикой бозонов Хиггса, машиной, позволяющей изучать во всех деталях особенности нового бозона, пока еще только промелькнувшего в экспериментах ЦЕРН.

Тем временем мы готовились к новому циклу сбора данных. Наша стратегия была абсолютно четкой: во избежание любой предвзятости каждый из двух экспериментов должен проводить свой анализ вслепую. Поначалу никто не должен видеть, что происходит вблизи 125 ГэВ, где, как мы подозреваем, прячется бозон Хиггса. Когда все необходимые процедуры этого нового цикла будут завершены, шкатулку со всеми новыми данными в некий заранее условленный момент откроют – и мы посмотрим, окажутся ли в данных 2012 года те же самые сигналы, о которых мы сообщали в 2011‑м. Такой момент, по решению обоих экспериментов, должен был наступить в середине июня. С первого января экспериментом начал руководить Джо Инкандела, заменивший меня на посту главы CMS. Состав уже разогнался, но опасность резкого торможения – из‑за непредвиденного препятствия или организационного промаха – все еще существовала. Напряжение не спадало.

Во время встречи в Шамони в феврале 2012 года Стив Майрс принял предложение повысить энергию до 8 ТэВ. Опыт 2011‑го дал основания больше доверять надежности конструкции. Можно было попытаться склонить Стива и на большую светимость, рискуя, однако, получить и новый рост pile-up данных. Увеличение энергии всех радовало, потому что оно означало большее число рождающихся бозонов Хиггса, но вместе с тем новый рост числа взаимодействий несколько пугал. Получалось бы в среднем по двадцать столкновений на каждое пересечение пучков с пиковым значением в сорок столкновений. Справятся ли детекторы, удержат ли они этот ад? Сохранятся ли при этом следы бозона Хиггса, в частности – наиболее критические? В итоге мы решились, но при условии, что и в этот раз начнем все сначала. Будут перестроены алгоритмы триггера, будут проведены численные симуляции миллиардов событий с новой энергией в 8 ТэВ, будут предложены новые методы борьбы с эффектом pile-up – при проведении наиболее чувствительного анализа. И на все про все – пара месяцев, так как в начале апреля стартует новый цикл столкновений на коллайдере.

Ежегодная встреча проходила в Ла-Тюиль в первых числах марта, и это была самая важная в ряду зимних конференций, организуемых на горнолыжных курортах Альп и Скалистых гор. В этом году она была целиком посвящена первым данным о возможном бозоне Хиггса. В сообществе продолжались активные обсуждения: многие уже уверились в том, что бозон Хиггса был нами открыт, но оставались и упрямые скептики. Близилось 4 июля, а я все еще встречал коллег, убежденных, что на 125 ГэВ у нас ничего не было. Я даже придумал стратагему для приведения таких людей в замешательство: предлагал заключить пари, и не на обычные двадцать долларов, а на крупную сумму. Я делал это со смехом, но хотел, чтобы всем вокруг казалось, будто я не шучу. У меня появился специальный блокнот, куда я заносил инициалы и размер ставки; потом я зачитывал эти суммы вслух: G. L. – 15 000, C. P. – 20 000 и так далее; некоторые при этом смертельно бледнели. Я, разумеется, никогда не требовал платы по этим ставкам; нет чтобы обогатиться!

В начале апреля, когда стартовал очередной цикл проверок, LHC работал безукоризненно. К середине июня у нас было еще 5 fb^-1 новых данных. Все измерения были проведены, и оставалось только дождаться 15 июня – дня, когда мы решили на них посмотреть; две недели оставались “про запас” – на подготовку презентации к открытию 4 июля ICHEP, Международной конференции по физике высоких энергий. Эта конференция в 2012 году должна была состояться в австралийском Мельбурне.

И вот он, момент истины! Решение вести анализ вслепую было принято нами самостоятельно, в ходе долгих дискуссий в группах ATLAS и CMS. Преимущества и недостатки такой стратегии обсуждались на протяжении нескольких недель, но в конце концов на нее согласились все без исключения. Обе коллаборации отдавали себе отчет, сколь велика ставка в этой игре, и понимали преимущества самодисциплины. Потому‑то она никем и не нарушалась. Но накануне 15 июня аналитикам дали отмашку – и двадцать четыре часа на отработку их программ; они работали всю ночь, следя, чтобы не было сбоев, выдавая сотни графиков и готовя презентации, которые наутро мы начнем обсуждать.

Тот день выдался в Женеве жарким и душным. Такое тут редкость, но лето было необычным; нам даже пришлось оставить открытыми двери Filtration Room, где проходила наша встреча, поскольку в нее набилось множество людей, а кондиционер отсутствовал. Кресла были заняты в мгновение ока, так что публика расселась на полу. Еще несколько сотен желающих подключились к нам в режиме видеоконференции. Все ожидали чего‑то поразительного. Лично я ничуть не сомневался, что в данных что‑то да будет, но любопытство терзало меня не меньше, чем остальных.

За эти месяцы сигналы бозона Хиггса еще больше усилились. Кропотливая работа позволила убедить всех в том, что многомерный анализ можно использовать в самых разных областях; все аналитические группы двигались различными, но взаимодополняющими путями, и чувствительность везде возросла. Каким бы ни оказалось сегодняшнее заключение, результаты уже выглядели солидно.

Войдя в зал, я сразу понял, что неприятных сюрпризов не будет. Ребята, демонстрирующие результаты со своих ноутбуков, работали до последнего мгновения, готовя графики, и встретили меня широкими улыбками и похлопываниями по плечу. Кое-кто уже даже рвался со мной фотографироваться. Желая разрядить напряженную обстановку, Альберт де Рук явился в черной маске для сна (вроде тех, что раздают в самолетах, чтобы спать во время межконтинентальных перелетов), и всех это развеселило.

Вскоре начались презентации; их делали самые молодые участники эксперимента, среди которых было много девушек.

Результаты по распаду бозона Хиггса на пару W-бозонов были убедительными. Их представлял юноша-итальянец, который теперь работал с Вивеком Шарма в Калифорнии. Явный избыток событий по всей области небольших значений массы. Само по себе это хорошо, но все понимают, что вне связи с другими этот результат ничего не решает.

Когда дело дошло до распада бозона на два фотона, все в зале затаили дыхание; представлявшая работу китайская студентка из MIT была спокойна и решительна; она демонстрировала результаты, сохраняя определенную интригу, словно на телевизионном шоу: “Вот результаты 2011 года” – и она показала пик на значении 125 ГэВ. “А теперь вы хотите видеть данные 2012‑го, верно? Давайте считать вместе: три, два, один, пуск…” – и она продемонстрировала график 2012 года с явственным пиком на том же самом месте. Складывая вместе оба результата, можно было показать, что вероятность получить такой пик из‑за статистической флуктуации не превышала одной стотысячной.

Далее последовал распад бозона Хиггса на четыре лептона; результаты представляла молодая итальянка. Здесь тоже в 2012 году наблюдалось сгущение событий в той же самой области, вблизи 125 ГэВ, в которой мы регистрировали их избыток в 2011‑м. Но сейчас вероятность того, что речь идет о статистической флуктуации фоновых событий, только для этого канала снизилась до одной десятитысячной. Нет необходимости что‑то к этому добавлять. Теперь мы все хорошо знали, что, объединяя данные анализа событий только в трех основных каналах распада, мы увидим, что эта вероятность упадет до одной миллионной, – таким образом, мы достигли уровня достоверности, при котором можно объявлять об открытии.

Результаты сообщили Рольфу и Серджо. Оставалось еще сделать бесконечное число проверок и уточнений, а главное – узнать, что происходит на ATLAS; с CMS все уже было ясно.

После той пятницы середины июня скептики затихли: все понимали, что именно у нас происходит. Люди из CMS то и дело появлялись в нашем кафетерии с сияющими глазами, ослепительными улыбками и в очевидно хорошем настроении. Но вот из ATLAS сведения приходили более противоречивые. По слухам, бродившим по коридорам, там тоже был сильный сигнал бозона Хиггса в канале с двумя фотонами, однако событий с четырьмя лептонами, зарегистрированных более чем в половине собранной статистики, было пока слишком мало. Этот важный канал распада не давал того, чего от него ожидали, и в ATLAS начал расползаться страх, что CMS может самостоятельно объявить об открытии, оставив им лишь возможность подтвердить его своим более скромным и менее убедительным сигналом. В CMS склонялись к тому, чтобы представить результаты на специальном семинаре перед поездкой на ICHEP, как это было в декабре. Но ATLAS упирался и тормозил; в конце концов 22 июня Рольф таки назначил дату проведения семинара. Совет ЦЕРН, которого беспокоила некоторая неопределенность относительно результатов, тоже настаивал, чтобы результаты были публично представлены до поездки в Мельбурн. И было выбрано 4 июля – последний день, когда можно будет вылететь в Австралию без страха опоздать. Семинар должен был начаться в 9 утра – с тем, чтобы приехавшие на открытие конференции могли присутствовать на нем онлайн.

Но неопределенность все еще оставалась, и никто даже в CMS не хотел обсуждать открытие.

Несколько дней спустя в ATLAS наконец вздохнули с облегчением. Как это нередко происходит, статистика решила позлить всех нетерпеливых. При анализе последней порции данных вдруг появились те самые драгоценные события, которых так давно ожидали. Отчетливая группка событий в канале с четырьмя лептонами, сгрудившимися вокруг точки 125 ГэВ, вернула эксперимент на прежние рельсы. Комбинация различных каналов, которую ATLAS провел 25 июня, позволила переступить порог, за которым стало можно говорить об открытии: крики радости, раздавшиеся из аудитории, где проходило совместное заседание двух коллабораций, были тому свидетельством. Ни у кого больше не оставалось сомнений, что семинар 4 июля войдет в историю.

День Хиггс-зависимости

Опыт семинара 13 декабря 2011 года оказался травмирующим для тех, кто не смог на него попасть, так что на этот раз уже накануне вечером желающие первыми проникнуть в зал устроили внизу своеобразный бивуак. Да я и сам сгорал от нетерпения в ожидании 4 июля – дня, которому суждено было стать историческим Днем Хиггс-зависимости[45]45
  4 июля в США отмечается День независимости (Independence Day). Higgs-Dependence Day созвучно Independence Day примерно в той же логике, в какой Ig Noble (Шнобелевская премия) созвучно Ignoble – невежественный, презренный.


[Закрыть].

Я был несколько раздражен тем коварным ударом, который попытался нанести нам кое‑кто из Тэватрона. Несколько дней назад эти ребята опубликовали статью, в которой пробовали доказать, что видели бозон Хиггса первыми. Прочитав ее, я понял, что она не содержит ничего нового. Исследуя канал распада бозона Хиггса на две струи b-кварков, они зарегистрировали избыток событий на всем интервале масс от 115 до 145 ГэВ, указывающий на возможность новой частицы в этом диапазоне. Все очень просто. Они уже с декабря знали, что у нас есть избыток событий на уровне 125 ГэВ, были в курсе всего, что происходило в ЦЕРН все последующие месяцы, и упорно искали случая как‑то нас уколоть. Это был подловатый трюк, рассчитанный на то, чтобы отвлечь внимание от сегодняшних событий и успеть запрыгнуть на колесницу победителя. Совершенно дурацкий поступок, который не мог иметь никаких последствий… хотя разозлил он многих, и меня в том числе.

В здание я вхожу в 7.30. Очередь уже змеится вдоль всей лестницы и даже через кафетерий на втором этаже; в ней стоят сотни человек. Только малая их часть попадет в аудиторию. Я иду мимо очереди, и мне кажется, что здесь вот-вот начнется рок-концерт. Вижу с десяток молодых сотрудников и сотрудниц CMS; они приветствуют меня либо рукопожатием, либо помахиванием пятерней. Когда я подхожу к лестнице, раздаются гром аплодисментов и крики, словно на стадионе, и я озираюсь по сторонам, не понимая, кому они адресованы; потом оглядываю улыбающихся присутствующих и догадываюсь, что причина во мне. Аплодируют все, включая сотрудников ATLAS и совсем незнакомых людей в очереди. Я благодарно и растроганно раскланиваюсь.

Все приглашенные уже на месте. Карло Руббиа, Лучано Майани и другие экс-генеральные директора ЦЕРН, а также Стив Майрс и Лин Эванс. Но главное, они – ребята из 64‑го. Мы обнялись с Франсуа Англером, едва он вошел, мы с ним шутили и веселились, но – ничего не могу с собой поделать! – галстук у него ужасен и совершенно не подходит к его черному пиджаку и красной рубашке в полоску. Он замечает мой изумленный взгляд и сразу пускается в объяснения: оказывается, чудовищные разноцветные кубики на рубашке – это элементарные частицы Стандартной модели, а галстук был ему подарен Герардом ‘т Хофтом, собственноручно его раскрасившим, и он дал Герарду обещание надеть этот галстук, если вдруг будет открыто то, что он называл “скаляром Стандартной модели”, – это был своеобразный эвфемизм, которым он пользовался, чтобы не называть имени своего старого соперника.

Когда появляется Питер Хиггс, аудитория уже заполнена, и раздавшиеся аплодисменты сопровождаются столь неистовыми воплями, что конца им, кажется, не будет. Зардевшись, Питер проходит к своему месту и благодарит провожавшего его студента застенчивой улыбкой и теплым рукопожатием.

На этот раз первый на очереди – CMS. Джо Инкандела показывает дюжину слайдов, демонстрируя во всех подробностях подготовку к проведению измерений, но до показа самих результатов добраться не успевает. Время, отведенное CMS, исчерпано. То с одной, то с другой стороны доносится легкий шум, но прервать его никто не решается. Результаты для канала распада бозона Хиггса на два фотона появились лишь на слайде номер сорок три. Определенная неоднозначность декабря превратилась теперь в явственный избыток: даже невооруженным глазом видно, что в окрестности 125 ГэВ что‑то происходит. Джо показывает результаты для распада бозона Хиггса на четыре лептона, и в аудитории воцаряется полная тишина. Затем очередь доходит и до распада на два W– бозона. Когда же он показал, что объединенный результат по всем этим каналам отделяет сигнал CMS от фона “на 5 сигм”, то есть признанный стандарт, который надо превысить, чтобы получить право произносить слово “открытие”, снова раздались долгие и громоподобные аплодисменты. Все радостно улыбаются, включая и самого Джо, испытывавшего явственное облегчение после всего того напряжения, которое цепко держало его до этого самого момента. Хотя презентация пока не окончена, все уже услышали то, что хотели услышать. Джо так и не произнес слова “открытие”, но смысл показанных им результатов и без того ясен. Аплодисменты, отметившие конец его выступления, звучали громко и убедительно.

Следом за ним на подиум поднялась Фабиола. Ее речь оказалась короткой: вступительная часть заняла двадцать минут, а затем она сразу перешла к результатам. Фабиола тоже начала с распада на два фотона, продемонстрировав совершенно явственный сигнал в этом канале, – такой сильный, что его одного хватило бы, дабы убедить любого скептика в том, что она имеет право произнести слова, на которые пока никто не решался: мы его открыли. И сигнал распада на четыре лептона был так же надежен и убедителен, как и полученный на CMS. Еще несколько минут потребовалось на объяснение избытка событий с двумя W-бозонами – и вот уже и заключение: в комбинированных данных сигнал отстоит от шума более чем на 5 сигм. Ее презентация пока не окончена, но публика взрывается аплодисментами; молодежь повскакивала с мест; многие размахивают руками, точно на стадионе.

Теперь взгляды направлены в ту часть аудитории, где – справа, чуть поодаль друг от друга – сидят Франсуа Англер и Питер Хиггс. Они оба очевидно взволнованы, Питеру даже приходится воспользоваться носовым платком, чтобы вытереть выступившие слезы. Несколько минут спустя Франсуа, получив слово, заговорит о Роберте Брауте, своем соратнике в различных начинаниях, о котором он всегда помнил и который скончался в 2011 году, так и не убедившись в своей правоте.

Питер не станет объяснять причин своего волнения, и все решат, будто он всплакнул от радости, но на самом деле он думал о любимой покойной жене Джоди и о той цене, которую ему пришлось заплатить за нынешний триумф.

В завершение семинара слово взял Рольф и наконец произнес то, что все присутствующие давно уже ждали: “Я думаю, нам всем все ясно. Вы согласны? Мы совершили открытие: наблюдалась новая элементарная частица с характеристиками, совпадающими с теми, что были предсказаны для бозона Хиггса”.

Более двадцати лет мы боролись за то, чтобы осуществилась наша мечта, и ради этого прошли через радости и беды. И когда уже стало казаться, будто все усилия пропали втуне, когда – после очередной бесплодной попытки – надежды упали до нуля, что‑то внезапно сдвинулось с мертвой точки и мы начали видеть какие‑то неожиданные явления… а потом заметили и первые признаки будущего открытия. Наконец все закрутилось с невероятной скоростью и – резко поменялось.

Прошло меньше семи месяцев с того момента, как появились первые скромные сигналы, – и вот уже весь мир празднует вместе с нами это новое великое открытие. Нам самим пока еще не верится, что мы его сделали: все происходило слишком быстро, и мы не успели пока убедить себя в его реальности. Но зато мы убеждены в его важности: теперь уже ничто не будет так, как раньше. Физика изменилась полностью и навсегда. Но в каком же направлении она двинется?