В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Сэмпл Иэн

Летом 1999 года большинство теоретиков считало, что масса бозона Хиггса находится где-то в интервале 100-250 ГэВ. При работе LEP в форсированном режиме ученые надеялись изучить всю эту область, кроме того, и в планы физиков входило увеличить мощность машины в 2000 году — последнем году работы ускорителя — до еще больших значений. Были и другие веские причины добиваться получения высоких энергий. Следующей машине ЦЕРНа — Большому адронному коллайдеру — будет трудно найти бозон Хиггса с массой меньше примерно 110 ГэВ ¹⁵⁴. В новой машине при столкновениях будет образовываться столько субатомных осколков, что почти невозможно увидеть следы, оставленные такой легкой частицей. В результате фирменная подпись частицы Хиггса скроется среди следов продуктов распада других, гораздо менее экзотичных частиц. Пока LEP еще работал, нужно было проверить весь диапазон энергий, в котором мог скрываться бозон Хиггса, не

оставляя ни одной бреши. Принимался также во внимание фактор конкуренции. Чем шире интервал энергий, исследованных LEP, тем труднее было американскому коллайдеру “Теватрону” опередить его в охоте на бозон Хиггса. Ученые ЦЕРНа даже придумали лозунг: каждый дополнительный ГэВ, выжатый из LEP, означал дополнительный год поисков частиц Хиггса на “Теватроне”.

Первая крупная модификация LEP заключалась в изготовлении новой охлаждающей системы ¹⁵⁵. В некоторых блоках ускорения пучков частиц стали использоваться сверхпроводники — материалы, которые весьма эффективны, если вы можете поддерживать низкую температуру и удерживать их в сверхпроводящем состоянии. В новой системе охлаждения блоки ускорителя погружались в дюары с жидким гелием, охлаждая их приблизительно до -269 градусов Цельсия. (В космическом пространстве температура не может опускаться ниже -273 градусов). Использование сверхпроводников позволило повысить энергию в пучках частиц примерно на 5 процентов.

Последовали и другие усовершенствования. Сняли с полки старые блоки ускорителя, которые в ЦЕРНе уже не использовались, встряхнули, смонтировали и задействовали снова: траектории частиц слегка подстроились, и тогда огромные магниты, используемые для фокусировки пучков частиц, придали им дополнительный толчок энергии. С каждой перестройкой Жано и его команда приближали машину все ближе и ближе к последнему рубежу. Некоторым ученым в ЦЕРНе казалось, будто они — герои сериала “Звездный путь” и летят на звездолете “Энтерпрайз”, а перепачканный маслом Скотти кричит из машинного отделения: “Из нее нельзя выжать больше!”

Когда все было сделано для перестройки ускорителя, команда решила максимально использовать машину, пока она не вырубится. В LEP ускорительные блоки запитывались СВЧ-генераторами, называемыми клистронами. (Клистрон вы можете найти и в вашей домашней микроволновой печи, но там он немного меньше.) В штатном режиме коллайдер работал с большим запасом прочности, и, например, если один клистрон выходил из строя, пара других была под рукой — чтобы обеспечить бесперебойную циркуляцию пучков частиц. Летом 2000 года машина работала уже без каких-либо запасных частей. При выходе из строя одного клистрона вся машина выключалась.

От Жано потребовались немалые усилия, чтобы убедить техников работать в таком неустойчивом режиме. Когда машина выключалась, требовалось время и большая работа, чтобы снова получить пучки и разогнать их. И даже тогда не было уверенности, что пучки, полученные после перезапуска, идентичны прежним. Это напрягало техников, а ученых заставляло нервничать — ведь в их распоряжении было всего несколько минут, чтобы получить как можно больше данных, пока пучки опять не исчезнут.

Тем летом LEP работал в течение двух недель, разгоняя пучки до энергий выше 208 ГэВ. Это время стало одним из наиболее напряженных периодов жизни машины. Клистроны отключались каждые пятнадцать минут, и требовалось по крайней мере полчаса, чтобы снова заполнить машину ускоряющимися частицами. Все уже были на пределе сил, а результатов все не было...

И тут Жано осенила вдохновляющая идея. Он быстро проделал расчеты, прошел в диспетчерскую и предложил операторам пари: если они смогут обеспечить два сеанса работы ускорителя подряд длительностью не менее сорока пяти минут, он тут же разденется догола. Так или иначе, ближайшие два сеанса работы длились пятьдесят одну минуту и час сорок соответственно ¹⁵⁶. “Как они это сделали? Ведь такое было просто невозможно!” — говорил потом Жано. Он прикинул вероятность этого события и получил, что она была почти нулевой! К облегчению персонала диспетчерской, Жано взял свое обещание назад и вместо сеанса стриптиза выставил операторам шампанское.

Коллайдер работал на пределе своих возможностей. С каждой переделкой он, казалось, становился все менее похожим на хорошо отлаженный, точный инструмент и все более — на непредсказуемое дикое животное. Неожиданно он издавал рык страшной силы, а потом через минуту останавливался, будто устав. Внизу в туннеле LEP под действием излучения, испускаемого пучками, некоторые узлы машины даже начали спекаться, приобретая желто-коричневый оттенок ¹⁵⁷.

15 июня греческий физик Никое Константинидис вошел на внутренний сайт “Алефа” — одного из четырех больших детекторов коллайдера ЦЕРНа, — чтобы просмотреть последние результаты. Каждое утро детектор автоматически запускал компьютерную

программу, которая обрабатывала столкновения предыдущего дня и выносила в отдельный список события, казавшиеся интересными. В то утро она обнаружила любопытное событие ¹⁵⁸. Константинидис решил его внимательно проанализировать. Итак, он увидел четыре отчетливых струи частиц, каждая из которых была порождена кварком, образовавшимся при столкновении. После еще нескольких проверок Константинидис определил, что два кварка образовались от распада частиц с массой около 91 ГэВ — это наверняка были Z-частицы. Два других кварка произошли от какой-то еще частицы с массой примерно 114 ГэВ — для Z-частицы она была слишком тяжелой. Константинидис показал результат своим коллегам. По их совету он провел еще несколько проверок. “Я смотрел на это событие, задавал себе вопросы, проверял. Так я провел полчаса, может быть, даже час. И чем больше я смотрел на данные, чем больше проверял, тем больше все это походило на рождение бозона Хиггса. И это было так красиво, так чудесно!” — рассказывал он.

В физике элементарных частиц успех приходит только к очень терпеливым людям. Детектор тогда действительно зарегистрировал нечто вроде последствий распада частицы Хиггса, но единичное мимолетное видение, каким бы прекрасным оно ни было, в физике не значит ничего. Вы должны регистрировать одно и то же событие снова и снова, чтобы убедиться, что это не случайность. Ведь в квантовом мире странные вещи случаются сплошь и рядом.

Правила объявления об открытиях в физике элементарных частиц таковы: перед тем как кричать “Эврика!”, бежать в лаборатории и хвастаться, вы должны быть абсолютно уверены, что ваша новая частица не есть проявление какого-то давно известного эффекта, который неожиданно возник и запутал результаты. Так когда вы можете быть абсолютно уверенными, что открытие произошло? А тогда, когда частица появляется регулярно и регистрируется четко и вероятность того, что это всего лишь флуктуация, менее единицы на несколько миллионов. Эту вероятность можно оценить, сравнивая события, которые вы зарегистрировали (сигнальные события), с большим количеством других, которые вы бы увидели, если бы частицы не существовали (фоном). Для определения степени уверенности в предполагаемом открытии физики используют статистическую величину, называемую статистической значимостью и обозначаемую греческой буквой . Если у вас есть отклонение сигнального события от фона, равное 3, вы можете заявить об “экспериментальном наблюдении” новой частицы, но квалифицировать открытие как настоящее можно только при значении не менее 5. Это значит, что вероятность ошибки менее одного на несколько миллионов. Не существует никаких реальных ограничений на величину сверху, любое ее увеличение означает повышение надежности результата.

В конце июня члены группы детектора “Алефа” собрались на обсуждение последних результатов. Константинидис с воодушевлением рассказал о событии, которое он увидел и проанализировал. Оно явно выделялось среди всех прочих столкновений. Событие случилось только один раз, но у слушателей появилась надежда — может быть, они наконец вышли на след бозона Хиггса?

Существует традиция секретности среди физиков, работающих на коллайдерах частиц. Каждая группа изучает свои собственные столкновения, проводит свой анализ и делает все возможное, чтобы сохранить свои открытия в тайне от других групп. Но в таких научных центрах, как ЦЕРН, слухи распространяются быстро. Прошло немного времени, и возбуждение, в котором пребывали все в команде “Алефа”, стало достоянием общественности. Патрик Жано выразил чувства многих ученых ЦЕРНа так: “Возникло ощущение, что мы наконец вознаграждены за многие годы ограничений и разочарований. Но если вы — ученый, вы знаете, что в науке правит статистика и результаты приходят и уходят. Вы говорите себе — спокойно, не теряем самообладания. Это наш шанс. Так давайте же используем его”.

Перед физиками “Алефа” встала сложная проблема. Единственное, что им было нужно, это время, а времени у них как раз и не было. Коллайдер LEP планировали закрыть в середине сентября, и оставалась только пара месяцев на то, чтобы еще раз попытаться увидеть сигналы, свидетельствующие о рождении бозона Хиггса.

В июле в ЦЕРНе прошло одно из регулярных заседаний Комитета по экспериментам на LEP, на котором ученые и инженеры, работающие на различных участках машины, обычно делали доклады о ходе работ и обсуждали всякие проблемы. Вдохновленные сигналом, полученным на “Алефе”, группы всех четырех детекторов призвали руководство продлить срок эксплуатации машины на две недели ¹⁵⁹. Церновское руководство согласилось и вставило в план двухнедельное продление сроков эксплуатации — по причине чрезвычайных обстоятельств. Коллайдер, сказали ученым, может работать до конца сентября. Закрытое заседание группы исследователей по обсуждению ситуации было назначено на начало сентября.