В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Сэмпл Иэн

Церновская команда работала круглосуточно. Ученые опробовали новые методы обработки данных по столкновениям в надежде увеличить шансы обнаружить бозон Хиггса. Операторы обеспечивали работу машины на самом пределе ее возможностей.

На сентябрьском совещании генеральный директор ЦЕРНа Лучано Майани и директор по исследованиям Роджер Кэшмор провели переговоры с другими старшими менеджерами и учеными ЦЕРНа и обсудили состояние дел. С июня команда “Алефа” заметила еще два столкновения, которые были поразительно похожи на то, что Константинидис видел 15 июня. Их статистическая значимость была 3,9 — значение неплохое и обнадеживающее, но не дотягивающее до того, чтобы претендовать на открытие. Вторая команда исследователей — на детекторе “Дельфи” — также выследила два столкновения, которые могли быть связаны с рождением

частицы Хиггса, но они оказались менее надежными. Когда результаты событий, собранных со всех четырех детекторов, были тщательно проанализированы, статистическая значимость появления частицы Хиггса оказалась равной 2,7. По критериям, принятым у физиков, этого недостаточно, чтобы квалифицировать событие как доказательство существования частицы.

На волне возрастающего числа свидетельств рождения бозона Хиггса все четыре команды детекторов попросили руководителей ЦЕРНа отсрочить закрытие ускорителя ¹⁶⁰. Официально LEP оставалось менее четырех недель до остановки, и ученые попросили продлить работу еще на два месяца, то есть выключить машину не раньше первой недели декабря 2000 года. За это время физики надеялись засечь еще несколько следов частиц Хиггса. После заседания Тициано Кампорези, глава команды детектора “Дельфи”, сказал: “Мы не хотим остаться в истории людьми, упустившими частицу Хиггса”. Другой физик из ЦЕРНа, Крис Талли, был полон оптимизма и даже воскликнул: “На горизонте уже появилась частица Хиггса!” ¹⁶¹

Руководство ЦЕРНа дало понять, что продлит работу LEP, только если есть действительно “хорошие шансы превращения предварительных экспериментальных наблюдений в безусловные открытия” ¹⁶². После долгого обсуждения решились на компромисс — предоставить отсрочку до 2 ноября ¹⁶³. Работать дольше нецелесообразно, поскольку это приведет к задержке работ по монтажу Большого адронного коллайдера ¹⁶⁴. Кроме того, полагали руководители ЦЕРНа, даже если бозон Хиггса и находился в доступной области энергий и машина работала бы до декабря, ученые вряд ли успели бы получить достаточное количество столкновений с участием частиц Хиггса для достижения статистической значимости 5, необходимой для объявления об открытии.

Слухи о том, что в ЦЕРНе открытие на подходе, распространились далеко за его пределы. И вот однажды, на расстоянии шести тысяч миль от Женевы, на острове Чеджу, недалеко от южной оконечности Корейского полуострова, группа ученых встретилась за ужином. Они приехали на конференцию Cosmo 2000, посвященную проблемам физики элементарных частиц и теориям происхождения Вселенной. Когда разговор зашел о физике, Горди Кейн, директор Мичиганского центра теоретической физики, упомянул, что в ЦЕРНе, возможно, нашли след частицы Хиггса. Обсуждение было прервано звуками, в которых все безошибочно узнали голос Стивена Хокинга, предлагающий Кейну пари. “Бозон Хиггса никогда не будет найден ни на LEP, ни на любом другом коллайдере частиц”, — сказал Хокинг. После такого категоричного заявления Кейн и Хокинг решили заключить пари на сто долларов.

Сомнения Хокинга в возможности найти бозон Хиггса основывались на работе, опубликованной им в 1995 году, в которой он предсказывал, что “виртуальные черные дыры” могут сделать невозможным наблюдение частиц Хиггса ¹⁶⁵. Виртуальные черные дыры — любопытные теоретические объекты. Ученым известно, что пары частиц, таких как электроны и их двойники из антивещества — позитроны, — могут внезапно родиться в вакууме из-за квантовых флуктуаций энергии. Виртуальные черные дыры ведут себя аналогично, но их порождают пространственно-временные флуктуации. Как утверждает Хокинг, существование черных дыр длилось бы всего мгновение, но этого достаточно, чтобы замазать след бозона Хиггса.

Когда Питер Хиггс услышал о пари Хокинга, это не произвело на него особого впечатления. “Хокинг, — сказал он, — механически перенес в физику элементарных частиц идеи гравитации, но ни один физик-теоретик, работающий в области элементарных частиц, не поверит в эти рассуждения. Слова Хокинга звучат несколько самонадеянно, — продолжал Хиггс. — И вообще — я очень сомневаюсь, что его расчеты правильны”.

То, что поначалу выглядело как частные

разногласия, некоторое время спустя переросло в публичные стычки ¹⁶⁶. На обеде в Эдинбурге Хиггс высказался в неформальной манере о Хокинге, и его слова были услышаны репортером из газеты “Scotsman”. Хиггс сказал, что Хокинга трудно вовлечь в дискуссию и что известный космолог не столь открыт для общения, как другие физики. “Ему, в отличие от других, сходят с рук любые заявления. Его звездный статус обеспечивает ему кредит доверия, которого другие лишены”, — цитирует газета Хиггса. Комментарий от Хокинга последовал незамедлительно. Он сказал: “Я чрезвычайно удивлен эмоциональностью высказываний Хиггса. Очень хотелось бы надеяться, что научные проблемы можно обсуждать без личных выпадов”. Позднее размолвка ученых забылась, но их взгляды на вероятность обнаружить частицу Хиггса по-прежнему расходились.

В начале октября 2000 года в ЦЕРНе состоялось давно запланированное торжество по случаю окончания эпохи LEP. К сожалению, машина так и не подтвердила рождение новых частиц, но с ее помощью предельно точно были измерены массы W- и Z-частиц, а теория элементарных частиц — Стандартная модель — получила более твердое обоснование. Когда торжества начались, менеджеры ЦЕРНа провели еще одно закрытое заседание с участием небольшой группы ученых, чтобы узнать, как продвигается охота на бозон Хиггса. Ситуация за это время существенно не изменилась. Возможные следы частицы были зафиксированы лишь на детекторах “Алеф” и “Дельфи”, и общая статистическая значимость данных, полученных со всех четырех детекторов, в пересчитанном виде оказалась равной 2,5. Последнее продление работы ускорителя, которого ученые добились, дало им возможность увеличить статистическую значимость до 3 ,что было достаточно, по крайней мере, для объявления о получении “экспериментальных наблюдений” бозона Хиггса. Ученых попросили представить окончательные результаты их работы к 3 ноября.

У сотрудников ЦЕРНа были веские причины осторожно относиться к событиям, в которых, как они подозревали, был зарегистрирован след частицы Хиггса. Считалось, что во всех пяти событиях рождались бозон Хиггса и сопровождающая его Z-частица, и та и другая затем распадались на кварки. Хотя это самый вероятный сценарий рождения и распада бозона Хиггса, он не единственный. Как правило, вероятность такого сценария составляет 70 процентов. Примерно в 20 процентах случаев Z-частица распадается на нейтрино, которые проносятся через детекторы, не оставляя никаких следов. В остальных примерно 10 процентах случаев Z-частица распадается на электроны или их тяжелые двоюродные братья, называемые мюонами. Подозрение вызывало то, что ни один из этих альтернативных сценариев не реализовался в зарегистрированных на LEP событиях, а ведь они должны были наблюдаться в каждом третьем случае, связанном с рождением бозона Хиггса ¹⁶⁷.

Несколько недель спустя в среду Росс Бербеко, физик с другого детектора LEP, называемого L3, засиделся в лаборатории. Он собирался сделать последнее усилие перед заключительным совещанием и обработать данные детектора, полученные в течение предыдущих двух недель. Часы на стене показывали полночь. “Я хотел скорей закончить работу, пойти домой, отдохнуть и позвонить наконец своей подружке”, — рассказывал он ¹⁶⁸. Когда всё было закончено, Бербеко, просматривая результаты, обратил внимание на событие, случившееся 16 октября примерно в 10 часов, в которое мог оказаться замешан бозон Хиггса. Здесь, похоже, сработал другой сценарий — реализовался второй по вероятности тип распада, при котором Z-частица распадается на нейтрино.

Число 0,9995, появившееся на экране, заставило Бербеко замереть. Оно вычислялось на компьютере детектора с помощью специальной программы и показывало, насколько столкновения, в которых появились данные осколки, похожи на те, что должны появиться при рождении бозона Хиггса. Число это могло лежать в интервале между 0 и 1, причем 1 — самый лучший результат. Бербеко провел несколько часов, скрупулезно анализируя данные. Он перепроверил свои расчеты, чтобы убедиться, что все сделал правильно. В четыре часа утра он решил, что пора идти поспать, но перед уходом послал письмо по электронной почте своему начальнику и предложил ему самому взглянуть на событие.