В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Сэмпл Иэн

Вскоре по ЦЕРНу разлетелись слухи о том, что на L3, возможно, увидели бозон Хиггса. Три обстоятельства сделали это событие столь важным. Во-первых, расчеты показали, что если бы это был бозон Хиггса, то он имел бы примерно ту же массу, что и кандидаты в частицы, зарегистрированные детектором “Алеф”. Во-вторых, это могло быть тем самым независимым подтверждением, полученным на другом детекторе, которое развеяло бы любые подозрения в том, что сигналы с “Алефа” связаны со сбоем оборудования. В-третьих, картина события с участием бозона Хиггса на L3 отличалась от той, что была получена на “Алефе”. Все эти обстоятельства свидетельствовали: увиденное событие — именно то, какое следовало бы ожидать, если частица Хиггса действительно существует.

Коллайдеру оставалось работать

всего несколько дней, и ученые и инженеры чувствовали, что частицы Хиггса ускользают, почти касаясь кончиков их пальцев. Операторы машин и команды детекторов судорожно готовили весомые аргументы в попытке убедить руководство позволить машине поработать еще, и притом не недели, а месяцы. Они хотели использовать машину все зимние каникулы и гонять ее на еще более высоких энергиях в течение шести месяцев в 2001 году. После реконструкции старых ускоряющих резонаторов они могли бы выжать из LEP более 208 ГэВ, несмотря на то что туннель уже содрогался от начавшихся инженерных работ по постройке преемника LEP, Большого адронного коллайдера. Если бы план осуществился и масса бозона Хиггса оказалась бы равной примерно 115 ГэВ, как это следовало из последних экспериментов, ученые получили бы хороший шанс увеличить статистическую значимость обобщенного сигнала от рождения бозона Хиггса с 2,9 до 5,3, что сделало бы открытие бесспорным.

Физики разработали соответствующие предложения для руководителей ЦЕРНа, а те их подробно изучили вместе с Комитетом по экспериментам LEP. Согласно статистике шансы того, что события, в которых участвовали предполагаемые бозоны Хиггса, — просто случайные флуктуации, ничего общего с этими частицами не имеющие, составляли лишь 0,2 процента. Тем не менее комитет занял осторожную позицию. Он решил, что шансов на то, что бозон Хиггса спрятался на энергиях 115 ГэВ, не больше чем пятьдесят на пятьдесят. Еще больше усложняло ситуацию то, что, если частицы Хиггса оказались бы чуть тяжелее — например, их масса равна 116 ГэВ, — ученые вряд ли смогли бы однозначно интерпретировать результаты, даже если эксперименты продлятся и в 2001 году. В протоколе появилась осторожная запись: “Если LEP продолжит работу в 2001 году, имеются хорошие шансы на открытие частиц Хиггса”, но этот оптимизм не был безусловным ¹⁶⁹. В протоколе совещания следует продолжение: “Даже если зарегистрированные события связаны с появлением частицы Хиггса, существует примерно 20-процентная вероятность того, что его масса слишком велика и продление работы ускорителя на один год не позволит однозначно определить, есть ли там бозон Хиггса или нет”. Ученые долго и упорно обсуждали, что делать. Частица Хиггса, казалось, совсем рядом, и свидетельств ее существования прибывало с каждой неделей. Немедленное закрытие ускорителя означало переход инициативы к американскому ускорителю “Теватрону” по крайней мере на пять лет. С другой стороны, продление работы LEP на 2001 год скорее всего привело бы к задержке с запуском Большого адронного коллайдера, значительно более продвинутой машины, с которой связывались все надежды лаборатории. Хотя многие ученые настаивали на том, чтобы ЦЕРН еще в течение шести месяцев не выключал LEP, Комитет по экспериментам так и не смог достичь формального консенсуса в этом вопросе.

В тот день сотни ученых ЦЕРНа набились в главную аудиторию центра, чтобы послушать открытую дискуссию по последним достижениям в охоте на бозон Хиггса. Питер Иго-Кеменес, физик из Гейдельбергского университета и член хиггсовской рабочей группы ЦЕРНа, рассказал аудитории про обнаруженные свидетельства рождения бозона Хиггса с массой 115 ГэВ. Перейдя к заключительному слайду, он остановился, повернулся к аудитории и воскликнул: “Это поистине захватывающая история!” Аудитория разразилась овациями, и эти аплодисменты предназначались всем ученым и инженерам, которые так много сделали в последние дни работы ускорителя. Иго-Кеменес закончил свой доклад слайдом, на котором были представлены доводы в пользу продления сроков работы коллайдера на 2001 год, и добавил: “Результаты четырех экспериментов показали, что поиск бозона Хиггса в рамках Стандартной модели должен быть

самым высоким приоритетом, и ЦЕРН не имеет права упустить уникальную возможность совершить открытие”. Затем докладчик перешел к ответам на вопросы.

За день до этого доклада Патрик Жано работал в своем кабинете. Вдруг зазвонил телефон. Это был некий научный сотрудник, друживший с генеральным директором — Лучано Майани. “Поздравляю. Патрик, вы выиграли, — сказал он. — Еще один год. Майани так решил”. То была неофициальная информация, но Жано поверил и пришел в восторг. Он лоббировал продление работы LEP упорнее, чем все остальные. На следующий день Жано зашел в аудиторию ЦЕРНа на доклад Иго-Кеменеса, чтобы посмотреть, там ли Майани. Жано очень хотелось присутствовать при оглашении долгожданного решения. Однако когда начались прения, Майани вместо объявления о продлении работы ускорителя стал с пристрастием допрашивать докладчика о том, что именно наблюдали на детекторе L3. И так ничего и не сказал о продлении на год работы LEP.

Вскоре после окончания доклада Жано еще раз позвонил тот же ученый. Майани сделал разворот на 180 градусов, сказал он. За ночь его точка зрения на продление работы LEP на 2001 год изменилась на противоположную. Жано был обескуражен. “Мой восторг быстро сменился страшным разочарованием. Это был невероятно трудный момент в моей жизни. На восстановление у меня ушел целый год. Целый год мне чего-то не хватало — видимо, того, над чем я так напряженно работал. Ведь, возможно, я нашел частицы, имеющие первостепенное значение для физики, но услышал: “Нет, это уже тебя не касается”. В интервью “New York Times” Жано тогда сказал: “Когда есть шанс оставить след в истории человечества, его, этот шанс, упускать нельзя. И сейчас он в наших руках” ¹⁷⁰.

По мнению ряда ученых ЦЕРНа, Майани изменил свое решение после серии бесед один на один со старшими научными сотрудниками центра. Он обсуждал с каждым из них по очереди полученные доказательства рождения частицы Хиггса. В ночь перед докладом Питера Иго-Кеменеса, когда все остальные разошлись по домам, некий физик, работавший на одном из детекторов, вернулся, чтобы сказать Майани, что его ввели в заблуждение относительно события на детекторе L3. Это вовсе не сигнал, свидетельствующий о рождении частицы Хиггса, а пустышка.

Сигнал на детекторе L3 формировала Z-частица, которая рождалась одновременно с бозоном Хиггса и распадалась на два нейтрино. Вы не видите нейтрино, потому что они пролетают, не взаимодействуя ни с чем, сквозь детектор, но вы можете ощутить их присутствие по “недостающей энергии”, которую они уносят с собой и которая регистрируется детектором. Этот процесс чрезвычайно трудно отличить от других процессов, где частицы распадаются с образованием высокоэнергетичных фотонов, называемых гамма-квантами.

Майани рассчитал ожидаемый фон для сигнала от бозона Хиггса на детекторе L3, создаваемый всеми другими частицами, которые могут дать ложный сигнал. Результат, показывающий вероятность появления ложного сигнала, сказал он мне, заставил его “выругаться как сапожник”, потому что вероятность эта оказалась очень мала, то есть сигнал от бозона Хиггса “должен сильно выделяться. Это заставило меня задуматься, не оседлали ли мы уже Хиггса. Мы обсуждали это снова и снова, — рассказывал он, — но в конце концов я убедился, что у них на L3 бесспорных доказательств рождения Хиггса не получено”. Майани чувствовал, что давление, оказываемое на него учеными, было во многом продиктовано хорошо понятным научным азартом.

Через несколько дней после того, как Иго-Кеменес выступил с докладом в набитой научным людом аудитории ЦЕРНа, ведущие сотрудники центра собрались, чтобы окончательно решить судьбу старого ускорителя. Встреча состоялась на верхнем этаже главного здания ЦЕРНа. Многие рядовые ученые видели в этом заседании свою последнюю надежду. Собравшись в другом здании — через одно от главного, — они смотрели на окна корпуса, где заседали их руководители. В кампусе темнело, заседание затягивалось. “Мы ждали, когда погаснет свет, — это был бы сигнал, что решение уже принято”, — рассказывал один из участников тех событий. Свет горел до полуночи.