Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Но впереди по-прежнему лежал еще очень долгий путь. После презентации несколько членов коллабораций ATLAS и CMS собрались поднять по бокалу шампанского за новости и обсудить дальнейшие шаги. Предстояло создать небольшую рабочую группу, чтобы соединить результаты обеих групп, обновить их в соответствии с последними данными и представить более точную оценку.

Коллайдер продолжал бить собственные рекорды. 30 июля он достиг пиковой светимости 2030 обратных микробарнов в секунду (более 120 миллионов протон-протонных столкновений в секунду). Несмотря на некоторые проблемы со стабильностью, к 7 августа обе коллаборации собрали более 2 обратных фемтобарнов данных. Это уже вдвое больше данных, чем было проанализировано и представлено на конференции ЕФО.

ЦЕРН успел бы подготовить объединенные и обновленные результаты к следующей крупной конференции – XV международному симпозиуму по лептон-протонным взаимодействиям с высокими энергиями, который должен был начаться 22 августа в Институте фундаментальных исследований Тата в Мумбаи, Индия.

Казалось, что ответ на шекспировский вопрос будет получен в ближайшие месяцы.

Эйнштейн однажды заявил: «Господь Бог изощрен, но не злонамерен» [171] . И даже если новая глава эпоса о поиске бозона Хиггса и не говорит о кознях особо злонамеренного божества, но все-таки развитие событий намекает, что у Господа Бога по крайней мере довольно хулиганское чувство юмора.

171

В память об Эйнштейне фраза «Raffiniert ist der Herrgott, aber boshaft ist er nicht» вырезана в камне над камином зала Файн-Холл Принстонского университета.

За несколько недель до Мумбайской конференции блогосфера наполнилась слухами, что объединенные данные ATLAS и CMS уже гораздо менее неопределенно говорят о бозоне Хиггса с энергией около 135 ГэВ. Объединенные данные двух коллабораций как будто предполагали избыток событий распада бозона Хиггса с гораздо более высокой статистической значимостью, чем 3 сигмы. Ожидание становилось все напряженнее. Хотя 3 сигмы еще не соответствовали открытию, по уверенности физиков, прямо связанной с результатами, можно было бы судить о том, верят ли они, что это действительно «оно».

Я встретился с Питером Хиггсом дождливым четвергом в Эдинбурге, за несколько дней до начала Мумбайской конференции. Хиггс ушел на пенсию в 1996 году, но оставался в Эдинбурге и поддерживал связь с университетской кафедрой, где впервые стал преподавателем математической физики в 1960 году. Сейчас это был 82-летний бодрячок. Мы сидели в кофейне с его коллегой и другом Аланом Уокером и разговаривали о его жизни и надеждах на ближайшее будущее.

Статью, которая навеки связала его имя с названной в честь его частицей, Хиггс опубликовал в 1964 году [172] . Он 47 лет ждал хоть какого-то подтверждения. Мы говорили о том, чего ждать от Мумбайской конференции, и какие основания у нас есть для оптимизма, и стоит ли ожидать сообщения о чем-то эпохальном. «Я с трудом вспоминаю того человека, которым я был тогда [в 1964 году], – сказал Хиггс. – Но я рад, что дело идет к концу. Будет здорово, если после всех этих лет я окажусь прав» [173] .

172

Хотя предсказанная им частица прославилась под именем бозона Хиггса лишь в 1972 году.

173

Интервью Питера Хиггса автору, 18 августа 2011.

После обнаружения бозона Хиггса открывателей механизма Хиггса непременно будет ждать Нобелевская премия, и споры велись как раз из-за того, кого из них признает Нобелевский комитет: Энглера, Хиггса, Гуральника, Хейгена или Киббла [174] . Мы говорили о том, что вокруг уверенного подтверждения из Мумбаи и всех последующих заявлений Шведской академии, скорее всего, поднимется большая шумиха. Придется высказаться и пресс-службе Эдинбургского университета. И если шумиха зайдет слишком далеко, Хиггс просто отключит телефон и не будет открывать дверь.

174

К несчастью, Роберт Браут умер после продолжительной болезни в мае 2011 года. Нобелевская премия не вручается посмертно, и ее могут разделить не более чем три человека.

Однако пока что в таких экстремальных мерах не было необходимости. Когда в следующий понедельник, 22 августа, открылась Мумбайская конференция, Джеймс Гиллис из ЦЕРНа опубликовал пресс-релиз. Там не упоминались объединенные данные ATLAS и CMS, обещанные в Гренобле. После поправок в соответствии с новым обратным фемтобарном данных по столкновениям, собранных в период между конференциями, статистическая значимость избытка событий, который наблюдали ATLAS и CMS в нижнем диапазоне масс около 135 ГэВ, фактически уменьшилась. «После анализа дополнительных данных значимость этих флуктуаций существенно понизилась», – уныло гласил пресс-релиз [175] .

175

Пресс-релиз ЦЕРНа, 22 августа 2011.

Трудно было не разочароваться. То, на что намекали представленные в Гренобле результаты, потеряло значимость в результатах, представленных в Мумбаи. Необычайная производительность БАКа, собравшего более двух обратных фемтобарнов данных по каждому детектору к августу 2011 года, создала ожидание, что ответ на «шекспировский вопрос» появится скорее рано, чем поздно. Господь Бог, как видно, решил попроказничать – легко не будет.

Хотя на тот момент каждая из двух коллабораций зарегистрировала данные по более чем 140 триллионам протон-протонных столкновений, физики по-прежнему имели дело всего лишь с горсточкой избыточных событий. А при недостатке данных статистические оценки могут очень сильно колебаться. Мелкие изменения могут показаться громадными.

Например, статистика подбрасывания монеты кажется простой донельзя. Мы знаем, что у орла и решки одинаковые шансы выпасть – 50 на 50. Но если взять лишь несколько подбрасываний, нам вполне может попасться последовательность, в которой преобладают либо орлы, либо решки. Это не значит, что монета «врет». Дело всего лишь в том, что мы наблюдали недостаточное количество подбрасываний, чтобы доказать теорию. Можно ожидать, что по мере накопления данных избыток постепенно исчезнет.

Представленные в Мумбаи результаты еще не означали, что бозона Хиггса Стандартной модели не существует. В диапазоне энергии 115–145 ГэВ еще оставались избыточные события, но именно этот диапазон энергий всегда считался довольно проблематичным для БАКа.

Оставалось только одно. Сохранять терпение и ждать новых результатов. Хиггс ждал 47 лет. Можно подождать и еще пару месяцев.

БАК все лето и осень 2011 года работал лучше всяких ожиданий, и его пиковая светимость достигла 3650 обратных микробарнов в секунду. Протонные пучки остановились 31 октября, и к тому времени обе коллаборации собрали более 5 обратных фемтобарнов данных из 350 триллионов протон-протонных столкновений.

Но времена были тревожные и непонятные. Мумбайская конференция подорвала уверенность. После нее ЦЕРН не делал никаких заявлений о бозоне Хиггса и не собирался. Давно обещанные сводные данные коллабораций ATLAS и CMS в конце концов были опубликованы, но они не сказали ничего нового и повторили только июльские выводы из двух обратных фемтобарнов данных. В тот момент общий объем данных был уже в пять с лишним раз больше.

Но вместо ЦЕРНа 23 октября 2011 года возбужденный шум вызвала новость, что группа физиков эксперимента OPERA¹, глубоко в горе Гран-Сассо Центрально-Итальянских Апеннин, готова сообщить о результатах кропотливого измерения скорости мюонных нейтрино, которые генерировали в ЦЕРНе, в 730 километрах оттуда. Результаты говорили о том, что нейтрино прошли сквозь землю и пришли в пункт назначения со сверхсветовой скоростью.

Пока бушевали споры о сверхсветовых нейтрино, другие физики ЦЕРНа занимались тем, что пытались объяснить, почему необнаружение бозона Хиггса все-таки будет представлять собой важный шаг вперед для физики высоких энергий. Безусловно, его необнаружение подорвет Стандартную модель и заставит теоретиков снова вернуться к мелу и доске. Но, несмотря на всю целеустремленность поисков, не найти ничего – это совсем не то же самое, что и найти что-то.

При этих мрачноватых перспективах объявленная советом ЦЕРНа конференция с представителями странучастниц для обсуждения последних событий не вызвала особого интереса. Первый день конференции, 12 декабря 2011 года, будет закрытым. На следующий день были назначены публичные обсуждения с Джанотти и Тонелли, которые казались несколько более обещающими. В конце концов, может быть, у них найдется что-нибудь интересное?

OPERA – сокращение от Oscillation Project with Emulsion-Tracking Apparatus (проект изучения осцилляций в эмульсионном аппарате), коллаборация ЦЕРНа и Национальной лаборатории Гран-Сассо (LNGS), Италия.