0-частицы, обнаруженные в результате образования мюон-антимюонных пар с разной энергией.
Источник: © copyright CERN, в интересах коллаборации CMS
8 июля 2010 года итальянский физик Томмазо Дориго написал у себя в блоге, что, по слухам, Тэватрон нашел свидетельство легкого бозона Хиггса. Слух быстро распространился по всему Интернету и попал в новости. Его почти сразу же опроверг Фермилаб в своем твиттере, пренебрежительно отозвавшись о «сплетнях, которые распространяют блогеры, ищущие славы»[151]. Потом Дориго пытался оправдаться тем, что «лучше намеками на возможные открытия держать физику элементарных частиц в новостях, которые потом утихнут, чем делать громкие и четкие заявления раз в десять лет, когда действительно случается прорыв, и молчать все остальное время»[152].
Правда или нет, но слухи были весьма показательны для соперничества между Фермилабом и ЦЕРНом, которое все усиливалось, и общего чувства, будто что-то вскоре может быть открыто. Ледерман уже раньше признавался, что возможное заявление ЦЕРНа о каком-то будущем открытии вызовет у него смешанные чувства: «Примерно как если бы теща упала в пропасть на твоем БМВ», – сказал он[153].
Дориго в блоге ссылался на слухи о данных с уровнем статистической достоверности 3 сигмы[154]. Данные с уровнем достоверности 3 сигмы соответствуют 99,7-процентной уверенности – иными словами, вероятность, что данные ошибочны, составляет 0,3 процента. Хотя такой уровень достоверности кажется очень убедительным, все же, чтобы физики могли уверенно объявить об «открытии», им требуются 5 сигм, или уровень достоверности 99,9999 процента.
Считалось, что такие типы столкновений, которые могли привести к образованию и распаду бозона Хиггса, случаются очень редко и, чтобы собрать достаточно данных для 5 сигм, потребовалось бы очень много событий-кандидатов. Поэтому ключевое значение приобретала светимость[155] пучка частиц. Чем выше светимость, тем больше количество столкновений за определенный промежуток времени и тем больше количество потенциальных кандидатов. Фактически интегральная светимость (сумма светимости за некоторое время) непосредственно связана с количеством столкновений-кандидатов.
Интегральная светимость измеряется в довольно непонятных единицах, которые называют обратными барнами. Интенсивность ядерных реакций характеризуется такой величиной, как эффективное поперечное сечение, выражаемое в квадратных сантиметрах. Можно считать, что сечение – это площадь гипотетического двухмерного «окна», в котором происходит реакция. Чем больше окно, тем более вероятна реакция. Чем более вероятна реакция, тем быстрее она произойдет. Измеренные сечения имеют размеры атомного порядка, обычно это некое число, умноженное на 10–24 см2. Сечение реакций с атомами урана оказалось таким большим, что один физик из Манхэттенского проекта саркастически заметил, что оно «размером с амбар»[156]. Так амбар, или барн, стал единицей измерения. Поперечное сечение, выраженное в виде некоего числа, умноженного на 10–24 см2, стали выражать этим числом в барнах. Пикобарн равен одной триллионной (10–12) барна, или 10–36 см2. Фемтобарн равен одной квадриллионной (10–15) барна, или 10–39 см2.
На заседании ЦЕРНа во французском городе Эвиан 8 декабря 2010 года Джанотти коротко обрисовала перспективы обнаружения бозона Хиггса и характер гонки между БАКом и Тэватроном. Исходя из простой статистики, даже при интегральной светимости до 10 обратных фемтобарнов (10 раз по 1015 обратных барнов, или 1040 см–2) до конца 2011 года, Тэватрон в поиске бозона Хиггса может добиться уверенности максимум в 3 сигмы в отдельных диапазонах энергии. Более мощный БАК в принципе способен генерировать данные с уровнем достоверности 3 сигмы в диапазоне 1–5 обратных фемтобарнов, в зависимости от массы хиггса.
17 января 2011 года Департамент энергетики США объявил, что не будет финансировать расширение программы Тэватрона после 2011 года. Это решение не означало конец гонки за бозоном Хиггса, но оно стало признанием того, что отныне не Фермилаб, а ЦЕРН будет находиться на переднем крае физики высоких энергий.
Первоначальный план выполнения работ для БАКа учитывал длительную остановку в 2012 году, необходимую для модернизации, которая позволит довести расчетную энергию столкновений протонного пучка до 14 ТэВ[157]. Но бозон Хиггса был уже так мучительно близок, что в январе 2011 года руководители ЦЕРНа согласились отложить закрытие и продолжить работы на БАКе с энергией 7 ТэВ до декабря 2012 года. Потенциальное повышение энергии столкновений до 8 ТэВ сочли слишком рискованным. Вместо этого было решено увеличить светимость пучка.
«Если природа к нам добра и частица Хиггса имеет массу в пределах теперешних возможностей БАКа, – сказал об этом решении генеральный директор ЦЕРНа Рольф Хойер, – то в 2011 году у нас будет достаточно данных, чтобы увидеть намеки, но недостаточно, чтобы сделать открытие. Если мы будем работать весь 2012 год, у нас будут все необходимые данные, чтобы превратить эти намеки в открытие»[158].
Сцена готова, занавес поднят.
Секретарь Эйнштейна Хелен Дюкас однажды спросила его, не мог бы он попроще объяснить ей принцип относительности, чтобы она могла отвечать на постоянные вопросы репортеров. Эйнштейн задумался и потом сказал так: «Час, проведенный на скамейке с красивой девушкой, пролетает как минута, а минута на горячей плите тянется как час»[159].
Напряжение и возбуждение, охватившее тысячи ученых в коллаборациях Фермилаба и ЦЕРНа, буквально витало в воздухе. Новых частиц не открывали уже больше 10 лет. Почти 11 лет прошло с тех пор, как коллайдер БЭП «мельком» заметил след Хиггса. И вот наконец новая физика подошла так отчаянно, мучительно близко. Сколько осталось? Полгода? Год? Два года? Это явно была не скамейка, а горячая плита.
Пожалуй, плотину не могло не прорвать.
Математический физик Колумбийского университета Питер Войт завел блог о физике высоких энергий, после того как в 2006 году с успехом вышла его книга Not Even Wrong с критикой современной теории струн. 21 апреля 2011 года кто-то оставил анонимный комментарий с кратким содержанием внутреннего документа коллаборации ATLAS. В нем говорилось, что найдены признаки бозона Хиггса с массой 115 ГэВ с достоверностью 4 сигмы.
Это была не утка. Документ составила небольшая группа американских физиков в университете Висконсин-Мэдисон, участвовавшая в эксперименте ATLAS. Во главе группы стояла У Саулянь, входившая в коллаборацию ALEPH, которая «мельком заметила» бозон в 2000 году перед закрытием БЭПа. То есть это не было совпадение, что У решила снова просмотреть диапазон энергий, в котором, как она считала, были замечены следы бозона Хиггса в прошлый раз.
Однако не обошлось без двух проблем. Первая была из области физики. Частица наблюдалась в так называемом двухфотонном канале распределения массы из общего количества данных примерно 64 обратных пикобарнов, собранных за 2010 год и в первой половине 2011.
Когда протон-протонные столкновения в БАКе происходят с энергией 7 ТэВ, в них происходят столкновения кварков и слияния глюонов, которые теоретически могут привести к образованию бозонов Хиггса. Какие каналы распада открыты для бозона Хиггса, зависит от его массы. Для массивного бозона Хиггса доступны каналы распада с образованием двух W-частиц или двух Z-частиц. Но в случае бозона с малой массой 115 ГэВ этой энергии недостаточно для таких каналов. Вместо них распад бозона происходит по-другому. Один из вариантов включает образование двух высокоэнергетических фотонов, этот процесс записывается в виде H→γγ.
Проблема в том, что наблюдаемый резонанс был примерно в 30 раз больше, чем предсказывала Стандартная модель для этого конкретного канала распада.
Распад бозона Хиггса на два фотона в Стандартной модели подавляют так называемые W-бозонные петли, подразумевающие образование и последующее уничтожение W-бозонов. В итоге такая форма распада прогнозируется как очень редкая, на долю которой приходится лишь около 0,2 процента всех возможных форм распада. Если это действительно бозон Хиггса, тогда его распад на два фотона по какой-то причине значительно усилен. Чтобы это объяснить, возможно, пришлось бы прибегнуть к новым частицам, например кваркам и лептонам четвертого и даже пятого поколения.
Вторая проблема касалась статуса находки. Просочившийся документ, так называемая информационная записка коллаборации ATLAS, предназначался для внутреннего пользования с целью быстрого информирования о еще не проанализированных и не утвержденных результатах и обсуждения их в рамках коллабораций. Его никак нельзя было назвать «официальной» точкой зрения коллектива ATLAS. Дальнейший анализ и изучение результатов могло полностью отвергнуть их, так что даже не понадобилось бы составлять никакого официального документа.
Блогеры подхватили новость о просочившемся документе незадолго до пасхальных каникул, и несколько дней обсуждение оставалось в рамках блогосферы, посвященной физике высоких энергий. В 2009 году Дориго предсказывал, что новость об открытии бозона Хиггса сначала появится в чьем-то блоге. Он считал, что его предсказание оправдывается, но все же сильно сомневался, что это бозон Хиггса, и сказал, что ставит 1000 долларов против 500, что дальнейшие исследования не покажут никаких новых частиц с энергией 115 ГэВ в двухфотонном канале распада.