Через несколько месяцев об этом узнают все на свете, и мир будет праздновать очередную победу науки. А сегодня меня окружают молодые люди, те самые, кто первым выделил слабые сигналы. Мы спорим, шутим и смеемся. Никто не говорит об открытии, никто не упоминает имени Хиггса, но наши глаза ярко сияют. Мы уже знаем, что “отправили наше копье точно в цель”, и этого знания достаточно, чтобы все были возбуждены и счастливы. Я получил ко дню рождения самый ценный подарок, о каком только мог мечтать.
Ускоренный бег охотников за бозонами
Чтобы в полной мере оценить работу, которая привела к одному из самых важных открытий последних десятилетий, надо облачиться в охотничье одеяние, взять в руки охотничье оружие и понять, как им пользоваться.
Охота на бозон Хиггса велась не вслепую. Фоторобот подозреваемого номер один в Стандартной модели очень детализирован. Прекрасно известны его характерные черты и все процессы, в которых он образуется. Нет проблем с тем, чтобы предсказать, сколько бозонов может себя обнаружить в столкновениях на LHC и на какие частицы они будут распадаться. Никого не пугает, что ищутся исключительно редкие события. Нам не привыкать разыскивать иголку в стоге сена. Сложность в том, что фоторобот заметно меняется в зависимости от заранее не известной нам массы, и потому нам приходится держать под рукой сотни различных фотороботов, каждый из которых соответствует той или иной гипотезе относительно массы. Получается, будто мы одновременно ищем сотни различных частиц. Поэтому не надо удивляться, что нам понадобилось привлечь к работе десятки исследовательских групп и сотни физиков.
Прежде всего предстояло рассмотреть различные реакции, в которых может появляться эта частица. Из таких чаще всего на LHC случается слияние двух глюонов – переносчиков сильного взаимодействия, при лобовом столкновении аннигилирующих с образованием одиночного бозона Хиггса. Чтобы исключить неожиданности, мы рассмотрели также и другие механизмы, не столь часто встречающиеся, но оставляющие исключительно характерные следы. Из наиболее интересных – образование одного бозона Хиггса в паре с W– или Z-бозоном, или образование бозона Хиггса в процессе аннигиляции пары W– или Z-бозонов[38].
Далее надо было рассмотреть различные варианты распада бозона Хиггса. Во всем диапазоне масс, который мы изучали, от 115 до 1000 ГэВ, бозон Хиггса может распадаться на пару W– или на пару Z-бозонов. Поэтому два эти канала распада, как мы их называем, фигурировали во всех наших исследованиях. При массе больше 350 ГэВ становится возможным распад на пару топ-кварков, но это очень редкий и с трудом поддающийся идентификации процесс. При массе меньше 160 ГэВ, наоборот, становится возможным использовать редчайший распад на два фотона или на фермионные пары: например, на пару тау-лептонов либо на струи, порождаемые парой b-кварков (b-кварки иногда называют bottom quark или beauty quark[39]).
Для каждой из этих надежных характеристик надо также рассмотреть изрядное число вторичных каналов. К примеру, занимаясь распадом бозона Хиггса на пару Z-бозонов, надо посмотреть, на что Z-бозоны распадутся дальше, – и тут обнаружится много вариаций. Не будем забывать, что не только бозон Хиггса, но и W– и Z-бозоны – нестабильные частицы, которые сразу распадаются на какие‑то еще. Так, сначала рассматривается случай, когда один Z-бозон распадается на два мюона и второй на два мюона, потом ищутся распады второго на два электрона, или на два тау-лептона, или на пару нейтрино, или на две струи – и так далее. Затем мы перейдем к случаю, когда первый Z-бозон распадается на два электрона, а второй на два мюона; потом – когда и второй на два электрона – и так далее. В общем, добраться таким образом до бозона Хиггса – это как сыграть в “Китайскую шкатулку”: его надо идентифицировать по продуктам распада частиц, на которые он распадается.
Когда выбран определенный канал распада для данного диапазона масс, ищутся сигналы, совместимые с присутствием бозона. Поиск начинается с гипотезы, что бозон Хиггса не существует, и он направлен на то, чтобы исключить его присутствие. Если для каких‑то значений масс это сделать не удается, то это уже первый признак, что с такой массой он может и существовать. Число событий, характеристики которых сопоставимы с искомым сигналом, сравниваются с числом событий, которые должны наблюдаться, если бозон Хиггса существует и если у него именно такая масса. И так, отрезок за отрезком, канал за каналом, исследуется весь диапазон.
Все компьютерные симуляции, проведенные до того, как 5 fb-1 были достигнуты, показывали, что с такими данными у нас будет достаточная чувствительность, чтобы увидеть бозон Хиггса или исключить возможность его существования в диапазоне от 115 до нескольких сотен ГэВ. Как уже говорилось, диапазон между 115 и 150 ГэВ – самый сложный для исследования. Если бозон Хиггса скрывается здесь, то мы в лучшем случае увидим очень слабые сигналы, практически неразличимые на фоне шумов. Именно на этом диапазоне следует сконцентрировать все силы в непрерывном поиске все более точных методов анализа, чтобы получить данные по всем доступным каналам распада.
Здесь наиболее важны так называемые бозонные каналы, то есть те, в которых бозон Хиггса распадается на пару других бозонов – фотоны, W– или Z-бозоны. В случае, когда это пара W-бозонов, идентифицировать его относительно просто, потому что можно обнаружить в детекторах присутствие электронов и мюонов, образующихся в результате распада W-бозона. Коварство в том, что есть множество других реакций, не имеющих ничего общего с бозоном Хиггса, в которых также образуются пары лептонов с высокими энергиями и которые заглушают сигнал: выделить сигнал бозона Хиггса, распадающегося на пару W-бозонов, на фоне такого нормального шума – задача очень сложная. Кроме того, в этом канале очень низкое разрешение по массе. Дело в том, что распад W-бозонов на лептоны сопровождается нейтрино, которые остаются невидимыми для детекторов и улетают прочь, унося определенную долю выделившейся энергии, из‑за чего массу распадающейся частицы можно оценить только косвенно и приблизительно. В общем, распад на пару W-бозонов может дать нам понять, что что‑то происходит, но окончательного доказательства присутствия бозона Хиггса он нам не даст.
Чтобы проверить находку, надо получить сигналы в двух бозонных каналах с высоким разрешением: распад на два фотона и распад на пару Z-бозонов. В этих каналах есть возможность идентифицировать присутствие бозона Хиггса по появлению пиков в плотности распределения событий по массе – их избытка на вполне определенных отрезках.
Распад бозона Хиггса на фотоны сопровождается очень заметными событиями. Два фотона с высокими энергиями, которые излучаются в противоположных направлениях в плоскости, перпендикулярной пучку, очень легко обнаруживаются. И разрешающая способность калориметра CMS настолько высока, что энергия фотонов прекрасно измеряется. Если они возникли в результате распада бозона Хиггса, то дадут определить его массу с точностью до 1–2 %, а все сигналы соберутся в один очень узкий пик.
К сожалению, даже в этом случае есть другие явления, которые продуцируют события, идентичные искомым, и заглушают сигнал. События, вносящие свой вклад в фоновый шум, значительно более многочисленны, чем те, которые вызывает распад бозона Хиггса, но их распределение по массам сильно отличается. Мы тут не видим пиков, распределение везде регулярное, и число событий быстро убывает с ростом массы. Поиск бозона Хиггса подразумевает умение достаточно хорошо измерить это фоновое распределение, чтобы смочь выявить минимальные горбы, остающиеся от пиков, которые мы ищем.
Распад бозона Хиггса на пару Z-бозонов также сопровождается очень выразительными событиями. В этом случае в данных, которые мы регистрируем, появляются только четыре лептона. Каждый из Z-бозонов действительно распадается на пару электронов или мюонов; следовательно, мы можем получить только три различных комбинации: четыре электрона, четыре мюона или два электрона и два мюона. Разрешающая способность CMS при измерении электронов и мюонов прекрасна. В этих событиях не рождаются нейтрино, и полная энергия может быть измерена с точностью 1–2 %. Другими словами, мы можем реконструировать массу бозона Хиггса, из которого образовались эти четыре лептона, с исключительной точностью, и в этом случае присутствие бозона Хиггса также обнаруживается по пику в плотности распределения событий по массе. В противоположность тому, что происходит при распаде бозона Хиггса на два фотона, в этом случае фоновых шумов значительно меньше. В Стандартной модели события, в которых образуются четыре лептона, исключительно редки при энергиях ниже 150 ГэВ. К сожалению, при таких энергиях очень редки также события с участием бозона Хиггса. Во всей статистике, собранной в 2011 году, мы ожидали обнаружить только два или три таких события, но нужно было постараться не пропустить и одного, поскольку даже единственное событие может кардинально изменить ситуацию.
Фермионные каналы, то есть такие, в которых бозон Хиггса распадается на две струи b-кварков или на два тау-лептона, значительно сложнее всех прочих. Доля случаев, в которых они имеют место, высока, но результирующие распады бозона Хиггса практически идентичны огромному числу нормальных событий, которые замазывают сигнал и “мутят воду”. Эти каналы будут изучаться и станут важны уже после открытия бозона Хиггса, когда понадобится выяснить, нет ли каких‑то других аномалий, – в частности, связан ли бозон Хиггса с фермионами именно так, как предсказывает Стандартная модель.
Так выглядит принятая нами стратегия поиска бозона Хиггса. В области больших масс данных должно быть достаточно для получения хорошо видимого сигнала при комбинации всех каналов распада на пары W– и Z-бозонов. Если бозон Хиггса, напротив, окажется в области значительно более проблемной, со значениями массы меньше 150 ГэВ, то мы распознаем первые признаки его присутствия, регистрируя избыток событий в канале распада на пару W-бозонов, а в каналах распада на два фотона и на два Z-бозона