В прошлый четверг, 21 апреля, в популярном блоге математика Питера Войта из Колумбийского университета появилась информация о том, что в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере было зарегистрировано событие, которое, возможно, указывает на рождение бозона Хиггса. Эти данные вызвали бурный отклик научного сообщества, но были быстро опровергнуты официальными представителями CERN – организации, курирующей работу коллайдера. Подобные истории происходят не впервые, но, тем не менее, каждый раз они заставляют затаить дыхание - может, теперь все-таки нашли? Почему опять не случилось чуда?
Сенсация?
Сообщение о возможной регистрации "частицы бога", как иногда называют бозон Хиггса, опубликовал в комментариях к одной из записей Войта некий анонимный пользователь. Как выяснилось позже, комментатор - физик и анализирует данные, поступающие на детектор второго по размерам коллайдера Тэватрон. Но в одном здании с ним работают люди, изучающие информацию, которую собирает детектор БАК под названием ATLAS (многие физики анализируют данные, получаемые в ходе экспериментов на коллайдерах, удаленно). Аноним сообщил, что обнаружил в принтере документ, созданный четырьмя участниками коллаборации ATLAS.
В найденном листе бумаги было написано примерно следующее (в исходном тексте много терминов, так что здесь приводится только основной смысл документа): физики обнаружили множество событий рождения пар фотонов, которые, с высокой вероятностью, могли образоваться при распаде бозона Хиггса, образовавшегося в БАК при столкновениях протонов.
Тут стоит коротко пояснить, в чем заключается суть экспериментов на коллайдерах элементарных частиц. Пучки частиц (в случае БАК это протоны или ионы свинца) разгоняют в подземных тоннелях - в БАК его длина составляет 27 километров - и сталкивают друг с другом на скоростях, близких к скорости света. В таких "авариях" исходные частицы на очень короткое время утрачивают свою структуру, а затем превращаются в другие частицы, которые также впоследствии могут распадаться с образованием третьих частиц. Большинство рождающихся частиц являются короткоживущими, но некоторые из них существуют достаточное время для того, чтобы их зафиксировали детекторы коллайдера. Анализируя характеристики "долгожителей" - например, их энергию, ученые могут восстановить всю цепочку превращений.
Параметры фотонов, зарегистрированных детектором ATLAS, позволяли заключить, что их предшественником был бозон Хиггса, и даже определить массу этой важнейшей для современной физики частицы. Согласно расчетам сотрудников коллаборации ATLAS, масса "частицы бога" составляет 115 гигаэлектронвольт. Странная единица массы - электронвольт - и различные ее производные часто используются в физике элементарных частиц. Один электронвольт соответствует энергии, которая требуется для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 вольт.
Возможность использовать энергетическую единицу для измерения массы вытекает из знаменитого эйнштейновского уравнения E=mc2, где E - это энергия, m - масса, а c - скорость света. В мире элементарных частиц взаимозаменяемость массы и энергии проявляется особенно отчетливо - например, тяжелые частицы могут рождаться при столкновениях легких частиц, обладающих достаточной энергией. Соответственно, m=E/c2, но деление на квадрат скорости света в записи часто опускают.
Бозон Хиггса с массой около 115 гигаэлектронвольт не противоречит теоретическим построениям, хотя он и менее вероятен, чем более тяжелые бозоны (недавно ученые, анализирующие данные, полученные на Тэватроне, как раз уточнили возможную массу "частицы бога"). А вот количество "подозрительных" событий образования пар фотонов никак не укладывалось в предсказания Стандартной модели - наиболее общепринятой на сегодня теории, которая объясняет природу фундаментальных физических взаимодействий. Детектор ATLAS зафиксировал в 30 раз больше пар фотонов, чем предполагает Стандартная модель.
Такое расхождение указывает, что Стандартная модель неадекватно объясняет устройство окружающего мира, а правомерной является ее более экзотическая разновидность, известная как гипотеза суперсимметрии. Согласно этой гипотезе, у каждой элементарной частицы, предсказанной в рамках Стандартной модели, есть суперсимметричный партнер, который во всем похож на исходную частицу, но имеет другой спин. Гипотеза суперсимметрии довольно популярна у физиков, однако она порождает ряд сложностей, которые пока не нашли теоретического объяснения. Масса бозона Хиггса в 115 гигаэлектронвольт повышает шансы гипотезы суперсимметрии на "выживание" - авторы найденного в принтере документа называют свои результаты "первым серьезным наблюдением физических явлений, выходящих за рамки Стандартной модели".
Масса бозона Хиггса очень важна для физиков, но не менее важен и сам факт его существования. В Стандартной модели именно он "отвечает" за наличие массы у всех других частиц, поэтому поимка бозона Хиггса принципиально важна для главной (на сегодня) теории физики. Если найти "частицу бога" не удастся, ученым придется здорово пересмотреть свои представления об окружающем мире. Впрочем, некоторые физики считают, что обнаружение бозона Хиггса сделало бы этот мир скучнее - известный британский ученый и популяризатор науки Стивен Хокинг даже поставил сто долларов на то, что "частицу бога" не найдут и физикам придется придумывать новую интересную теорию, а не описывать мир при помощи уже имеющихся знаний.
Разочарование
Новость о получении удивительных данных немедленно начали бурно обсуждать на специализированных форумах. Некоторые ученые сочли, что опубликованные наблюдения, действительно, указывают на рождение новой физики. Сторонники такой версии часто ссылались на результаты, полученные в 2000 году на коллайдере LEP (Large Electron-Positron Collider - большой электрон-позитронный коллайдер). Тогда группа ученых заявила о регистрации событий, которые также намекали на рождение бозона Хиггса массой 115 гигаэлектронвольт. Эксперименты на LEP были прекращены вскоре после публикации этого сообщения, так что подтвердить новые данные не удалось. Примечательно, что одним из авторов просочившегося в Сеть документа коллаборации ATLAS была Саулань Ву (Sau Lan Wu) - она же входила в группу исследователей, анализировавших данные с LEP.
Но большинство комментаторов отнеслись к сообщению о "новой физике" скептически. Они указывали, что во время экспериментов по столкновению частиц на высоких энергиях довольно часто наблюдаются такие "необычные" явления, которые позже оказываются либо техническими артефактами, либо результатом неверной обработки поступивших на детекторы данных. Физик-блогер Томазо Дориго (Tommaso Dorigo), анализирующий данные, которые собирает детектор Тэватрона CDF, даже предложил всем желающим специалистам поспорить на тысячу долларов, что зарегистрированный на БАК сигнал никак не связан с бозоном Хиггса. Некоторые ученые и вовсе сочли, что опубликованный в блоге Войта документ - это фальшивка.
Интересное, но вряд ли конструктивное обсуждение было прервано официальным заявлением. Представитель CERN (Европейский центр ядерных исследований - организация, которая курирует работу коллайдера) Фабиола Джианотти (Fabiola Gianotti) 25 апреля сказала корреспонденту портала Nature News следующее: "Только официальные результаты коллаборации ATLAS - то есть те результаты, которые были соответствующим образом перепроверены научным сообществом, стоит воспринимать серьезно". В интервью корреспонденту РИА Новости Джианотти высказалась еще более безапелляционно: "ATLAS не имеет результатов, касающихся бозона Хиггса" и назвала информацию о регистрации "частицы бога" "беспочвенными слухами".
Это не первый случай появления сообщений о регистрации на коллайдерах событий, которые могут указывать на рождение бозона Хиггса. Например, в июле 2010 года тот же Дориго написал в своем интернет-дневнике, что на одном из детекторов Тэватрона были зарегистрированы сигналы, указывающие на появление "частицы бога". Позже представители Фермилаба (лаборатория Энрико Ферми, где находится Тэватрон) опровергли эту информацию.
Подобные сенсации появляются потому, что физики, участвующие в экспериментах на коллайдерах, очень ждут важных результатов - тем более что большинство теорий предсказывают, что эти самые результаты должны вот-вот появиться, потому что физики освоили работу на соответствующих энергиях. При таких энергиях столкновений в БАК и Тэватроне "подозрительные" сигналы возникают довольно часто и вызывают закономерное возбуждение у специалистов. Позже большинство таких сигналов признаются нерелевантными, и сами ученые к такому положению дел давно привыкли.
Когда информация об очередном необычном сигнале просачивается наружу, поднимается куда более серьезный шум, так как далеким от физики людям трудно оценить истинную значимость результатов. Противоядием против преждевременной радости и ложных сенсаций может быть только стандартная, устоявшаяся, скучная процедура научной экспертизы. Кроме того, для публикации любых "удивительных" данных необходимо сначала набрать удовлетворительную статистику - именно на этом этапе многие сенсации рассасываются сами собой. Наконец, в идеале прорывные результаты должны быть независимо получены другими научными коллективами (хотя в случае данных, получаемых на ускорителях, это, по очевидным причинам, невозможно). По-хорошему, только после того, как все эти этапы будут пройдены, научные результаты стоит "рекламировать" широкой аудитории. Но такой регламент, увы, возможен только в идеальном мире.