Твердое "может быть" Физики почти зарегистрировали бозон Хиггса

13 декабря в CERN состоялся доклад представителей научных коллабораций Atlas и CMS, которые доложили результаты анализа самых свежих данных, собранных одноименными детекторами. Видеотрансляция этого мероприятия в прямом эфире была организована CERN, а о многочисленных текстовых трансляциях в Twitter позаботились присутствовавшие на мероприятии ученые (в англоязычном сегменте блога в топы выбился, например, тэг #Higgs).

Незадолго до доклада активно муссировались слухи о том, что ученые объявят об открытии бозона Хиггса - пожалуй, самой "раскрученной" элементарной частицы в истории физики. Отчасти именно этим и был вызван ажиотаж вокруг предстоящего события. Слухи, однако, так и остались слухами, и, цитируя Nature, "физики сказали бозону Хиггса твердое 'может быть'". Несмотря на некоторое разочарование, вызванное окончательным итогом мероприятия, нужно сказать, что рассказ у докладчиков получился занятным, а представленные результаты - интересными и даже многообещающими. Однако прежде чем говорить о них, следует напомнить читателю, что такое бозон Хиггса и почему он всех так интересует.

Про бозон

В квантовой механике взаимодействие полей принято объяснять с помощью квантов - переносчиков взаимодействия. Представьте себе две лодки на пруду, стоящие неподвижно и параллельно друг другу. В одной, скажем, сидите вы, а в другой - ваш друг. И вы решаете перекинуть другу довольно массивный рюкзак. Понятное дело, что после того, как друг поймал рюкзак, его лодка начнет двигаться в направлении движения рюкзака, в то время как ваша - в противоположном. С точки зрения стороннего наблюдателя, лодки начали отталкиваться, а причиной этого стало некое взаимодействие, переносчиком которого выступил рюкзак. Понятное дело, что в физике все гораздо сложнее - частицы кидают друг другу много разных "рюкзаков", многие из которых либо тяжелее самой частицы, либо вообще не имеют массы.

В 60-х годах прошлого века ученым удалось объединить два из четырех фундаментальных взаимодействий - электромагнитное и слабое - в одну очень элегантную теорию. Главный ее недостаток заключался в том, что она не могла объяснить следующий факт - почему у фотона (кванта электромагнитного поля) массы нет, а у W- и Z-бозонов (квант слабого взаимодействия) масса есть? Сначала физики попытались подправить формулы в лоб, добавив туда массу. Это однако привело к возникновению очень плохих бесконечных выражений. Из-за этого ученым пришлось придумывать что-то более тонкое, некую поправку, которая не ломала бы всю теорию электрослабого взаимодействия до основания, а лишь немного корректировала бы ее.

Так появился механизм Хиггса (его в 1965 году предложил британский физик-теоретик Питер Хиггс), главную роль в котором играет одноименное поле. Взаимодействие частицы с этим полем и определяет массу (которая оказывается в определенном смысле эффектом динамическим) - чем сильнее действует поле на частицу, тем масса, следовательно, больше. Физики употребляют для происходящего процесса термин спонтанное нарушение симметрии электрослабого взаимодействия, то есть поле Хиггса в некотором смысле хорошо ломает прекрасную математическую теорию, делая физическую реальность не такой уж и симметричной. В частности, из-за этого W- и Z-бозоны оказываются обладателями массы. Так вот, бозон Хиггса - это квант одноименного поля.

Оказалось, что этот сценарий удачно вписывался в модель электрослабого взаимодействия. За исследования в этой области Шелдон Глешоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг в 1979 году получили Нобелевскую премию по физике. К слову, сам придумавший этот механизм Хиггс награды не удостоился - ему пришлось довольствоваться лишь названным в честь него бозоном. Тут, кстати, сразу следует отметить, что хиггсовский механизм нарушения симметрии - самый известный и популярный, однако он не отменяет наличия альтернативных объяснений. Кроме этого, строго говоря, бозонов Хиггса может быть больше одного (например, в некоторых суперсимметричных теориях, расширяющих Стандартную модель).

Как бы то ни было, но позже к электрослабому взаимодействию было добавлено сильное, и в начале 70-х годов завершилось по сути формирование того, что принято называть Стандартной моделью. С тех пор в течение более чем 40 лет физики занимались тем, что экспериментально проверяли предсказания модели. Надо сказать, что модель показала себя с самой лучшей стороны - почти все предсказания сбылись. Почти, потому что ученым так и не удалось обнаружить бозон Хиггса (ну, и в последнее время всплыли неприятности с нейтрино - модель не в состоянии объяснить ненулевую массу этих частиц - и осцилляции, которые, впрочем, считаются мелкими). Трудности с обнаружением бозона объяснялись очень просто: из теории нельзя было рассчитать его массу, поэтому физикам пришлось обратиться к старым добрым экспериментам.

Статистика и еще раз статистика

Неуловимый бозон пытались обнаружить еще на недавно закрывшемся Тэватроне, однако безуспешно. Главная надежда сейчас, конечно, на Большой адронный коллайдер - крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц.

В БАК сталкиваются пучки протонов. При этом образуется лавина других частиц, которые разлетаются во все стороны, попутно распадаясь на другие. Детекторы коллайдера регистрируют те частицы, которые им удается уловить, определяют их тип, энергию и импульс (для этого сигнал с детекторов подвергается нетривиальному компьютерному анализу). Например, только по разности энергии зарегистрированных частиц в момент столкновения пучков протонов и можно определить, сколько этой самой энергии ушло на образование нейтрино.

Так как в микромире балом правит вероятность, то результаты столкновений, вообще говоря, не определены однозначно. То есть, чтобы зарегистрировать достаточно редкое событие, нужно поставить много экспериментов, чтобы это событие повторилось достаточно большое число раз. При этом сигнал от события должен быть также статистически значимым, то есть он должен достаточно сильно отличаться от фонового шума (оценка уровня шума детекторов - это отдельная интересная и серьезная деятельность).

Дело усложняется тем, что, как уже говорилось выше, масса бозона Хиггса неизвестна. Из-за этого ученым приходится разбирать множество вариантов образования и распада такой частицы. Например, если эта частица относительно легкая, то она может распадаться на два фотона, если потяжелее - то на уже упоминавшиеся Z- и W- бозоны. В рамках лекции 13 декабря приводились результаты, согласно которым работающие с CMS ученые изучали 8 разных вариантов образования бозона Хиггса.

Ничего удивительного, что при таком объеме работ анализом данных с ускорителя занимаются тысячи ученых по всему миру.

Новые результаты

Итак, первой 13 декабря выступала Фабиола Джианотти, которая представляет международную коллаборацию (именно так, а не просто группой, называют себя русскоязычные участники коллектива), работающую с детектором Atlas. Всего в анализе данных более чем 500 триллионов столкновений пучков протонов приняло участие более 2000 ученых.

Джианотти представила два основных результата. Во-первых, с вероятностью 95 процентов ученым удалось исключить все возможные массы бозона Хиггса за пределами промежутка от 115,5 до 131 гигаэлектронвольт (в физике элементарных частиц массу и энергию измеряют в одних и тех же величинах). Особенно уверенно Джианотти говорила о массе свыше 270 гигаэлектронвольт, поскольку такой тяжелый бозон Хиггса должен был распадаться на W- и Z-бозоны с последующим распадом на лептоны и нейтрино. По словам представителя Atlas, чувствительность детектора к такого рода событиям очень высокая.

Второй результат, о котором Джианотти говорила с большой осторожностью - обнаружение сигнала от бозона Хиггса, распадающегося на фотоны, в районе массы 126 гигаэлектронвольт. При этом она подчеркнула, что говорить об открытии пока рано - удалось добиться статистической значимости сигнала всего 2,3 сигма. Это и понятно, совсем недавно появлялась информация об обнаружении сигнала для массы в 140 гигаэлектронвольт, в то время как в новой статистике эта масса оказалась исключенной. Поэтому ученым потребуется еще некоторое количество данных.

По словам Джианотти, необходимая информация может быть получена уже в первые месяцы работы ускорителя в 2012 году. Дело в том, что важной характеристикой работы коллайдера является светимость - количество столкновений частиц, происходящих за единицу времени на единице площади поперечного сечения пучка. Именно эта величина влияет на скорость набора необходимой статистики. Светимость измеряется в см^-2с^-1.

Так вот, когда коллайдер снова включат (на зиму его выключают по официальной версии на обслуживание, по неофициальной - из-за высокой стоимости электроэнергии в это время года), его светимость планируют увеличить в четыре раза. Это позволит достаточно быстро определить, является ли сигнал в окрестности 126 гигаэлектровольт значимым.

После Джианотти выступал представитель коллаборации CMS Гвидо Тонелли. Несмотря на то, что над анализом данных одноименного детектора трудится более 3,6 тысячи человек, его данные были еще менее однозначными, чем у Джианотти. Единственное, что он смог добавить - его группе удалось исключить массы от 127 до 600 гигаэлектронвольт. Также неожиданно у обеих групп обнаружился некий сигнал в районе 115 гигаэлектронвольт, который, впрочем, вполне может исчезнуть после появления дополнительной статистики.

Вместо заключения

Главным итогом работы ученых стало то, что для уверенных выводов им нужны еще данные. С одной стороны, публику это, возможно, разочаровало. С другой стороны, науке некуда торопиться - все-таки речь идет о фундаментальных вещах. Главное только, чтобы само открытие сопровождалось не меньшим вниманием со стороны публики. Все-таки приятно, когда люди отрываются от политики, спорта и фотографий с красивыми девушками и обращаются (пусть и на пять минут) к науке.