Достучаться до небес Физики в CERN почти открыли "божественный" бозон Хиггса

Днем 4 июля 2012 года в CERN состоялся открытый семинар, на котором ученые из коллабораций CMS и Atlas представили свежие результаты по поиску бозона Хиггса. Слухи о том, что готовится что-то большое, ходили уже достаточно давно - среди приглашенных на семинар гостей оказались Франсуа Энглерт, Карл Хаген, Джеральд Гуральник и сам Питер Хиггс (последнего встречали аплодисментами, когда он появился в аудитории, где предстояло пройти семинару) - те самые теоретики, которые придумали хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия, основной составной частью которого является пресловутый бозон.

За день до доклада Nature News опубликовало статью, в которой говорилось следующее: новая частица найдена, однако открытие имеет недостаточную статистическую значимость - менее необходимых для всеобщего признания 5 сигм. Кроме того, говорилось, что открытие было сделано в том же диапазоне энергий, в котором в конце 2011 года был найден некий сигнал, указывающий на возможное открытие новой элементарной частицы. Важный нюанс: уверенности в том, что открыт именно бозон Хиггса, у ученых не было - они просто говорили о новой частице (этот важный нюанс, однако, в погоне за сенсациями многими СМИ был опущен или спрятан глубоко в тексте). И вот во время семинара все эти слухи подтвердились почти полностью.

Хиггсовский механизм

Прежде чем перейти к обсуждению самого открытия, необходимо вспомнить, что такое бозон Хиггса и почему он так важен. Более или менее подробно про историю вопроса и Стандартную модель "Лента.ру" уже писала. Если коротко, то после объединения электромагнитного и слабого взаимодействия в одну общую теорию в 60-х годах прошлого века встал вопрос о том, почему у фотона - переносчика первого взаимодействия, массы нет, а у Z- и W- бозонов - переносчиков слабого взаимодействия, эта самая масса имеется и причем довольно ощутимая. Вопрос возник не на пустом месте - теория предсказывала, что все частицы должны быть безмассовыми.

Как оказалось, для этого существующую теорию нужно было поправить. Как именно это сделать, предложили физики Франсуа Энглерт, Карл Хаген, Джеральд Гуральник и Питер Хиггс. Ключевую роль в этой правке играло так называемое поле Хиггса. Так как в квантовой механике принято, что все взаимодействия происходят небольшими порциями, квантами, то и этому полю должен соответствовать свой квант, который и получил название бозона Хиггса. Бозон в названии означает, что свойства этой частицы описываются так называемой статистикой Бозе-Эйнштейна (помимо этой статистики, есть еще статистика Ферми-Дирака, которая описывает фермионы - например, кварки). Из более или менее известных за пределами научных кругов частиц к бозонам относятся, например, фотоны.

Как же работает поле Хиггса? За годы изучения этого объекта было создано множество простых, разной научной строгости, разъяснений "на пальцах". Мы воспользуемся одним из них, придуманным в начале 90-х годов (не самым строгим, но довольно наглядным) - тогда британский министр науки Вильям Волдгрэйв объявил конкурс на сочинение небольших, длиной в полстранички, разъяснений связанного с бозоном Хиггса эффекта (среди них есть просто отличные). Итак, представим себе комнату, наполненную людьми, например, во время вечеринки. Люди стоят не слишком плотно, то есть каждый вновь прибывший вполне может передвигаться по комнате.

Представим себе теперь такого гостя, который двигается сквозь толпу. Если наш гость знаменит или просто хороший парень, то вокруг него будет наблюдаться скопление людей. Из-за этого скорость движения этого самого гостя будет заметно ниже, чем у никому неизвестного тихони. В некотором смысле наш гость взаимодействует с толпой, и это взаимодействие характеризует, насколько легко ему проходить сквозь людей. Однако сами гости тоже могут объединяться в группы - например, если пустить по толпе некий слух, то люди будут передавать его друг другу, в результате чего можно будет наблюдать перемещение по толпе некоторого уплотнения людей. При этом со стороны такая кучка обсуждающих что-то гостей будет не сильно отличаться от кучки облепивших нового гостя людей (только, правда, без самого гостя).

В этой аналогии люди в комнате - это в точности поле Хиггса, новый гость - частица, движущаяся в этом самом поле, а уплотнение, связанное с распространением слухов, - возмущения поля, порцией которого является сам бозон Хиггса. В свою очередь масса частицы в данном случае - это характеристика способности человека передвигаться по комнате (например, средняя скорость). Отсюда, например, понятно, почему бозон Хиггса имеет массу - он фактически "наделяет" себя ею сам.

Разумеется, такая аналогия, как и любая аналогия вообще, не передает множества тонких нюансов взаимодействия - например, частицы "чувствуют" хиггсовское поле только при ускоренном движении, а при равномерном они его не ощущают. Кроме того, в квантовой механике масса - вещь, лишенная привычных нам свойств, по сути некий параметр, фигурирующий в уравнениях. Она (масса) в квантовом мире не является фундаментальным объектом - вместо нее эту роль играет энергия, с которой масса связана уравнением E=mc². Из-за этого, например, масса частиц указывается во внесистемных единицах электронвольтах (на самом деле мега- и гигаэлектронвольтах).

Как бы то ни было, но к началу XXI века бозон Хиггса был единственной (тау-нейтрино нашли в 2000 году) фундаментальной частицей Стандартной модели - теории, объединившей в себе три из четырех фундаментальных взаимодействий, который не был найден. Эта теория, разумеется, не лишена недостатков - она не включает в себя гравитационное взаимодействие, не содержит кандидатов на роль темной материи, а также имеет некоторые внутренние нерешенные проблемы (например, сильная CP-проблема). Однако, по признанию многих ученых, Стандартная модель - одна из важнейших фундаментальных теорий, когда-либо создававшихся в физике, а хиггсовский бозон в этой теории играет не последнюю роль: все-таки он несет ответственность за появление массы. Нет ничего удивительного, что внимание огромного количества исследователей было приковано к поиску пресловутого бозона.

Что же там с бозоном?

Главная трудность, связанная с бозоном Хиггса, состояла в том, что ученым не была известна его масса - в рамках Стандартной модели предсказать ее было невозможно. В результате появилось несколько расширенных теорий, которые предсказывали частицы с разными массами, причем в некоторых бозонов было несколько. Изначально частицу хотели найти на американском Тэватроне - ускорителе элементарных частиц, закрывшемся совсем недавно. Сделать этого не удалось, однако физики из Фермилаб (именно там располагался ускоритель) сумели получить существенные ограничения на массу частицы.

Ситуация изменилась, когда в строй был введен Большой адронный коллайдер. Высокая энергия столкновений протонов, светимость (количество столкновений за единицу времени на единицу площади), обеспечили ученых огромным количеством экспериментальных данных. Для сбора этих данных используются два детектора - CMS и Atlas. Информацию с обоих детекторов обрабатывают тысячи ученых из разных стран мира. Иногда коллаборации исследователей проверяют друг друга - их детекторы работают по-разному, что обеспечивает независимость в интерпретации результатов наблюдений, а иногда, наоборот, дополняют.

То, что исследователям удалось нащупать что-то интересное, стало понятно в декабре 2011 года. Тогда, как и сейчас, состоялся открытый семинар, на котором представители обеих коллабораций заявили, что им удалось получить несколько интересных результатов. Во-первых, Atlas показал, что за пределами промежутка от 115,5 до 131 гигаэлектронвольт ничего, скорее всего, нет. Затем CMS объявил о некотором сигнале (то есть избытке частиц с такой массой) в окрестности значения массы в 126 гигаэлектронвольт. Однако об открытии никто ничего не говорил - оно и понятно, в физике элементарных частиц господствует статистика. Ученые заявляют об открытии только после статистического анализа огромного числа данных, когда значение вероятности того, что открытие - это случайный шум, составляет доли процента.

Новые результаты

Новый доклад, опубликованный 4 июля, стал результатом того, что к старому массиву информации ученые добавили новые данные, полученные на БАК в 2012 году. За это время ученым удалось откалибровать детекторы, достигнув, по их собственным словам, уникальных результатов. Например, в CMS сумели заметно сократить время обработки каждого столкновения пучков, а Atlas гордится тем, что в некоторых случаях смог почти полностью избавиться от помех от наложения джетов частиц друг на друга (после столкновения протонов образуется лавинообразный поток частиц, называемый джетом - подробно про столкновения и их анализ "Лента.ру" также недавно писала).

Кроме этого ученые использовали так называемый слепой метод анализа. Вообще, поиск редких событий в массе статистики - задача непростая. У современных физиков есть множество инструментов для такой работы. Так вот, слепой анализ - это попытка исключить из анализа человеческий фактор: применяя целый набор средств, физик ничего не знает о полученном результате. Обычно это выражается в том, что самая интересная часть графика скрыта от взора ученого - делается это для того, чтобы избежать подгонок. Ведь самому беспристрастному экспериментатору ничто человеческое не чуждо.

Первым на докладе выступал Джо Инкандела, представитель CMS. Он рассказал, что ученые из его коллаборации, куда входит 3,6 тысячи человек, анализировали данные по пяти возможным сценариям распада (ученые говорят "каналы") гипотетического бозона Хиггса. Первым рассказывали о канале распада бозона в два гамма-фотона. По словам исследователей, это довольно "чистый" канал, дающий хороший сигнал. По результатам анализа этого сценария ученые смогли заявить о статистической значимости обнаружения в 4,1 сигмы. Затем был рассмотрен сценарий с распадом в два Z-бозона. Вместе с первым каналом результат получился больше пяти сигм. Остальные три канала (W-бозоны, кварки и электроны), однако, испортили статистику - по ним было слишком мало данных, и окончательный результат CMS составил 4,9 сигмы для массы в 125,3 гигаэлектронвольта.

За Исканделой слово взяла Фабиола Джианотти, глава коллаборации Atlas. Она представила данные, собранные только по двум каналам. Ее доклад был смазан несколькими вещами: во-первых, он был хуже структурирован, чем у Исканделы, да и сама Джианотти заметно волновалась. Во-вторых, в середине ее доклада на сайте CERN появился официальный пресс-релиз, и результаты, которые она старательно откладывала на потом, стали известны. Как бы то ни было, но Atlas сумел обнаружить на 126 гигаэлектронвольтах сигнал со статистической значимостью в 5 сигм. Впрочем, Джианноти закончила доклад очень красиво: "На энергиях 126 ГэВ мы можем изучить новую частицу очень подробно. Спасибо, Природа".

Что теперь?

Сами физики называют свои результаты предварительными. Дело в том, что открытие частицы вовсе не означает, что открыт именно бозон Хиггса. Ученым предстоит проверить свойства частицы - например, ее спин. Также необходимо собрать статистику по каждому каналу обоих детекторов отдельно - нужно проверить, что статистический уровень сигнала там (то есть, по сути, вероятность каждого конкретного распада) соответствует предсказанному теоретически. Например, генеральный директор CERN Рольф Хойер заявил, что потребуются еще годы и годы работы. Если, например, обнаружатся расхождения с теорией, то это будет означать, что теоретики понимают мир элементарных частиц не совсем так, как надо.

С другой стороны, обнаружение частицы само по себе уже многое говорит физикам. Такого мнения придерживается сотрудник CERN грек Игнатиас Антониадис. По его словам, бозон оказался легче, чем многие думали. Это, например, может означать, что бозонов как минимум два. Кроме того, обнаружение такой частицы позволяет отбросить некоторые существующие теории, в частности так называемую теорию Техниколор (в этой теории тот же бозон Хиггса не является элементарной частицей). Также пострадают некоторые суперсимметричные теории. По словам Антониадиса, вне зависимости от результатов последующих экспериментов, частица "открыла новую эру в физике".

Не останутся без дела и теоретики. Разумеется, некоторые уже успели заявить, что физика в некотором смысле закончилась - последний кирпичик Стандартной модели найден. Даже если согласиться с тем, что найденная частица является бозоном Хиггса, говорить о закрытии работ еще рано - про трудности Стандартной модели и ее недостатки уже было сказано выше. К тому же есть еще множество более частных вопросов, связанных, например, с кварками и тем же хиггсовским механизмом, которые требуют пристального (именно экспериментального!) изучения. Так что без работы Большой адронный коллайдер пока не останется.

Наконец, последнее. Благодаря именно этой частице в сферу кругозора обычных людей попала такая вещь, как Стандартная модель (величайшая фундаментальная теория, помните?). Да, разумеется, большинству пользы это не принесло - вряд ли шутки в духе: "Чего так долго искали бозон Хиггса? Надо было у самого Хиггса спросить!" - можно считать способствующими существенному расширению кругозора. Да и, как показывает практика, большинство людей впечатляет стоимость самого коллайдера ("Вот это распил!"), нежели полученные на нем уникальные результаты. Однако хочется верить, что какая-то часть тех, кто услышал про бозон, хотя бы залезут в Википедию и прочитают и про хиггсовский механизм, и про электрослабое взаимодействие, и про многое другое. И немного поумнеют. А это уже настоящая победа.

P.S. Кстати, сам Питер Хиггс атеист, но не любит, когда его частицу называют божественной - по его мнению, это оскорбляет чувства верующих. Впервые этот термин употребил физик Леон Ледерман в названии своей книги The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?. Однако, если верить легенде, то в названии виноват издатель - изначально частица должна была называться Goddamn particle, что примерно можно перевести как "гребаная частица".