Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» - Джим Бэгготт

На самом деле физики хором призывали не делать поспешных выводов, но по отдельности многие были готовы рискнуть, как сказал мне Баттерворт: «Нам действительно нужны данные для уверенности, но сам бы я сделал ставку. [Все] зависит от того, насколько ты азартен»[182].

По меньшей мере для оптимизма были хорошие основания. Новый запуск БАКа был назначен на апрель 2012 года, и в центре внимания снова окажутся большие летние конференции.

Параметры предстоящего запуска определил семинар в Шамони в феврале 2012 года. Через год необычайно успешной работы инженеры были гораздо увереннее в возможностях коллайдера и согласились довести энергию протон-протонных столкновений до 8 ТэВ. С такой более высокой энергией можно было ожидать до 30-процентного увеличения скорости образования бозонов Хиггса, что с учетом увеличенного фона все же давало увеличение чувствительности на 10–15 процентов. Цель состояла в том, чтобы за 2012 год собрать 15 обратных фемтобарнов данных с высокой энергией столкновений. Этого, безусловно, должно было хватить, чтобы в конце концов закончить поиск Хиггса.

22 февраля стало известно, что сверхсветовая скорость нейтрино, установленная экспериментом OPERA, оказалась ошибкой. Из-за неисправного оптоволоконного кабеля произошла небольшая задержка, и время прохождения нейтрино сократилось примерно на 73 миллиардные доли секунды. Когда ошибку исправили, измерение полностью соответствовало нейтрино, движущимся со скоростью света.

Несмотря на столь нелепую развязку, физики повсюду вздохнули с облегчением в уверенности, что специальной теории относительности Эйнштейна ничто не угрожает. Несколько руководителей коллаборации OPERA ушли со своих постов. Это был отрезвляющий момент, напомнивший (если кто-то забыл), что может случиться, если коллектив сложного эксперимента по физике сделает какие-то громкие заявления, которые впоследствии окажутся неверными.

Коллайдер возобновил работу 12 марта и восемь дней спустя достиг энергии 8 ТэВ. Обычный режим работы с протонными пусками начался в середине апреля. Мгновенная светимость дошла до пикового значения 6760 обратных микробарнов в секунду. Несмотря на небольшую задержку в сборе данных из-за технических проблем с охлаждением, к концу мая БАК уже поставлял впечатляющий объем данных: 1 обратный фемтобарн в неделю на каждую коллаборацию.

Складывались все условия для того, чтобы объявление состоялось на 36-й международной конференции по физике высоких энергий (ICHEP), которая должна была открыться 4 июля в Мельбурне, Австралия. Окончательная дата, когда должен был прекратиться сбор данных, чтобы успеть проанализировать их и представить на конференции, была назначена на 10 июня, и к тому моменту БАК позволил собрать данные объемом около 5 обратных фемтобарнов по обоим детекторам ATLAS и CMS, то есть столько же, сколько они собрали за весь 2011 год.

Разумеется, среди блогеров, пишущих о физике высоких энергий, поползли слухи. Питер Войт передал слух, что якобы снова появились уверенные признаки бозона Хиггса и данные 2011 года плюс около половины данных, собранных за 2012, свидетельствуют об избытке событий в канале Н → γγ со статистической значимостью 4 сигмы. Обсуждение становилось все более бурным. Все как будто говорило о том, что ATLAS и CMS собираются сообщить о данных, показывающих избыток, которым лишь чутьчуть не хватает до 5 сигм, чтобы заявить об открытии. Если это действительно правда, то можно было не сомневаться, что результат объединения данных обеих коллабораций, скорее всего, будет говорить в пользу бозона Хиггса или чего-то в этом роде.

Но пойдут ли коллаборации на этот шаг? А если нет, вопрос останется официально незакрытым до получения новых данных. Тогда у блогеров будет возможность свободно публиковать свои весьма логичные, но, разумеется, неофициальные интерпретации данных. Может быть, они даже заявили бы об «открытии», которое официально никто не подтверждал. За всю историю науки еще никогда не складывалась подобная ситуация.

И вдруг, всех удивив, ЦЕРН заявил о том, что 4 июля в Женевской лаборатории будет проходить специальный семинар в преддверии конференции ICHEP. На семинаре будут представлены последние данные по поиску бозона Хиггса от коллабораций ATLAS и CMS, после чего состоится пресс-конференция. Приглашены Хиггс, Энглер, Гуральник, Хейген и Киббл[183].

Неужели это был знак, что одна или обе коллаборации добились статистической значимости 5 сигм, которая требовалась, чтобы объявить открытие состоявшимся? Все бросились строить догадки пуще прежнего. Чтобы не отставать, физики Фермилаба напомнили, что обе коллаборации Тэватрона – D0 и CDF – накопили почти 10 обратных фемтобарнов данных на низких энергиях столкновения. На мартовской конференции во французском Морионе физики Фермилаба продемонстрировали результат, предполагавший избыток в диапазоне 115–135 ГэВ с уровнем достоверности 2,2 сигмы и преобладанием распада до двух нижних кварков, то есть того канала, который трудно наблюдать в БАКе из-за высокого фона. 2 июля, за два дня до церновского заявления, состоялся семинар, на котором физики Фермилаба заявили, что благодаря усовершенствованию анализа довели значимость до 2,9 сигмы. Конечно, этого не хватало, чтобы заявить об открытии, но такой результат был бы убедительным подтверждением любого последующего заявления об открытии.

4 июля я смотрел онлайн-трансляцию из ЦЕРНа, удобно устроившись у себя в кабинете, и следил за реакцией зрителей по записям в блоге, которые в режиме реального времени выдавал присутствовавший на семинаре Дориго.

Сегодня особый день, объявил Хойер, и по нескольким причинам. В конце концов, он открывает собой международную конференцию по физике, первую в истории, которая транслируется по видео на разные континенты.

Первым взял слово Джо Инкандела, профессор физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, он выступал как представитель CMS. Инкандела казался нервным, видимо, он осознавал всю важность этого исторического момента. Но по мере выступления он начал говорить все увереннее.

В своей презентации он по праву подчеркнул поразительную сложность экспериментов. Просто сложить данные и получить один результат – ответ на вопрос «быть или не быть бозону Хиггса» – это не уважать труд всех тех, кто обеспечивает работу БАКа, оперирует детекторами и триггерами, отбирает события, рассчитывает фон, управляет международной вычислительной сетью, производит детальный анализ и практически не спит. Инкандела уделил некоторое время этим техническим аспектам, как будто чтобы уверить слушателей в том, что не может быть никакого сомнения в результатах, о которых он собирается рассказать.

Когда он в конце концов дошел до дела, главный тезис его выступления вызвал всеобщий трепет. Объединив данные по столкновениям с энергией 7 ТэВ за 2011 год и с энергией 8 ТэВ за 2012 год, коллаборация установила избыток событий в районе 125 ГэВ в канале Н → γγ со значимостью 4,1 сигмы. Аналогичное объединение данных для канала H → Z0Z0 → l+ l— l+ l— показало избыток событий со значимостью 3,2 сигмы. После сопоставления данных по обоим каналам статистическая значимость составила 5,0 сигм. Для избытка, который ожидался для бозона Хиггса Стандартной модели с такой массой, достаточно было 4,7 сигмы. «Приятно получить пятерку», – сказал Инкандела[184].