Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира - Шон Кэрролл

К декабрьскому семинару 2011 года пик вблизи 125 ГэВ имел статистическую значимость[7] 3,6σ в данных ATLAS и 2,6σ в данных CMS (данные собирались и анализировались совершенно независимо). Многообещающие результаты, но, конечно, не настолько надежные, чтобы претендовать на открытие. Результат мог быть признан сомнительным из-за так называемого эффекта LEE (look-elsewhere effect). Как мы говорили, если делать много измерений (а на двух детекторах БАКа проводилось много измерений), в них могут случиться большие отклонения. Однако тот факт, что две коллаборации обнаружили пики в одном и том же месте, наводил на мысль, что это не было простой случайностью. Физики склонялись к тому, что экспериментальные данные говорят: поиски идут в правильном направлении и, видимо, обнаружены первые намеки на бозон Хиггса, но чтобы увериться в этом, нужно собрать еще больше данных.

Когда предсказания, которые вы проверяете, являются вероятностными, важность сбора большого количества данных невозможно переоценить. Вспомните наш пример с подкидыванием монетки. Если бы мы бросили монетку всего пять раз вместо 100, самое большое возможное отклонение от ожидаемого значения возникло бы при пятикратном выпадании орла (или решки). Шанс, что это произойдет, не маленький – больше 6 %. Таким образом, даже для совершенно неправильной монеты, если мы подбрасываем ее всего пять раз, мы не можем объявить о значимости отклонения больше 2σ. На групповом блоге Cosmic Variance, который благодаря моим усилиям размещается теперь на сайте журнала Discover, я за день до семинаров ЦЕРНа поместил свой пост под названием «Завтра об открытии бозона Хиггса не объявят». Не то, что у меня была какая-то инсайдерская информация, просто мы все знали, сколько к тому времени на БАКе собрано данных, и знали, что их недостаточно для объявления об открытии бозона Хиггса с точностью 5σ. Для этого требовалось гораздо больше данных.

Общее мнение физиков было таково: если свидетельства, представленные в 2011 году, действительно реальны, то данных, собранных за 2012 год, будет уже достаточно, чтобы добраться до необходимого порога магических 5σ и объявить об открытии бозона Хиггса. Мы знали, сколько столкновений происходит на ВАКе, и у всех было такое чувство, что мы услышим об открытии неуловимой частицы (или крушении всех наших надежд) год спустя, то есть в декабре 2012 года.

После ежегодной зимней остановки ВАК возобновил сбор данных в феврале 2012 года. Конференция ICHEP в Мельбурне была запланирована на начало июля, и предполагалось, что на этом совещании обе коллаборации доложат свои новые результаты. Условия в 2012 году были несколько иными, чем в 2011-м: протоны сталкивались теперь при более высокой энергии – 8 ТэВ вместо 7 ТэВ, кроме того, была получена более высокая светимость, так что в секунду происходило больше событий. И то, и другое, казалось бы, упрощало поиски, но тут возникли новые проблемы. При больших энергиях вероятности взаимодействий меняются, и это означает, что немного изменилось количество фоновых событий, а потому пришлось обсчитывать новые данные отдельно от старых. Волее высокая светимость означает еще и большее число столкновений, многие из них в детекторе происходят одновременно, что приводит к «загромождению» – возникает куча треков частиц. Пришлось сильно потрудиться, определяя, какие из них произошли от какого столкновения. Это приятная проблема, но все же проблема, которую нужно было решить, на что требуется время.

Конференция ICHEP – крупнейший международный форум, и, естественно, на нем должны были быть обнародованы новейшие данные по поискам бозона Хиггса, полученные в ходе экспериментов при более высоких энергиях и светимостях. Участники надеялись услышать, что машина работает отлично, а в идеале – что статистическая значимость декабрьских результатов возросла, а не уменьшилась. Заранее планировалось, что сбор данных в начале июня будет прерван для рутинных работ по техническому обслуживанию БАКа. Эту паузу ученые решили использовать для тщательного пересмотра данных, дабы понять, что уже получено.

Обе коллаборации анализировали свои результаты «слепым» методом. «Окна» были открыты 15 июня, в результате чего у экспериментаторов осталось около трех недель на анализ полученных данных и подготовку их презентации в Мельбурне.

Почти сразу же после начала анализов поползли слухи. Они были менее определенными, чем в декабре, что вполне понятно: сами ученые еще не понимали, что же они получили, и бились над тем, чтобы в этом разобраться. Любопытно, что я не услышал тогда ни одного слуха, который бы правильно и точно формулировал окончательный результат. Но общий тон не оставлял сомнений: на БАКе увидели что-то необыкновенно важное.

Итак, то, что обнаружилось, было новой частицей – бозоном Хиггса или чем-то очень его напоминающим. Даже беглого взгляда на данные было достаточно, чтобы убедиться в этом. Уровень важности сообщений был немедленно поднят – когда такие результаты должны демонстрироваться общественности, не говорят просто о получении новых результатов. Нужно либо объявить об открытии, либо не объявлять ничего, а если вы объявляете, следует сделать из этого новость номер один, раструбить об открытии на весь мир.

Пока группы физиков в отчаянной спешке анализировали данные, собранные по различным каналам, начальство обсуждало, как лучше разместить трубы, чтобы протрубить погромче. С одной стороны, было запланировано, что обе коллаборации расскажут о своих результатах в Мельбурне. С другой стороны, в ЦЕРНе оставались сотни физиков, которые не собирались лететь через полмира, чтобы присутствовать на оглашении сей потрясающей новости. Но этот день принадлежал им не в меньшей мере, чем участникам конференции. В конце концов, был достигнут компромисс: каждая коллаборация устроит семинар в день открытия конференции, сами семинары пройдут в Женеве, и одновременно будут транслироваться в Австралии.

Дабы у людей, не посвященных в детали, не оставалось сомнений в том, что ожидается оглашение невероятно важных новостей, была распространена информация о том, что ЦЕРН пригласил на семинар важных гостей. Питер Хиггс, которому тогда было 83 года, в этот момент находился на Сицилии и собирался лететь обратно в Эдинбург. Его страховка на период путешествия кончалась, кроме того, у него по понятным причинам в кошельке не было швейцарских франков. Но тем не менее он изменил свои планы после того, как ему передали телефонное сообщение от Джона Эллиса – выдающегося теоретика из ЦЕРНа и давнего фаната бозона Хиггса: «Скажите Питеру, что если он не приедет в ЦЕРН в среду, он потом очень пожалеет». Хиггс приехал, то же самое сделали Франсуа Энглер, Джеральд Гуральник и Карл Хаген – другие теоретики, первооткрыватели механизма Хиггса.

В декабре 2011 года я только что вернулся в Калифорнию и проспал все семинары, которые начинались в 5 часов утра по тихоокеанскому времени. Но в июле 2012 года мне удалось забронировать билет на рейс в Женеву, и я был в тот важный день в ЦЕРНе. Вместе с какими-то незнакомыми людьми я бегал от одного здания лаборатории к другому, пытаясь получить аккредитацию. В какой-то момент мне пришлось умасливать охранника, чтобы тот разрешил вернуться в здание, из которого я только что вышел, объяснив, что тороплюсь. Он спросил: «Почему сегодня все так спешат?»