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

Последней открытой элементарной частицей Стандартной модели до бозона Хиггса был истинный кварк, обнаруженный в лаборатории Ферми на Теватроне в 1995 году. Это произошло примерно в то же время, когда впервые возникло такое понятие, как «блог». Напомним, что слово «интернет-журнал» было придумано в 1997 году. Тогда же, в 1995 году, не было таких понятий, как Facebook и Twitter, а MySpace – ресурс, давно уже считающийся устаревшим, появился только в 2003 году. Физики, работающие на Теватроне, могли посплетничать с другими физиками по поводу особо интересных событий, но вероятность того, что о важном открытии будет объявлено преждевременно, была мала.

С тех пор все изменилось. При нынешней легкости общения в Интернете любой желающий может распространять новости по всему миру, а мы помним, что обе коллаборации ATLAS и CMS включают в себя более 3000 членов каждая. Лидеры групп пытаются держать ситуацию под контролем, но, несмотря на это, вероятность, что кто-нибудь из сотрудников проболтается о крупном открытии, прямо скажем, велика.

Признаться, я являюсь восторженным поклонником блогов, хотя и стараюсь не распространять слухи, которые люди хотели бы удержать в секрете. Я начал вести свой блог еще в 2004 году на личном сайте под названием Preposterous Universe, а в 2005 году стал писать свои тексты в групповом блоге Cosmic Variance, который теперь можно читать на сайте журнала Discover. Самое замечательное в блогах – это то, что их можно использовать для любых целей по выбору автора, и множество людей в полной мере пользуется этой свободой. Только в пределах крошечного сегмента блогов, ведущихся учеными и научными писателями, вы встретите совершенно разные тексты – от неофициальных до строго научных и математических, от новостей до сатиры и внутренних сплетен. Наша цель ведения блога Cosmic Variance – поделиться интересными идеями и открытиями в области науки с широким кругом читателей, в то же время позволяя себе поразмышлять на темы, возбуждающие наше воображение. Некоторые из наших самых популярных постов были посвящены БАКу, а во время его запуска в 2008 году и семинара 2012 года группа блогеров даже вела блог в реальном времени.

Одним из моих коллег-блогеров является Джон Конвей – профессор физики в Университете Калифорнии в Дэвисе и по совместительству физик-экспериментатор, работающий на CMS. (Джоан Хьюэтт – тоже активный блогер). Самый первый блог Конвея назывался «Охота за шишками» – это был поучительный рассказ о физике элементарных частиц, о том, как полученные данные могут удивить нас и как трудно порой отличить открытие, которое перевернет мир, от обычной статистической флуктуации.

В частности, Конвей рассказал про свое участие в поисках бозона Хиггса в лаборатории Ферми (БАК тогда еще не был запущен). Тогда он анализировал данные по своему любимому каналу распада – тому, в котором рождается тау-лептон. Конвей с коллегами уже сделали слепой анализ данных эксперимента CDF на Теватроне, и наконец наступил момент, когда вот-вот откроют «окно» и обнаружат то, что там скрывается. И… действительно там что-то было! Небольшое, но очевидное увеличение вероятности рождения двух тау-лептонов – событие, которое могло быть объяснено распадом бозона Хиггса с массой 160 Гэв. Статистическая значимость этой выпуклости была всего 2,5σ, но и она заслуживала внимания. Большинство небольших выпуклостей со временем исчезает, но каждое настоящее открытие начинается с обнаружения небольшой шишки, так что у любого в такой ситуации, естественно, перехватило бы дыхание. Как вспоминал Конвей, у всех буквально «волосы встали дыбом на голове».

В следующем блоге Конвей рассказал о повторном анализе и о том, что узнал только позже: его коллеги из дружественной коллаборации D Zero в том же Фермилабе увидели недостаток событий там, где CDF наблюдал их избыток. И надежды на то, что в этой области скрывается новая частица, стали таять – более поздние данные не подтвердили этого наблюдения. Но эта история была наглядным примером того, что жизнь ученого-экспериментатора по остроте ощущений и накалу страстей иногда напоминает езду по американским горкам.

К сожалению, не все читатели первого блога прочитали его правильно. У многих из них сложилось впечатление, что Фермилаб фактически уже обнаружил бозон Хиггса или что-то вроде него, а Конвей решил рассказать об этой новости в нашем скромном блоге, а не писать научную статью или, например, проводить пресс-конференцию. И это неправильное впечатление создалось не только у чрезмерно восторженных комментаторов нашего сайта – несколько журналистов обратили внимание на значимость возможного события и опубликовали статьи в The Economist, New Scientist и других изданиях. Так физики получили еще один полезный урок. Люди очень хотят узнать все подробности поисков бозона Хиггса, и нужно быть предельно аккуратным, рассказывая о научных результатах, дабы не создавать ненужных иллюзий.

Искать новую физику можно не только на гигантских ускорителях частиц. Например, интересный эксперимент проводится в рамках итальянской PAMELA (Программа по астрофизике легких ядер и исследованию антивещества). Аппарат PAMELA размещен на российском (невоенном) спутнике, вращающемся на низкой околоземной орбите. Одна из его основных задач – поиск частиц антиматерии в космических лучах, в первую очередь позитронов и антипротонов. В космических лучах всегда присутствует определенное количество частиц антивещества – во Вселенной некоторые процессы идут при высоких энергиях, и иногда рождаются античастицы ровно так же как на БАКе. Но PAMELA регистрирует значительно больше позитронов, чем ожидалось, что вызывает удивление. Это может быть свидетельством каких-то неизвестных нам сейчас астрофизических процессов, например новых явлений в оболочках нейтронных звезд, или же признаком существования физики за пределами Стандартной модели, например аннигиляции частиц темной материи с образованием избытка позитронов. Ученые проверяют различные возможности, хотя с течением времени астрофизический вариант кажется более вероятным.

Еще более интересно, пожалуй, то, как произошла утечка информации об этом интригующем результате PAMELA. Часто бывает, что коллаборация получает предварительные результаты, не совсем еще готовые к опубликованию, но достаточно надежные, чтобы продемонстрировать их коллегам в докладе на конференции. Как раз такая ситуация в сентябре 2008 года была с результатами PAMELA, доложенными на Международной конференции по физике высоких энергий в Филадельфии. Докладчик от коллаборации PAMELA Мирко Боэзи лишь на мгновение задержался на слайде, на котором был виден избыток позитронов, но и мгновения хватило. Молодой теоретик по имени Марко Сирелли, сидевший в аудитории, быстро сфотографировал картинку. Вернувшись домой, он в соавторстве с коллегой Алессандро Струмиа написал статью, предложив новую модель темной материи, которая могла бы объяснить избыток позитронов, и отправил ее на сайт с архивом публикаций по точным наукам http://arxiv.org, откуда она моментально разошлась по всему миру. В этой работе Боэзи и Струмиа привели рисунки, на которых сравнивали теоретические предсказания своей модели с данными, взятыми со слайда, показанного в докладе на конференции, снабдив их примечанием: «В соответствии с требованиями законодательства в области публикаций, сообщаем, что предварительные экспериментальные данные для потоков позитронов и антипротонов, изображенные на наших рисунках, взяты с фотографии слайда, сделанной во время доклада».