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

За первые несколько месяцев 2010 года пучки протонов, летящие по двум кольцам БАКа в противоположных направлениях, разогнались до 3,5 ТэВ, а после этого столкнулись лоб в лоб. Первые столкновения на 7 ТэВ были зарегистрированы 30 марта. Эта энергия столкновения сохранялась при постепенном увеличении интенсивности и светимости пучков. Детекторы ATLAS и CMS зарегистрировали события, которые можно было отнести на счет очень многих старых знакомцев, поскольку весь сонм частиц Стандартной модели, открытых за шестьдесят с лишним лет, был обнаружен всего за несколько месяцев. Среди них были нейтральный пион, впервые открытый в 1950 году, эта-, ро– и фи-мезоны (образованные разными комбинациями верхних, нижних и странных кварков), J/ψ-мезон, Y-мезона и W– и Z-бозоны (см. рис. 26). В июле физики собирали новые данные об истинном кварке.

μ+μ— масса (ГэВ/с2)

Рис. 26

В 2010 году, в первые несколько месяцев работы на энергии 7 ТэВ, коллаборации ATLAS и CMS зарегистрировали события – кандидаты на весь спектр известных частиц Стандартной модели. На графике коллаборации CMS показаны данные для J/ψ-мезона, ипсилона (Y-мезона, образованного прелестным кварком и его антикварком) и Z0-частицы, обнаруженные в результате образования мюон-антимюонных пар с разной энергией.

Источник: © copyright CERN, в интересах коллаборации CMS

8 июля 2010 года итальянский физик Томмазо Дориго написал у себя в блоге, что, по слухам, Тэватрон нашел свидетельство легкого бозона Хиггса. Слух быстро распространился по всему Интернету и попал в новости. Его почти сразу же опроверг Фермилаб в своем твиттере, пренебрежительно отозвавшись о «сплетнях, которые распространяют блогеры, ищущие славы»[151]. Потом Дориго пытался оправдаться тем, что «лучше намеками на возможные открытия держать физику элементарных частиц в новостях, которые потом утихнут, чем делать громкие и четкие заявления раз в десять лет, когда действительно случается прорыв, и молчать все остальное время»[152].

Правда или нет, но слухи были весьма показательны для соперничества между Фермилабом и ЦЕРНом, которое все усиливалось, и общего чувства, будто что-то вскоре может быть открыто. Ледерман уже раньше признавался, что возможное заявление ЦЕРНа о каком-то будущем открытии вызовет у него смешанные чувства: «Примерно как если бы теща упала в пропасть на твоем БМВ», – сказал он[153].

Дориго в блоге ссылался на слухи о данных с уровнем статистической достоверности 3 сигмы[154]. Данные с уровнем достоверности 3 сигмы соответствуют 99,7-процентной уверенности – иными словами, вероятность, что данные ошибочны, составляет 0,3 процента. Хотя такой уровень достоверности кажется очень убедительным, все же, чтобы физики могли уверенно объявить об «открытии», им требуются 5 сигм, или уровень достоверности 99,9999 процента.

Считалось, что такие типы столкновений, которые могли привести к образованию и распаду бозона Хиггса, случаются очень редко и, чтобы собрать достаточно данных для 5 сигм, потребовалось бы очень много событий-кандидатов. Поэтому ключевое значение приобретала светимость[155] пучка частиц. Чем выше светимость, тем больше количество столкновений за определенный промежуток времени и тем больше количество потенциальных кандидатов. Фактически интегральная светимость (сумма светимости за некоторое время) непосредственно связана с количеством столкновений-кандидатов.

Интегральная светимость измеряется в довольно непонятных единицах, которые называют обратными барнами. Интенсивность ядерных реакций характеризуется такой величиной, как эффективное поперечное сечение, выражаемое в квадратных сантиметрах. Можно считать, что сечение – это площадь гипотетического двухмерного «окна», в котором происходит реакция. Чем больше окно, тем более вероятна реакция. Чем более вероятна реакция, тем быстрее она произойдет. Измеренные сечения имеют размеры атомного порядка, обычно это некое число, умноженное на 10–24 см2. Сечение реакций с атомами урана оказалось таким большим, что один физик из Манхэттенского проекта саркастически заметил, что оно «размером с амбар»[156]. Так амбар, или барн, стал единицей измерения. Поперечное сечение, выраженное в виде некоего числа, умноженного на 10–24 см2, стали выражать этим числом в барнах. Пикобарн равен одной триллионной (10–12) барна, или 10–36 см2. Фемтобарн равен одной квадриллионной (10–15) барна, или 10–39 см2.

На заседании ЦЕРНа во французском городе Эвиан 8 декабря 2010 года Джанотти коротко обрисовала перспективы обнаружения бозона Хиггса и характер гонки между БАКом и Тэватроном. Исходя из простой статистики, даже при интегральной светимости до 10 обратных фемтобарнов (10 раз по 1015 обратных барнов, или 1040 см–2) до конца 2011 года, Тэватрон в поиске бозона Хиггса может добиться уверенности максимум в 3 сигмы в отдельных диапазонах энергии. Более мощный БАК в принципе способен генерировать данные с уровнем достоверности 3 сигмы в диапазоне 1–5 обратных фемтобарнов, в зависимости от массы хиггса.

17 января 2011 года Департамент энергетики США объявил, что не будет финансировать расширение программы Тэватрона после 2011 года. Это решение не означало конец гонки за бозоном Хиггса, но оно стало признанием того, что отныне не Фермилаб, а ЦЕРН будет находиться на переднем крае физики высоких энергий.

Первоначальный план выполнения работ для БАКа учитывал длительную остановку в 2012 году, необходимую для модернизации, которая позволит довести расчетную энергию столкновений протонного пучка до 14 ТэВ[157]. Но бозон Хиггса был уже так мучительно близок, что в январе 2011 года руководители ЦЕРНа согласились отложить закрытие и продолжить работы на БАКе с энергией 7 ТэВ до декабря 2012 года. Потенциальное повышение энергии столкновений до 8 ТэВ сочли слишком рискованным. Вместо этого было решено увеличить светимость пучка.