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

8 мая коллаборация ATLAS опубликовала официальный отчет. Дальнейший анализ 132 обратных пикобарнов данных за 2010 и 2011 годы действительно ничего не дал; двухфотонный канал распределения массы не показал избытка событий. В своем блоге Баттерворт позднее объяснил, что нулевой результат не должен удивлять: даже Стандартная модель предсказывала, что еще не на что смотреть, но «более-менее скоро» чего-то можно ожидать. «Поэтому не теряйте интереса к двухфотонному спектру масс, – написал он, – но подождите открывать шампанское, пока данные не подтвердятся»[163].

Казалось, ждать уже недолго. В полночь 22 апреля БАК установил новый мировой рекорд мгновенной светимости 4,67 × 1032 см–2 с–1, или 467 обратных микробарнов (467 миллионных барна) в секунду. В тот вечер дежурным инженером была Лоретт Понс, которая бывала в ЦЕРНе еще ребенком и поступила в лабораторию в 1999 году для работы над докторской диссертацией. «Мне и не снилось, что однажды именно я буду нажимать кнопку пуска Большого адронного коллайдера», – сказала она[164].

Поскольку дело было в полночь, в центре управления находилось совсем немного очевидцев этого момента. Понс закричала, бросилась в пляс и замахала руками, как ребенок.

Такое резкое увеличение светимости произошло за счет инжекции все большего и большего количества протонных сгустков из ПСС в каждый летящий по коллайдеру пучок. 3 мая пиковая светимость увеличилась еще больше – до 880 обратных микробарнов в секунду, 768 сгустков на пучок. В конце мая была зарегистрирована пиковая светимость 1260 обратных микробарнов в секунду.

Чтобы было понятнее, поперечное сечение неупругих протон-протонных столкновений на энергии 7 ТэВ составляет около 60 миллибарнов, то есть 0,06 барна. Таким образом, мгновенная светимость 1260 обратных микробарнов в секунду означает 1260 × 106 × 0,06 = более 75 миллионов столкновений в секунду. Если взять сечение для получения бозона Хиггса на 7 ТэВ в размере 9 пикобарнов[165], то эта мгновенная светимость означает 1260 × 106 × 9 × 10–12 = 0,011 бозона Хиггса в секунду, или 1 бозон Хиггса в среднем каждые 90 секунд.

Шум, поднявшийся из-за утечки, вызвал интерес к процессу, который может привести к объявлению официального результата. Джеймс Гиллис, директор ЦЕРНа по связям с общественностью, объяснил изданию New Scientist, что любой результат сначала будет обсуждаться и согласовываться в самой коллаборации (ATLAS или CMS), которая его получила, прежде чем о нем сообщат генеральному директору ЦЕРНа. Затем результат передадут второй коллаборации, чтобы она его подтвердила или опровергла. Потом будут извещены руководители других лабораторий и представители стран, финансирующих работу ЦЕРНа. После этого в ЦЕРНе состоится семинар, на котором и будет оглашен результат. К тому времени о нем будут знать уже многие тысячи людей. Утечка представлялась не просто весьма возможной, а практически неизбежной.

Так где плотину прорвет в следующий раз?

К 17 июня БАК успел собрать 1 обратный фемтобарн данных по каждой из коллабораций – а ведь эту цель ставили на весь 2011 год. «Вряд ли наши цели были заниженными, – пояснил Хойер, выступая перед сотрудниками, что он делал раз в полгода. – Думаю, мы установили реальные, но не слишком оптимистичные цели. И за себя, прирожденного оптимиста, должен сказать, что машина работала лучше, чем мы ожидали»[166].

Однако Линдон Эванс не слишком удивился. «БАК работает гораздо лучше, чем ожидали все, кроме меня, – заявил он. – Я очень доволен»[167]. Эванс пришел в ЦЕРН в 1969 году и участвовал в проекте БАК с самого начала, еще с совещания в Лозанне в 1984 году. С 1993 года он возглавлял проект. Проделанный путь был весьма волнующим.

Когда обе коллаборации ATLAS и CMS получили такое количество данных, ожидания возросли, как никогда. Данных должно было хватить, чтобы свидетельствовать о бозоне Хиггса в диапазоне масс 135–475 ГэВ с уровнем достоверности 3 сигмы. Либо их должно было хватить, чтобы со 100-процентной уверенностью исключить его из диапазона 120–530 ГэВ. Если говорить о планах до конца 2012 года, казалось, что вопрос решится так или иначе.

«По-моему, ответ на шекспировский вопрос о бозоне Хиггса – быть или не быть – будет получен в конце следующего года», – сказал Хойер[168].

После этого всеобщее внимание обратилось к назначенной на 21 июля конференции по физике высоких энергий, которое проводило в Гренобле Европейское физическое общество.

На конференции ЕФО коллаборации ATLAS и CMS впервые получили возможность поделиться результатами анализа более чем 1 обратного фемтобарна данных. То, что коллаборации смогли представить их буквально за несколько недель после того, как собрали данные, свидетельствовало об упорном и ревностном труде сотен физиков, которые без устали – и почти без сна – работали над анализом.

Стало понятно, что бозон (или бозоны) Хиггса – если таковой существует – не будет «найден» как таковой. Вместо этого из исследований устранят диапазоны масс бозона, ограничивая поиск все более узкими диапазонами, пока наконец у бозона Хиггса не останется мест, где он мог бы прятаться.

Итак, коллаборация ATLAS могла с 95-процентной уверенностью исключить существование бозона Хиггса Стандартной модели с массой 155–190 ГэВ и 295–450 ГэВ. Сам по себе это уже был серьезный результат. Тот факт, что в таком широком диапазоне энергий ничего не нашлось, оставил лисе несколько гипотетических курятников; большинство из них относилось к физике вне Стандартной модели.

Но это еще не все. Данные эксперимента ATLAS также показали избыток событий над ожидаемым фоном между 120 и 145 ГэВ. Причины могли быть разные, например ошибки в анализе, фоновые флуктуации в событиях, которые не были должным образом спрогнозированы или рассчитаны, или системные неопределенности детектора. Либо это мог быть первый признак того, что нечто вроде бозона Хиггса Стандартной модели или, может быть, даже многих бозонов Хиггса прячется в этом диапазоне.