Текст книги "В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса"
Автор книги: Иэн Сэмпл
сообщить о нарушении
Текущая страница: 14 (всего у книги 18 страниц)
Бозон Хиггса – хитрый зверь, его трудно поймать в ловушку. Частица так неустойчива, живет она всего в 10 -16секунды. Это означает, что, даже если эти бозоны появятся в LEP, они исчезнут в мгновение ока. Физики, специалисты по элементарным частицам, говорят, что частица Хиггса не умеет летать, то есть время ее жизни столь коротко, что нет никакой надежды увидеть ее саму в детекторе. Едва родившись, она сразу распадется на другие, менее интересные для физиков частицы, издав метафорическое шипение. Осложняющим фактором является то, что бозоны Хиггса скорее всего никогда не возникают поодиночке. По-видимому, они рождаются вместе с Z-частицами, которые, в свою очередь, распадаются на кучу других частиц. Чтобы найти бозон Хиггса, вы должны идентифицировать треки всех частиц, образованные ими в детекторе, а затем “отмотать пленку” назад и проверить, а не родилась ли какая-либо из этих частиц из неуловимого бозона Хиггса.
Дело это очень непростое. Другие частицы, рожденные в машине, могли подавать сигналы, похожие на сигналы от бозона Хиггса. Например, как только на ускорителе LEP была достигнута энергия 182 ГэВ, что произошло в конце 1997 года, в столкновениях уже выделялось достаточно энергии для рождения двух Z-частиц. Каждая из них может распадаться на два кварка, производя в сумме четыре частицы. Если вместе с Z-частицей родился бы бозон Хиггса, и та и другая частицы распались бы на кварки, и в обоих случаях картины треков были бы похожи.
Летом 1999 года большинство теоретиков считало, что масса бозона Хиггса находится где-то в интервале 100-250 ГэВ. При работе LEP в форсированном режиме ученые надеялись изучить всю эту область, кроме того, и в планы физиков входило увеличить мощность машины в 2000 году – последнем году работы ускорителя – до еще больших значений. Были и другие веские причины добиваться получения высоких энергий. Следующей машине ЦЕРНа – Большому адронному коллайдеру – будет трудно найти бозон Хиггса с массой меньше примерно 110 ГэВ 154154
Если масса бозона Хиггса меньше примерно 140 ГэВ, его будет трудно обнаружить на ШС, так как частицы с такой массой, скорее всего, будут распадаться на прелестный (bottom) кварк и антипрелестный кварк, а они рождаются в огромном количестве почти в каждом столкновении. Они просто замажут любой намек на увеличение количества кварков, созданных распадающимися частицами Хиггса.
[Закрыть] . В новой машине при столкновениях будет образовываться столько субатомных осколков, что почти невозможно увидеть следы, оставленные такой легкой частицей. В результате фирменная подпись частицы Хиггса скроется среди следов продуктов распада других, гораздо менее экзотичных частиц. Пока LEP еще работал, нужно было проверить весь диапазон энергий, в котором мог скрываться бозон Хиггса, не оставляя ни одной бреши. Принимался также во внимание фактор конкуренции. Чем шире интервал энергий, исследованных LEP, тем труднее было американскому коллайдеру “Теватрону” опередить его в охоте на бозон Хиггса. Ученые ЦЕРНа даже придумали лозунг: каждый дополнительный ГэВ, выжатый из LEP, означал дополнительный год поисков частиц Хиггса на “Теватроне”.
Первая крупная модификация LEP заключалась в изготовлении новой охлаждающей системы 155155
Для повышения производительности LEP в период между 1999 и 2000 годами были сделаны шесть основных усовершенствований. Для подробного объяснения сути каждого и их влияния на энергию пучка см.: P.Janot and М. Kado. Direct search for the Standard Model Higgs boson. Comptes Rendus Physique. Vol. 3 (2002). P. 1193.
[Закрыть] . В некоторых блоках ускорения пучков частиц стали использоваться сверхпроводники – материалы, которые весьма эффективны, если вы можете поддерживать низкую температуру и удерживать их в сверхпроводящем состоянии. В новой системе охлаждения блоки ускорителя погружались в дюары с жидким гелием, охлаждая их приблизительно до -269 градусов Цельсия. (В космическом пространстве температура не может опускаться ниже -273 градусов). Использование сверхпроводников позволило повысить энергию в пучках частиц примерно на 5 процентов.
Последовали и другие усовершенствования. Сняли с полки старые блоки ускорителя, которые в ЦЕРНе уже не использовались, встряхнули, смонтировали и задействовали снова: траектории частиц слегка подстроились, и тогда огромные магниты, используемые для фокусировки пучков частиц, придали им дополнительный толчок энергии. С каждой перестройкой Жано и его команда приближали машину все ближе и ближе к последнему рубежу. Некоторым ученым в ЦЕРНе казалось, будто они – герои сериала “Звездный путь” и летят на звездолете “Энтерпрайз”, а перепачканный маслом Скотти кричит из машинного отделения: “Из нее нельзя выжать больше!”
Когда все было сделано для перестройки ускорителя, команда решила максимально использовать машину, пока она не вырубится. В LEP ускорительные блоки запитывались СВЧ-генераторами, называемыми клистронами. (Клистрон вы можете найти и в вашей домашней микроволновой печи, но там он немного меньше.) В штатном режиме коллайдер работал с большим запасом прочности, и, например, если один клистрон выходил из строя, пара других была под рукой – чтобы обеспечить бесперебойную циркуляцию пучков частиц. Летом 2000 года машина работала уже без каких-либо запасных частей. При выходе из строя одного клистрона вся машина выключалась.
От Жано потребовались немалые усилия, чтобы убедить техников работать в таком неустойчивом режиме. Когда машина выключалась, требовалось время и большая работа, чтобы снова получить пучки и разогнать их. И даже тогда не было уверенности, что пучки, полученные после перезапуска, идентичны прежним. Это напрягало техников, а ученых заставляло нервничать – ведь в их распоряжении было всего несколько минут, чтобы получить как можно больше данных, пока пучки опять не исчезнут.
Тем летом LEP работал в течение двух недель, разгоняя пучки до энергий выше 208 ГэВ. Это время стало одним из наиболее напряженных периодов жизни машины. Клистроны отключались каждые пятнадцать минут, и требовалось по крайней мере полчаса, чтобы снова заполнить машину ускоряющимися частицами. Все уже были на пределе сил, а результатов все не было...
И тут Жано осенила вдохновляющая идея. Он быстро проделал расчеты, прошел в диспетчерскую и предложил операторам пари: если они смогут обеспечить два сеанса работы ускорителя подряд длительностью не менее сорока пяти минут, он тут же разденется догола. Так или иначе, ближайшие два сеанса работы длились пятьдесят одну минуту и час сорок соответственно 156156
Более подробный рассказ – в материалах ЦЕРНа: ‘The Aleph experience: 25 years of memories’, 2nd edition, January 2006.
[Закрыть] . “Как они это сделали? Ведь такое было просто невозможно!” – говорил потом Жано. Он прикинул вероятность этого события и получил, что она была почти нулевой! К облегчению персонала диспетчерской, Жано взял свое обещание назад и вместо сеанса стриптиза выставил операторам шампанское.
Коллайдер работал на пределе своих возможностей. С каждой переделкой он, казалось, становился все менее похожим на хорошо отлаженный, точный инструмент и все более – на непредсказуемое дикое животное. Неожиданно он издавал рык страшной силы, а потом через минуту останавливался, будто устав. Внизу в туннеле LEP под действием излучения, испускаемого пучками, некоторые узлы машины даже начали спекаться, приобретая желто-коричневый оттенок 157157
Большинство повреждений возникло у пластмассовой изоляции вокруг кабеля. (См.: Н. Schonbacher and М. Tavlet. Absorbed doses and radiation damage during the 11 years of LEP operation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. Vol. 217. Iss. 1, 2004. P. 77-96.)
[Закрыть] .
15 июня греческий физик Никое Константинидис вошел на внутренний сайт “Алефа” – одного из четырех больших детекторов коллайдера ЦЕРНа, – чтобы просмотреть последние результаты. Каждое утро детектор автоматически запускал компьютерную программу, которая обрабатывала столкновения предыдущего дня и выносила в отдельный список события, казавшиеся интересными. В то утро она обнаружила любопытное событие 158158
Этот первый намек на Хиггса был записан на детекторе “Алеф” 6 июня 2000 года как часть эксперимента LEP за номером 54698.
[Закрыть] . Константинидис решил его внимательно проанализировать. Итак, он увидел четыре отчетливых струи частиц, каждая из которых была порождена кварком, образовавшимся при столкновении. После еще нескольких проверок Константинидис определил, что два кварка образовались от распада частиц с массой около 91 ГэВ – это наверняка были Z-частицы. Два других кварка произошли от какой-то еще частицы с массой примерно 114 ГэВ – для Z-частицы она была слишком тяжелой. Константинидис показал результат своим коллегам. По их совету он провел еще несколько проверок. “Я смотрел на это событие, задавал себе вопросы, проверял. Так я провел полчаса, может быть, даже час. И чем больше я смотрел на данные, чем больше проверял, тем больше все это походило на рождение бозона Хиггса. И это было так красиво, так чудесно!” – рассказывал он.
В физике элементарных частиц успех приходит только к очень терпеливым людям. Детектор тогда действительно зарегистрировал нечто вроде последствий распада частицы Хиггса, но единичное мимолетное видение, каким бы прекрасным оно ни было, в физике не значит ничего. Вы должны регистрировать одно и то же событие снова и снова, чтобы убедиться, что это не случайность. Ведь в квантовом мире странные вещи случаются сплошь и рядом.
Правила объявления об открытиях в физике элементарных частиц таковы: перед тем как кричать “Эврика!”, бежать в лаборатории и хвастаться, вы должны быть абсолютно уверены, что ваша новая частица не есть проявление какого-то давно известного эффекта, который неожиданно возник и запутал результаты. Так когда вы можете быть абсолютно уверенными, что открытие произошло? А тогда, когда частица появляется регулярно и регистрируется четко и вероятность того, что это всего лишь флуктуация, менее единицы на несколько миллионов. Эту вероятность можно оценить, сравнивая события, которые вы зарегистрировали (сигнальные события), с большим количеством других, которые вы бы увидели, если бы частицы не существовали (фоном). Для определения степени уверенности в предполагаемом открытии физики используют статистическую величину, называемую статистической значимостью и обозначаемую греческой буквой σ. Если у вас есть отклонение сигнального события от фона, равное 3σ, вы можете заявить об “экспериментальном наблюдении” новой частицы, но квалифицировать открытие как настоящее можно только при значении σ не менее 5. Это значит, что вероятность ошибки менее одного на несколько миллионов. Не существует никаких реальных ограничений на величину σ сверху, любое ее увеличение означает повышение надежности результата.
В конце июня члены группы детектора “Алефа” собрались на обсуждение последних результатов. Константинидис с воодушевлением рассказал о событии, которое он увидел и проанализировал. Оно явно выделялось среди всех прочих столкновений. Событие случилось только один раз, но у слушателей появилась надежда – может быть, они наконец вышли на след бозона Хиггса?
Существует традиция секретности среди физиков, работающих на коллайдерах частиц. Каждая группа изучает свои собственные столкновения, проводит свой анализ и делает все возможное, чтобы сохранить свои открытия в тайне от других групп. Но в таких научных центрах, как ЦЕРН, слухи распространяются быстро. Прошло немного времени, и возбуждение, в котором пребывали все в команде “Алефа”, стало достоянием общественности. Патрик Жано выразил чувства многих ученых ЦЕРНа так: “Возникло ощущение, что мы наконец вознаграждены за многие годы ограничений и разочарований. Но если вы – ученый, вы знаете, что в науке правит статистика и результаты приходят и уходят. Вы говорите себе – спокойно, не теряем самообладания. Это наш шанс. Так давайте же используем его”.
Перед физиками “Алефа” встала сложная проблема. Единственное, что им было нужно, это время, а времени у них как раз и не было. Коллайдер LEP планировали закрыть в середине сентября, и оставалась только пара месяцев на то, чтобы еще раз попытаться увидеть сигналы, свидетельствующие о рождении бозона Хиггса.
В июле в ЦЕРНе прошло одно из регулярных заседаний Комитета по экспериментам на LEP, на котором ученые и инженеры, работающие на различных участках машины, обычно делали доклады о ходе работ и обсуждали всякие проблемы. Вдохновленные сигналом, полученным на “Алефе”, группы всех четырех детекторов призвали руководство продлить срок эксплуатации машины на две недели 159159
Протокол 55-го заседания Комитета по экспериментам на LEP от 20 июля 2000 года.
[Закрыть] . Церновское руководство согласилось и вставило в план двухнедельное продление сроков эксплуатации – по причине чрезвычайных обстоятельств. Коллайдер, сказали ученым, может работать до конца сентября. Закрытое заседание группы исследователей по обсуждению ситуации было назначено на начало сентября.
Церновская команда работала круглосуточно. Ученые опробовали новые методы обработки данных по столкновениям в надежде увеличить шансы обнаружить бозон Хиггса. Операторы обеспечивали работу машины на самом пределе ее возможностей.
На сентябрьском совещании генеральный директор ЦЕРНа Лучано Майани и директор по исследованиям Роджер Кэшмор провели переговоры с другими старшими менеджерами и учеными ЦЕРНа и обсудили состояние дел. С июня команда “Алефа” заметила еще два столкновения, которые были поразительно похожи на то, что Константинидис видел 15 июня. Их статистическая значимость была 3,9σ – значение неплохое и обнадеживающее, но не дотягивающее до того, чтобы претендовать на открытие. Вторая команда исследователей – на детекторе “Дельфи” – также выследила два столкновения, которые могли быть связаны с рождением частицы Хиггса, но они оказались менее надежными. Когда результаты событий, собранных со всех четырех детекторов, были тщательно проанализированы, статистическая значимость появления частицы Хиггса оказалась равной 2,7σ. По критериям, принятым у физиков, этого недостаточно, чтобы квалифицировать событие как доказательство существования частицы.
На волне возрастающего числа свидетельств рождения бозона Хиггса все четыре команды детекторов попросили руководителей ЦЕРНа отсрочить закрытие ускорителя 160160
См. протокол специального закрытого семинара Комитета LEP от 5 сентября 2000 года.
[Закрыть] . Официально LEP оставалось менее четырех недель до остановки, и ученые попросили продлить работу еще на два месяца, то есть выключить машину не раньше первой недели декабря 2000 года. За это время физики надеялись засечь еще несколько следов частиц Хиггса. После заседания Тициано Кампорези, глава команды детектора “Дельфи”, сказал: “Мы не хотим остаться в истории людьми, упустившими частицу Хиггса”. Другой физик из ЦЕРНа, Крис Талли, был полон оптимизма и даже воскликнул: “На горизонте уже появилась частица Хиггса!” 161161
Alison Abbott. Cern considers chasing up hints of Higgs boson. Nature. Vol. 407. 7 September 2000.
[Закрыть]
Руководство ЦЕРНа дало понять, что продлит работу LEP, только если есть действительно “хорошие шансы превращения предварительных экспериментальных наблюдений в безусловные открытия” 162162
См. протокол специального закрытого заседания семинара комитета LEP, ссылка приведена выше.
[Закрыть] . После долгого обсуждения решились на компромисс – предоставить отсрочку до 2 ноября 163163
См. протокол 148-го заседания исследовательского совета ЦЕРНа от 14 сентября 2000 года.
[Закрыть] . Работать дольше нецелесообразно, поскольку это приведет к задержке работ по монтажу Большого адронного коллайдера 164164
В протоколе 148-го заседания исследовательского совета ЦЕРНа от 14 сентября 2000 года говорится: “Продление работы LEP в 2001 году приведет к задержке запуска LHC на 18 месяцев и будет стоить около 100 миллионов швейцарских франков”.
[Закрыть] . Кроме того, полагали руководители ЦЕРНа, даже если бозон Хиггса и находился в доступной области энергий и машина работала бы до декабря, ученые вряд ли успели бы получить достаточное количество столкновений с участием частиц Хиггса для достижения статистической значимости 5σ, необходимой для объявления об открытии.
Слухи о том, что в ЦЕРНе открытие на подходе, распространились далеко за его пределы. И вот однажды, на расстоянии шести тысяч миль от Женевы, на острове Чеджу, недалеко от южной оконечности Корейского полуострова, группа ученых встретилась за ужином. Они приехали на конференцию Cosmo 2000, посвященную проблемам физики элементарных частиц и теориям происхождения Вселенной. Когда разговор зашел о физике, Горди Кейн, директор Мичиганского центра теоретической физики, упомянул, что в ЦЕРНе, возможно, нашли след частицы Хиггса. Обсуждение было прервано звуками, в которых все безошибочно узнали голос Стивена Хокинга, предлагающий Кейну пари. “Бозон Хиггса никогда не будет найден ни на LEP, ни на любом другом коллайдере частиц”, – сказал Хокинг. После такого категоричного заявления Кейн и Хокинг решили заключить пари на сто долларов.
Сомнения Хокинга в возможности найти бозон Хиггса основывались на работе, опубликованной им в 1995 году, в которой он предсказывал, что “виртуальные черные дыры” могут сделать невозможным наблюдение частиц Хиггса 165165
S. W. Hawking.Virtual black holes. arXiv: hep – th/95ioo29v, 16 October 1995. В резюме статьи Хокинг утверждает: “Эта потеря квантовой когерентности при низких энергиях очень мала для всего, кроме скалярного поля, что приводит к предположению, что мы никогда не увидим частицы Хиггса". (Некоторые из процитированных ниже статей можно найти на сайте препринтов ‘arXiv’ в онлайновом репозитарии академических статей по математике и физике. К примеру, чтобы найти статью Стивена Хокинга “Виртуальные черные дыры” (1995), нужно набрать ID статьи, то есть hep-th/95ioo29Vi в поисковой строке на сайте ( http://www.arxiv.og).)
[Закрыть] . Виртуальные черные дыры – любопытные теоретические объекты. Ученым известно, что пары частиц, таких как электроны и их двойники из антивещества – позитроны, – могут внезапно родиться в вакууме из-за квантовых флуктуаций энергии. Виртуальные черные дыры ведут себя аналогично, но их порождают пространственно-временные флуктуации. Как утверждает Хокинг, существование черных дыр длилось бы всего мгновение, но этого достаточно, чтобы замазать след бозона Хиггса.
Когда Питер Хиггс услышал о пари Хокинга, это не произвело на него особого впечатления. “Хокинг, – сказал он, – механически перенес в физику элементарных частиц идеи гравитации, но ни один физик-теоретик, работающий в области элементарных частиц, не поверит в эти рассуждения. Слова Хокинга звучат несколько самонадеянно, – продолжал Хиггс. – И вообще – я очень сомневаюсь, что его расчеты правильны”.
То, что поначалу выглядело как частные разногласия, некоторое время спустя переросло в публичные стычки 166166
Alastair Dalton. Clash of the atom-smashing academics. The Scotsman, 2 September 2002.
[Закрыть] . На обеде в Эдинбурге Хиггс высказался в неформальной манере о Хокинге, и его слова были услышаны репортером из газеты “Scotsman”. Хиггс сказал, что Хокинга трудно вовлечь в дискуссию и что известный космолог не столь открыт для общения, как другие физики. “Ему, в отличие от других, сходят с рук любые заявления. Его звездный статус обеспечивает ему кредит доверия, которого другие лишены”, – цитирует газета Хиггса. Комментарий от Хокинга последовал незамедлительно. Он сказал: “Я чрезвычайно удивлен эмоциональностью высказываний Хиггса. Очень хотелось бы надеяться, что научные проблемы можно обсуждать без личных выпадов”. Позднее размолвка ученых забылась, но их взгляды на вероятность обнаружить частицу Хиггса по-прежнему расходились.
В начале октября 2000 года в ЦЕРНе состоялось давно запланированное торжество по случаю окончания эпохи LEP. К сожалению, машина так и не подтвердила рождение новых частиц, но с ее помощью предельно точно были измерены массы W– и Z-частиц, а теория элементарных частиц – Стандартная модель – получила более твердое обоснование. Когда торжества начались, менеджеры ЦЕРНа провели еще одно закрытое заседание с участием небольшой группы ученых, чтобы узнать, как продвигается охота на бозон Хиггса. Ситуация за это время существенно не изменилась. Возможные следы частицы были зафиксированы лишь на детекторах “Алеф” и “Дельфи”, и общая статистическая значимость данных, полученных со всех четырех детекторов, в пересчитанном виде оказалась равной 2,5σ. Последнее продление работы ускорителя, которого ученые добились, дало им возможность увеличить статистическую значимость до 3σ , что было достаточно, по крайней мере, для объявления о получении “экспериментальных наблюдений” бозона Хиггса. Ученых попросили представить окончательные результаты их работы к 3 ноября.
У сотрудников ЦЕРНа были веские причины осторожно относиться к событиям, в которых, как они подозревали, был зарегистрирован след частицы Хиггса. Считалось, что во всех пяти событиях рождались бозон Хиггса и сопровождающая его Z-частица, и та и другая затем распадались на кварки. Хотя это самый вероятный сценарий рождения и распада бозона Хиггса, он не единственный. Как правило, вероятность такого сценария составляет 70 процентов. Примерно в 20 процентах случаев Z-частица распадается на нейтрино, которые проносятся через детекторы, не оставляя никаких следов. В остальных примерно 10 процентах случаев Z-частица распадается на электроны или их тяжелые двоюродные братья, называемые мюонами. Подозрение вызывало то, что ни один из этих альтернативных сценариев не реализовался в зарегистрированных на LEP событиях, а ведь они должны были наблюдаться в каждом третьем случае, связанном с рождением бозона Хиггса 167167
Для детального обсуждения различных каналов распада и вероятностей см. статью: P. Janot and М. Kado. Direct search for the Standard Model Higgs boson. Comptes Rendus Physique. Vol. 3 (2002). P. 1193.
[Закрыть] .
Несколько недель спустя в среду Росс Бербеко, физик с другого детектора LEP, называемого L3, засиделся в лаборатории. Он собирался сделать последнее усилие перед заключительным совещанием и обработать данные детектора, полученные в течение предыдущих двух недель. Часы на стене показывали полночь. “Я хотел скорей закончить работу, пойти домой, отдохнуть и позвонить наконец своей подружке”, – рассказывал он 168168
Выступление Росса Бербеко в передаче “Границы" на канале ВВС Radio-41 ноября 2000 года.
[Закрыть] . Когда всё было закончено, Бербеко, просматривая результаты, обратил внимание на событие, случившееся 16 октября примерно в 10 часов, в которое мог оказаться замешан бозон Хиггса. Здесь, похоже, сработал другой сценарий – реализовался второй по вероятности тип распада, при котором Z-частица распадается на нейтрино.
Число 0,9995, появившееся на экране, заставило Бербеко замереть. Оно вычислялось на компьютере детектора с помощью специальной программы и показывало, насколько столкновения, в которых появились данные осколки, похожи на те, что должны появиться при рождении бозона Хиггса. Число это могло лежать в интервале между 0 и 1, причем 1 – самый лучший результат. Бербеко провел несколько часов, скрупулезно анализируя данные. Он перепроверил свои расчеты, чтобы убедиться, что все сделал правильно. В четыре часа утра он решил, что пора идти поспать, но перед уходом послал письмо по электронной почте своему начальнику и предложил ему самому взглянуть на событие.
Вскоре по ЦЕРНу разлетелись слухи о том, что на L3, возможно, увидели бозон Хиггса. Три обстоятельства сделали это событие столь важным. Во-первых, расчеты показали, что если бы это был бозон Хиггса, то он имел бы примерно ту же массу, что и кандидаты в частицы, зарегистрированные детектором “Алеф”. Во-вторых, это могло быть тем самым независимым подтверждением, полученным на другом детекторе, которое развеяло бы любые подозрения в том, что сигналы с “Алефа” связаны со сбоем оборудования. В-третьих, картина события с участием бозона Хиггса на L3 отличалась от той, что была получена на “Алефе”. Все эти обстоятельства свидетельствовали: увиденное событие – именно то, какое следовало бы ожидать, если частица Хиггса действительно существует.
Коллайдеру оставалось работать всего несколько дней, и ученые и инженеры чувствовали, что частицы Хиггса ускользают, почти касаясь кончиков их пальцев. Операторы машин и команды детекторов судорожно готовили весомые аргументы в попытке убедить руководство позволить машине поработать еще, и притом не недели, а месяцы. Они хотели использовать машину все зимние каникулы и гонять ее на еще более высоких энергиях в течение шести месяцев в 2001 году. После реконструкции старых ускоряющих резонаторов они могли бы выжать из LEP более 208 ГэВ, несмотря на то что туннель уже содрогался от начавшихся инженерных работ по постройке преемника LEP, Большого адронного коллайдера. Если бы план осуществился и масса бозона Хиггса оказалась бы равной примерно 115 ГэВ, как это следовало из последних экспериментов, ученые получили бы хороший шанс увеличить статистическую значимость обобщенного сигнала от рождения бозона Хиггса с 2,9σ до 5,3σ, что сделало бы открытие бесспорным.
Физики разработали соответствующие предложения для руководителей ЦЕРНа, а те их подробно изучили вместе с Комитетом по экспериментам LEP. Согласно статистике шансы того, что события, в которых участвовали предполагаемые бозоны Хиггса, – просто случайные флуктуации, ничего общего с этими частицами не имеющие, составляли лишь 0,2 процента. Тем не менее комитет занял осторожную позицию. Он решил, что шансов на то, что бозон Хиггса спрятался на энергиях 115 ГэВ, не больше чем пятьдесят на пятьдесят. Еще больше усложняло ситуацию то, что, если частицы Хиггса оказались бы чуть тяжелее – например, их масса равна 116 ГэВ, – ученые вряд ли смогли бы однозначно интерпретировать результаты, даже если эксперименты продлятся и в 2001 году. В протоколе появилась осторожная запись: “Если LEP продолжит работу в 2001 году, имеются хорошие шансы на открытие частиц Хиггса”, но этот оптимизм не был безусловным 169169
См. протокол 56-го заседании Комитета по экспериментам LEP от 3 ноября 2000 года.
[Закрыть] . В протоколе совещания следует продолжение: “Даже если зарегистрированные события связаны с появлением частицы Хиггса, существует примерно 20-процентная вероятность того, что его масса слишком велика и продление работы ускорителя на один год не позволит однозначно определить, есть ли там бозон Хиггса или нет”. Ученые долго и упорно обсуждали, что делать. Частица Хиггса, казалось, совсем рядом, и свидетельств ее существования прибывало с каждой неделей. Немедленное закрытие ускорителя означало переход инициативы к американскому ускорителю “Теватрону” по крайней мере на пять лет. С другой стороны, продление работы LEP на 2001 год скорее всего привело бы к задержке с запуском Большого адронного коллайдера, значительно более продвинутой машины, с которой связывались все надежды лаборатории. Хотя многие ученые настаивали на том, чтобы ЦЕРН еще в течение шести месяцев не выключал LEP, Комитет по экспериментам так и не смог достичь формального консенсуса в этом вопросе.
В тот день сотни ученых ЦЕРНа набились в главную аудиторию центра, чтобы послушать открытую дискуссию по последним достижениям в охоте на бозон Хиггса. Питер Иго-Кеменес, физик из Гейдельбергского университета и член хиггсовской рабочей группы ЦЕРНа, рассказал аудитории про обнаруженные свидетельства рождения бозона Хиггса с массой 115 ГэВ. Перейдя к заключительному слайду, он остановился, повернулся к аудитории и воскликнул: “Это поистине захватывающая история!” Аудитория разразилась овациями, и эти аплодисменты предназначались всем ученым и инженерам, которые так много сделали в последние дни работы ускорителя. Иго-Кеменес закончил свой доклад слайдом, на котором были представлены доводы в пользу продления сроков работы коллайдера на 2001 год, и добавил: “Результаты четырех экспериментов показали, что поиск бозона Хиггса в рамках Стандартной модели должен быть самым высоким приоритетом, и ЦЕРН не имеет права упустить уникальную возможность совершить открытие”. Затем докладчик перешел к ответам на вопросы.
За день до этого доклада Патрик Жано работал в своем кабинете. Вдруг зазвонил телефон. Это был некий научный сотрудник, друживший с генеральным директором – Лучано Майани. “Поздравляю. Патрик, вы выиграли, – сказал он. – Еще один год. Майани так решил”. То была неофициальная информация, но Жано поверил и пришел в восторг. Он лоббировал продление работы LEP упорнее, чем все остальные. На следующий день Жано зашел в аудиторию ЦЕРНа на доклад Иго-Кеменеса, чтобы посмотреть, там ли Майани. Жано очень хотелось присутствовать при оглашении долгожданного решения. Однако когда начались прения, Майани вместо объявления о продлении работы ускорителя стал с пристрастием допрашивать докладчика о том, что именно наблюдали на детекторе L3. И так ничего и не сказал о продлении на год работы LEP.
Вскоре после окончания доклада Жано еще раз позвонил тот же ученый. Майани сделал разворот на 180 градусов, сказал он. За ночь его точка зрения на продление работы LEP на 2001 год изменилась на противоположную. Жано был обескуражен. “Мой восторг быстро сменился страшным разочарованием. Это был невероятно трудный момент в моей жизни. На восстановление у меня ушел целый год. Целый год мне чего-то не хватало – видимо, того, над чем я так напряженно работал. Ведь, возможно, я нашел частицы, имеющие первостепенное значение для физики, но услышал: “Нет, это уже тебя не касается”. В интервью “New York Times” Жано тогда сказал: “Когда есть шанс оставить след в истории человечества, его, этот шанс, упускать нельзя. И сейчас он в наших руках” 170170
“New York Times”, 4 ноября 2000 года.
[Закрыть] .
По мнению ряда ученых ЦЕРНа, Майани изменил свое решение после серии бесед один на один со старшими научными сотрудниками центра. Он обсуждал с каждым из них по очереди полученные доказательства рождения частицы Хиггса. В ночь перед докладом Питера Иго-Кеменеса, когда все остальные разошлись по домам, некий физик, работавший на одном из детекторов, вернулся, чтобы сказать Майани, что его ввели в заблуждение относительно события на детекторе L3. Это вовсе не сигнал, свидетельствующий о рождении частицы Хиггса, а пустышка.
Сигнал на детекторе L3 формировала Z-частица, которая рождалась одновременно с бозоном Хиггса и распадалась на два нейтрино. Вы не видите нейтрино, потому что они пролетают, не взаимодействуя ни с чем, сквозь детектор, но вы можете ощутить их присутствие по “недостающей энергии”, которую они уносят с собой и которая регистрируется детектором. Этот процесс чрезвычайно трудно отличить от других процессов, где частицы распадаются с образованием высокоэнергетичных фотонов, называемых гамма-квантами.
Майани рассчитал ожидаемый фон для сигнала от бозона Хиггса на детекторе L3, создаваемый всеми другими частицами, которые могут дать ложный сигнал. Результат, показывающий вероятность появления ложного сигнала, сказал он мне, заставил его “выругаться как сапожник”, потому что вероятность эта оказалась очень мала, то есть сигнал от бозона Хиггса “должен сильно выделяться. Это заставило меня задуматься, не оседлали ли мы уже Хиггса. Мы обсуждали это снова и снова, – рассказывал он, – но в конце концов я убедился, что у них на L3 бесспорных доказательств рождения Хиггса не получено”. Майани чувствовал, что давление, оказываемое на него учеными, было во многом продиктовано хорошо понятным научным азартом.
Через несколько дней после того, как Иго-Кеменес выступил с докладом в набитой научным людом аудитории ЦЕРНа, ведущие сотрудники центра собрались, чтобы окончательно решить судьбу старого ускорителя. Встреча состоялась на верхнем этаже главного здания ЦЕРНа. Многие рядовые ученые видели в этом заседании свою последнюю надежду. Собравшись в другом здании – через одно от главного, – они смотрели на окна корпуса, где заседали их руководители. В кампусе темнело, заседание затягивалось. “Мы ждали, когда погаснет свет, – это был бы сигнал, что решение уже принято”, – рассказывал один из участников тех событий. Свет горел до полуночи.
Участников совещания больше всего беспокоило то, какое воздействие окажет еще один год работы LEP на сроки ввода в строй Большого адронного коллайдера. Лин Эванс, возглавлявший проект LHC, сказал, что в этом случае график запуска, вероятно, придется изменить. Машина могла быть запущена вовремя и заработать в конце 2006 года, но... при удачном раскладе. Скорее всего, первых столкновений с выделением высокой энергии придется ждать до 2007 года. Было подсчитано, что стоимость работы LEP в течение еще одного года обошлись бы в 120 миллионов швейцарских франков.
Денежные потери не ограничивались только затратами на работу LEP в дополнительное время. При сдвиге в графике строительства LHC ЦЕРН нарушил бы контракт с инженерными фирмами, которые уже начали производить компоненты для нового коллайдера. “Было ясно, что эти компании вчинят нам иск, – рассказывал мне Майани. – Мы должны были бы заплатить их рабочим за то, что они ничего не делали в течение года”.
Следующий вопрос, который обсудил исследовательский совет, – сможет ли американский коллайдер “Теватрон” в лаборатории Ферми открыть частицы Хиггса раньше ЦЕРНа, если LEP закроется. Трудно было с уверенностью что-то утверждать, но менеджеры ЦЕРНа думали, что вряд ли “Теватрон” поймает бозон Хиггса до 2007 года, а к этому времени в ЦЕРНе уже должны были смонтировать и запустить БАК. Но все-таки некоторый шанс, что на американском коллайдере найдут доказательства существования бозона Хиггса до того, как новая машина в ЦЕРНе заработает на полную мощность, был.
