Текст книги "В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса"
Автор книги: Иэн Сэмпл
сообщить о нарушении
Текущая страница: 15 (всего у книги 18 страниц)
Дискуссия, в ходе которой подробно обсуждались все плюсы и минусы продления работы LEP, превратила заседание в марафон. Бозоны Хиггса были важным трофеем для ЦЕРНа – и, вероятно, принесли бы Нобелевскую премию, а доказательства существования частицы множились, и казалось, ее масса действительно лежит в достижимой для LEP области. Отключение LEP оставляло проблему открытой, и трофей мог достаться ученым с “Теватрона”. Однако многие полагали, что доказательства существования бозона Хиггса не столь весомы, чтобы срывать график запуска БАКа, а цена отсрочки слишком велика. Некоторые участники совещания напоминали, что сам Комитет по экспериментам не смог достичь консенсуса по вопросу о целесообразности продления работы старой машины. К концу заседания участники разошлись во мнениях – они так и не смогли выработать четкие рекомендации для генерального директора 171171
Протокол 149-го заседания исследовательского совета ЦЕРНа от 7 ноября 2000 года гласит: “После долгих и трудных обсуждений, в которых были учтены докладные записки от всех коллабораций ЦЕРНа, члены исследовательского совета решили, что не могут согласиться с рекомендациями генерального директора”.
[Закрыть] .
Патрик Жано уже начал собирать подписи ученых ЦЕРНа под ходатайством в надежде убедить руководство отменить решение о закрытии ускорителя. В ходе кампании кто-то из сотрудников послал ему неофициальный график ввода в строй Большого адронного коллайдера. Из него вроде бы следовало, что БАК уже столкнулся с задержками, и, таким образом, функционирование LEP в 2001 году не оказало бы почти никакого влияния на график запуска нового ускорителя. Когда Жано разместил график на своем сайте, ему позвонил кто-то из начальства. “Они велели мне немедленно удалить его с сайта, или я буду уволен”, – рассказал Жано. Майани признал, что уполномочен следить за планом запуска установки, но сказал, что из графика ясно – попытка смонтировать LHC в более сжатые сроки обречена на неудачу 172172
См. примечания конфиденциального совещания Европейского комитета по ускорителям будущего, состоявшегося в DESY, Германия, 30 ноября 2000 года.
[Закрыть] .
На следующий день после заседания ведущих ученых в ЦЕРНе был выпущен пресс-релиз, и сотрудники центра остолбенели, услышав, что LEP отключен окончательно 173173
Пресс-релиз ЦЕРНа от 8 ноября 2000 года.
[Закрыть] . Поскольку Майани не получил прямых рекомендаций ни от одного из научных комитетов, с которыми он консультировался, был реализован прежний план: демонтировать LEP и очистить дорогу Большому адронному коллайдеру. Майани перерубил гордиев узел. Сотрудникам не верилось, что они узнают такие важные новости из пресс-релиза. Ассоциация работавших в ЦЕРНе, которая объединяла более двух третей персонала, заявила прямо: “Такие решения не могут приниматься генеральным директором тайно. Видимо, он перестал считать, что нужно прислушиваться к мнению всего научного сообщества” 174174
CERN split over collider closure. Physics World, 1 December 2000.
[Закрыть] . Сила эмоций была столь велика, что это могло повлечь раскол в сообществе физиков, работающих в области элементарных частиц.
Оптимисты ЦЕРНа увидели еще один – последний – шанс на отсрочку, поскольку в пресс-релизе было сказано, что администрация ЦЕРНа не начнет демонтаж LEP, пока не будет получено согласие государств – членов ЦЕРНа. Официальная встреча их представителей ожидалась в одну из пятниц в течение следующих двух недель. Утечки информации о происходящем на совещании начались с первых минут регистрации делегатов. Дитер Шлаттер, руководитель команды “Алеф”, в мейле, посланном членам своей группы, написал: “Печальная новость состоит в том, что демонтаж LEP начнется в понедельник. У меня еще нет официального подтверждения, но от одного из членов комитета совета мы узнали, что, как это стало обычным на последних собраниях комитетов, консенсусное решение не найдено ни по одному вопросу. Таким образом, решение генерального директора по демонтажу остается в силе”. Он закончил письмо словами: “Хотя мечты сбываются не часто, мечтать все же полезно всегда”.
Для Жано это был страшный момент – ЦЕРН убил его самую большую надежду на встречу с бозоном Хиггса. Он предупредил, что ученые с американского “Теватрона” сделают все, чтобы найти частицу прежде, чем заработает Большой адронный коллайдер. “ЦЕРН будет выглядеть смешно, упустив такую возможность, и его будущее очень мрачно”, – сказал он репортеру британского журнала “Physics World”.
Вернувшись в Мичиган, Горди Кейн написал письмо, вложил в него чек на 100 долларов и отнес на почту. Оно было адресовано Стивену Хокингу в Кембриджский университет. Через несколько лет профессор Хокинг написал мне письмо, в котором заметил, что пари по поводу возможности найти частицы Хиггса с закрытием LEP не закончилось. Поиск продолжается на “Теватроне” в Фермилабе и на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Хокинг говорил: “Я думаю, вероятность того, что виртуальная черная дыра сделает невозможным наблюдение частицы Хиггса, очень велика, но, конечно, если частица все-таки будет найдена и я проиграю пари, то конечно же я заплачу 100 долларов” 175175
Из переписки с С. Хокингом.
[Закрыть] . Услышав это, Кейн сказал, что он уверен – в один прекрасный день обязательно получит эти деньги.
Колледж Брасенос так же красив, как и весь Оксфордский университет. Он расположен в нескольких минутах ходьбы от шумного города, в конце аккуратно замощенного булыжником переулка, откуда открывается замечательный вид на площадь с доминирующей на ней Камерой Рэдклиффа – прекрасным зданием XVIII века, когда-то здесь была библиотека. Колледж же еще на 200 лет старше, его каменные стены богато украшены резьбой по камню, оконные проемы изящны, а каждый дюйм газона, окружающего здание, невероятно ухожен.
Роджер Кэшмор, который был директором по исследованиям в ЦЕРНе, когда LEP закрывали, вступил в должность ректора колледжа Брасенос в 2003 году. Он сидит за большим деревянным столом в просторном кабинете, существовавшем уже в те далекие времена, когда Коперник поместил Солнце в центр Солнечной системы. Кэшмор был в эпицентре обсуждений, проходивших в ЦЕРНе при принятии решения о закрытии LEPa. “Всем нам было тогда очень горько”, – говорит он.
Трудность решения состояла в том, что у исследователей оказалось слишком мало свидетельств рождения частицы Хиггса, да и те появились слишком поздно. Ученые утверждали, что LEP должен проработать лишний год, потому что смысл лаборатории в том, чтобы открывать законы новой физики. Если бы бозон Хиггса был найден в 2001 году, ученые не теряя времени могли бы обдумывать следствия его существования в то время, когда монтировались громоздкие части Большого адронного коллайдера. Но как бы то ни было, это решение не могло быть принято только из соображений важности научных открытий.
Позже выяснилось, что за время руководства Майани ЦЕРНом в финансах центра образовалась огромная дыра. О масштабах дефицита – 850 млн швейцарских франков (в то время это составляло примерно 570 млн долларов) – не было известно до осени 2001 года. Майани извинился за то, что так долго скрывал правду, – по его признанию, это случилось потому, что он тогда слишком поддался общему возбуждению, связанному с обнаружением следов бозона Хиггса 176176
Alison Abbott. CERN’s head rejects mismanagement claims. Nature. Vol. 413.18 October 2001.
[Закрыть] .
“Если бы мы оставили LEP работать дольше и не обнаружили бы ничего интересного и потом нашлась бы жуткая брешь в финансах Большого адронного коллайдера, это могло бы быть... – Кэшмор провел пальцем по горлу. – Это могло бы быть концом всего. Как же все тогда было ужасно, тяжело! Ведь Большой адронный коллайдер не был безусловной данностью. Ему могли перекрыть кислород. Люди бы сказали, что мы безответственные, тратим деньги, которых у нас нет, на совершенно бесперспективные эксперименты. И действительно, шансов на успех было мало. Мы могли бы остаться ни с чем. В конце концов мы должны были принять решение: закрывать коллайдер или продолжать на нем работать. Я убежден, что то было правильное решение – закрыть его, но зато мы нажили тысячи и тысячи врагов, – продолжал Кэшмор. – Они могли подкрасться с другой стороны, нанести нам удар в спину. Было множество людей, которые ясно понимали, что закрывать LEP не следует”.
И в Эдинбурге Питер Хиггс решительно поддержал решение о закрытии коллайдера.
Со временем споры вокруг следов предполагаемой частицы Хиггса, найденной на LEP, потеряли свою остроту. После того как машину выключили, ученые внимательно проанализировали все доказательства, собранные на каждом детекторе. И оказалось, что только сигналы с “Алефа” выделялись на фоне других частиц, рожденных в коллайдере. Остальные претенденты исчезли после надлежащей проверки. Общая статистическая значимость упала до 1,7σ 177177
См. раздел “Search for the Standard Model Higgs boson at LEP”, Physics Letters B. Vol. 565 (2003). P. 61.
[Закрыть] . Если бы это стало известно раньше, решение о закрытии LEP было бы менее драматичным. Последние данные, полученные с LEP, говорили о том, что бозон Хиггса должен весить больше чем 114,4 ГэВ. Наиболее вероятное значение массы, получающееся из анализа сигналов от предполагаемых частиц Хиггса, – 115,6 ГэВ.
Через год после закрытия LEP уже несуществующий коллайдер снова попал на первые страницы газет в связи со статьей, которая заставила многих ученых недоуменно качать головой. Британский журнал “New Scientist” опубликовал статью, в которой утверждалось, что бозона Хиггса вообще не существует! 178178
Статья “Признаков бозона Хиггса нет”, опубликованная 5 декабря 2001 года, начиналась так: “Легендарной частицы, с помощью которой физики объясняли, почему материя имеет массу, вероятно, не существует”.
[Закрыть] Тему тут же подхватил “Times”, опубликовавший статью, заголовок которой звучал следующим образом: “Частица Бога исчезает, и 6 млрд фунтов стерлингов испаряются вместе с ней”. Автор ее спрашивал общественность, какой смысл в новом крупном проекте ЦЕРНа, Большом адронном коллайдере, если его главная и самая известная цель – плод воображения ученых? Физики в ЦЕРНе пришли в ярость.
То, что произошло потом, напоминает испорченный телефон. В ЦЕРНе работала группа ученых, занимавшаяся электрослабыми взаимодействиями. Интересы этих физиков лежали в области объединения электромагнетизма и слабого взаимодействия. Теория объединения в большой степени основывается на механизме Хиггса. Ученые построили график вероятности обнаружить частицы Хиггса с различными массами, исходя из других физических измерений. График показал, что наиболее вероятная масса частицы Хиггса составляет 80 ГэВ.
История началась, когда Джон Суэйн, член этой церновской группы, рассказал репортеру “New Scientist”, что на LEP исключили более половины значений масс, которые, как они думали, могут иметь частицы Хиггса. Суэйна процитировали следующим образом: “Хиггса скорее нет, чем он есть”. Это была только интерпретация журналистов, Суэйн утверждает, что вообще не произносил такую фразу. Как он объяснил мне позже, говорил он следующее: “Охота на частицы Хиггса похожа на поиски потерянных ключей от дома. Ты переходишь из комнаты в комнату, и вот ты уже обошел более половины дома... В определенном настроении духа ты можешь решить, что ключей в доме вообще нет, а на самом деле твои предположения о том, где они лежат, были, скорее всего, просто неверны”.
Группа видных ученых из ЦЕРНа отправила возмущенное письмо редактору “New Scientist”. В письме они писали, что были удивлены, прочитав статью, поскольку “все наши данные говорят о существовании хиггсовского бозона, который остается одним из ключевых пунктов нашего понимания физики элементарных частиц”.
На Суэйна обрушился шквал писем и телефонных звонков. На него ополчились коллеги. Позвонили из Финансового агентства США, Национального научного фонда, чтобы выяснить, что происходит. “Множество людей пообщалось со мной, и все они были очень, очень злы”, – говорил Суэйн. Пытаясь минимизировать ущерб, Суэйн подготовил письмо в редакцию “Times”. Он пытался объяснить, что частица Хиггса может оказаться просто на тяжелом краю ожидаемых значений масс и, даже если бозон Хиггса не существует, существует другая частица, выполняющая ту же работу, и она обязательно будет найдена на Большом адронном коллайдере. Письмо не было опубликовано. “Я звонил, писал письма, посылал их по факсу, по электронной почте, всячески. Я написал множество опровержений, но их нигде не печатали”, – говорит он. В конце концов Суэйн сдался и разослал по электронной почте письма всем физикам, которых знал, где объяснял, что его неправильно поняли.
Эта история не повысила доверие ученых к средствам массовой информации, зато предоставила редкую возможность понять, что происходит в умах некоторых физиков, охотящихся на частицу Хиггса. Суэйн получал письма от исследователей, которые говорили, что бозон Хиггса должен существовать, поскольку они потратили на его поиск всю свою профессиональную жизнь. “Они воспринимали это как атаку на символ их веры. Очевидно, даже большие ученые могут зайти в своей вере во что-то очень далеко, – признает Суэйн. – Вера бывает полезна, когда вы что-то ищете, но не забывайте – как бы вам ни нравилась та или иная идея, она может оказаться неправильной. Если бы мы точно знали, как обстоят дела на самом деле, нам не нужно было бы ничего делать”.
Глава 10
В погоне за ветром
Человек, полтора века назад назвавший Чикаго Городом ветров, видимо, был из тех, кто во всем замечает только недостатки. Чикаго – город удивительно красивый, с множеством старинных зданий, замечательных музеев и картинных галерей. А еще здесь какая-то потрясающая атмосфера. Ни один город в радиусе почти тысячи миль не может сравниться с Чикаго. Тем не менее прозвище его – предупреждение для каждого, кто приезжает сюда зимой. Тут действительно бывают такие ветра, что несколько шагов до кафе превращаются в борьбу за выживание – вас проморозит до мозга костей!
Ярмо – финский журналист – как будто готовился к подобным испытаниям. Я встретил его в холле гостиницы, где он сидел, одетый в толстое пальто, в котором не замерзнешь и в Арктике, а на голове его была теплая пушистая шапка, надвинутая на лоб. Все, что я знал о Ярмо, – это то, что он пишет о науке, и согласился подвезти его в Фермилаб, расположенный в сорока милях к западу от города, – Ярмо хотел посмотреть на коллайдер “Теватрон”.
Чтобы добраться до лаборатории Ферми от центра Чикаго, нужно сначала выехать к озеру Мичиган, а затем двинуться по скоростной трассе на запад. После примерно часа езды город исчезает в зеркалах заднего вида, и вы сворачиваете на подъездную дорогу, ведущую в кампус площадью 7000 акров – здесь и расположена лаборатория. Мы приехали туда с Ярмо в феврале 2009 года.
Дорога петляла среди голых зимних деревьев, огибала замерзшие озера и желтые поля, блестевшие под припорошившим их утром снегом. И вдруг мы оказались перед гигантской оранжево-коричневой скульптурой – она стояла, широко расставив ноги-спицы, над дорогой. Это 50-футовое творение, напоминающее исполина Талоса, который поджидает аргонавтов, – любимое детище первого директора лаборатории Роберта Уилсона. Скульптура имеет три ноги; изящно изгибаясь, они поднимаются вверх от земли, но встречаются друг с другом над дорогой на разной высоте. Замысел предполагает, что, как бы вы ни смотрели на скульптуру, с какой бы стороны ни подошли, она выглядит странной и асимметричной. Но стоит вам улечься под ней и посмотреть вверх, глазам вашим открывается настоящая красота 179179
Идея предложена Леоном Ледерманом, бывшим директором Фермилаба.
[Закрыть] . Создатель этого шедевра словно хочет сказать: симметрия часто является скрытой. Если смотреть снизу, три спицы, выходящие из центра воображаемой окружности, делят ее на равные части. Уилсон назвал скульптуру “Нарушение симметрии” – по названию концепции, на которой основывается механизм Хиггса.
Центр активности в лаборатории Ферми – Уилсон-холл. Это здание похоже, если смотреть сбоку, на гигантскую подставку для тостов, а если спереди – на греческую букву πбез верхней крышечки или на две гигантских руки, сложенные в молитве. Уилсон-холл стоит в стороне от “Теватрона”, помещенного в четырехмильный туннель, прорытый на глубине 25 футов под землей.
“Теватрон” был построен для того, чтобы сталкивать протоны и антипротоны внутри двух детекторов: CDF (сокращенное обозначение для названия Collider Detector Fermilab) и DZero (названный по месту его расположения на кольце ускорителя). В конструкции коллайдера есть сильные и слабые стороны. К сильным относится возможность разгонять оба пучка до нужных скоростей с помощью одних и тех же блоков ускорителя, поскольку протоны и антипротоны обладают одинаковыми массами и равными, но противоположными по знаку зарядами. Электрическое поле, разгоняющее пучок протонов в одну сторону, будет разгонять пучок антипротонов в другую. С другой стороны, антипротоны сложно создать и собрать, а еще сложнее образовать из них хорошие пучки.
Первые столкновения на “Теватроне” были получены в 1985 году, но наиболее ценные открытия на этой машине ученые сделали только десять лет спустя. В марте 1995 года физики объявили, что они зарегистрировали t-кварк (истинный) – самую тяжелую элементарную частицу из всех известных нам частиц. Истинный кварк весит около 170 ГэВ, примерно столько же, сколько атом золота. Кстати, теоретики и предсказывали для него примерно такую величину массы.
Через некоторое время (пережив несколько триумфов с традиционным распитием шампанского) физики “Теватрон” остановили – для планового ремонта. Машину усовершенствовали, дабы она могла вдохнуть еще больше энергии в пучки частиц, повысив полную энергию столкновений до 1,96 ТэВ. В основном модифицировали детекторы и блоки ускорителя. Все это было сделано для увеличения интенсивности пучков и в конечном итоге – частоты столкновений до более чем миллиона в секунду.
И вот наконец обновленный “Теватрон” был почти готов к началу охоты на частицу Хиггса, а между тем на церновском LEP получили сигналы, похожие на следы неуловимой частицы. Роберт Розер, один из двух ученых, возглавлявших команду теватроновского детектора CDF, работал там со времен открытия истинного кварка. Когда прошел слух, что в ЦЕРНе, возможно, уже нашли бозон Хиггса, он испытал страшное разочарование. “Мы потратили столько сил на модернизацию установки, чтобы получить возможность выследить бозон Хиггса, и вот, когда у нас наконец все готово, вдруг кто-то выходит и заявляет, что, кажется, уже поймал его, – говорит он, перекрикивая гул от работающего за стенами диспетчерской CDF оборудования. – В глубине души все понимали, что главное – это получить ответ на вопрос, но у нас же есть честолюбие, мы азартны и готовы к конкуренции. И естественно, если вы обагрили установку кровью, полили потом и слезами, то вам хочется получить результаты первыми!”
После того как LEP был выключен, а открытие не состоялось, “Теватрон” остался единственным участником забега. Обновленную машину запустили весной 2001 года, но вскоре стало ясно, что работает она как-то не так. Инженеры изо всех сил боролись с неполадками в ускорителе, но, несмотря ни на что, первые несколько лет он работал на пониженной мощности. Фермилаб подвергли жесткой критике в прессе, и отношения между инженерами, отвечающими за эксплуатацию машины, и учеными, работающими на детекторах, стали напряженными. Поиск бозона Хиггса был невозможен из-за того, что в ускорителе не хватало сталкивающихся частиц.
“Трудности роста” “Теватрона” означали, что при более высоких энергиях будет нелегко удерживать пучки на устойчивых фиксированных орбитах. Это снижало точность фокусировки пучков, направляемых в лобовые столкновения. Все кольца направляющих магнитов пришлось перенастраивать по новым показаниям устройств GPS и лазерного наведения. К началу 2005 года ускоритель заработал на полную мощность и уже стабильно сталкивал достаточное количество частиц, что дало ученым надежду наконец увидеть бозон Хиггса.
Как и любые другие специалисты, физики, работающие в области элементарных частиц, едут туда, где для них есть работа. По мере того как ускорители высоких энергий строятся на одном континенте и закрываются на другом, ученые мигрируют туда, где больше шансов открыть что-то новое в науке. С появлением современных способов коммуникации, прежде всего Интернета, для некоторых это перемещение чисто виртуальное – они анализируют результаты столкновений, не выходя из своих кабинетов. Но есть и такие, кто снимается с насиженного места и переезжает, чтобы участвовать в процессе поисков непосредственно.
Джон Конвей как раз относится ко второй категории. Сначала он был экспериментатором в Университете Дэвис в Калифорнии, потом провел годы в ЦЕРНе в команде ученых “Алефа”, которая гналась за частицей Хиггса по поманившему их следу. А затем Конвей вернулся в США, чтобы участвовать в реконструкции детектора CDF в лаборатории Ферми. Чуть позже, в декабре 2006 года, он опять приехал в ЦЕРН, на этот раз чтобы организовать доставку некой уникальной электроники, предназначенной для получения треков частиц внутри компактного мюонного соленоида – CMS (Compact Muon Solenoid) – детектора для строящегося Большого адронного коллайдера. Но Конвею та декабрьская поездка в ЦЕРН запомнилась другим 180180
Конвей написал четыре подробных рассказа об этом эпизоде на блоге “Cosmic Variance”, организованном журналом “Discover”. Два из них появились 26 января 2007 года, а последующие 9 марта и 22 октября.
[Закрыть] .
Большую часть года его команда выжидала. На детекторе CDF нужно было набрать определенное количество столкновений, а потом проверить, не появились ли признаки рождения частицы Хиггса. На “Теватроне”, согласно теории, в столкновениях протонов и антипротонов могут родиться частицы Хиггса, которые быстро распадутся на две другие, называемые тау-лептонами – тяжелыми кузенами электронов.
Конвей совместно с физиками из Университета Ратгерса в Нью-Джерси разрабатывал программу для детектора CDF, которая вычленяла столкновения, выглядевшие как распад частицы Хиггса на тау-лептоны. Сложность была в том, что некоторые другие известные частицы при своих распадах выдают практически такие же сигналы, так что команда понимала, что их программа будет регистрировать много ложных сигналов. Единственный способ понять, есть ли среди них бозон Хиггса, – это узнать об истории столкновений гораздо больше, чем требуется для идентификации других частиц. Не так важно, что частица не будет найдена, по крайней мере, будет известно, в какой области энергий частиц Хиггса нет.
Было субботнее утро, когда Конвею сказали, что необходимые данные с детектора CDF собраны и все проверки выполнены. Настало время, как говорится, “открыть крышку ящика”. Конвей сидел один в атриуме здания номер 40 в ЦЕРНе, где расположены офисы ученых, работающих на детекторах LHC “Атлас” и CMS, и обрабатывал данные на своем ноутбуке. Нажав несколько клавиш, он стал ждать результаты. Когда график наконец появился на экране, Конвей почувствовал, что волосы у него на голове зашевелились. Там оказалось гораздо больше сигналов тау-лептонов, чем ожидалось. “Это было похоже черт знает на что!” – рассказывал Конвей. Если частица Хиггса была там, то именно так она бы и проявилась!
Нужно было срочно возвращаться в Фермилаб, показать все это безумие коллегам. Конвей позвонил в авиакомпанию. Билетов на завтра не было, но нашелся один на понедельник. Конвей тут же поменял свой обратный билет и отправил мейл команде в Ратгерс – сообщил им о происходящем. Те еще спали, но должны были получить письмо достаточно скоро. Конвей посмотрел вверх, на армированную стеклянную крышу над атриумом. Похоже, в выходные ему отдыхать не придется...
На графике на экране ноутбука Конвея был явственно виден пик, выглядевший, как след частицы Хиггса с весом около 160 ГэВ. Конечно, Конвей понимал, что это может быть всего лишь статистическая флуктуация. Физики, занимающиеся элементарными частицами, уже давно хорошенько усвоили одну очень важную вещь – сигнал, который выглядит таким обнадеживающим сегодня, завтра может исчезнуть. Конвей должен был проверить, какова вероятность того, что пик данного размера мог появиться случайно, в отсутствие частицы Хиггса. У физиков имеется испытанный способ расчета, но он не быстрый. Нужно запустить программу, в которой происходит численное моделирование огромного числа мнимых столкновений при условии, что частиц Хиггса нет, а потом смотреть, как часто пик, похожий на открытие, появляется на графике. Если он возникает довольно часто, кричать “Ура!”, пожалуй, пока не стоит.
Конвей объединил все программы, необходимые для моделирования, и добавил дополнительные команды, позволяющие распределить вычисления между двадцатью различными компьютерами. Нажатием кнопки он ввел команды в компьютеры в вычислительном центре Университета Калифорнии и запустил процесс. Теперь оставалось только ждать – для того, чтобы обработать данные и получить ответ, требовалось несколько дней, даже при параллельной работе компьютеров.
Предстояло сделать и кое-что еще. Конвея пригласили прочитать доклад по последним результатам охоты на бозон Хиггса на конференции в Аспене, которая планировалась на январь следующего года. Таким образом, у него было всего четыре недели до каникул на то, чтобы проверить новые данные, подтвердить их и получить добро на публичное оглашение. Эти процедуры в Фермилабе весьма формализованы и очень основательны. Все должно быть оформлено в письменном виде и проведено через два совещания групп, где докладчика закидывают вопросами с такой интенсивностью, что многие физики сравнивают это испытание со спортивной стрельбой.
Естественно, вероятность того, что группа Конвея нашла частицы Хиггса, была невелика. Скорее всего, это был мощный, но случайный всплеск в данных, который исчез бы, как только команда CDF проанализировала бы большее число столкновений. И тогда пик на графике доставил бы много неприятностей. Конвей надеялся рассказать на конференции в Аспене, что его команда, по крайней мере, исключила определенный интервал масс, которые частица Хиггса не может иметь, и тем самым сузила интервал масс, где она может сидеть. Пик на графике сделал бы выводы гораздо менее определенными. Он означал, что для бозона Хиггса нельзя исключить массу 160 ГэВ.
Конвей вернулся в лабораторию Ферми в понедельник и созвал экстренное совещание со своими коллегами Антоном Анастасовым, Кристобалем Алменаром Куэнком и Амитом Латом. Они провели еще одну проверку данных и порадовались, что не сделали никаких глупых вычислительных ошибок, и пик на графике действительно означал, что это либо случайная флуктуация, либо новая частица. Как раз в это время пришел ответ из Калифорнии, куда Конвей отправил данные для расчета на компьютерах своего университета. Вероятность того, что это была случайная флуктуация, оказалась равной 2 процентам!
Первое заседание группы, известное как “предварительное благословение”, прошло без сучка без задоринки. Вскоре вокруг заговорили, что в группе Конвея получили интересный результат. На втором групповом совещании появилось больше физиков, и они “поджарили” членов команды Конвея, забросав их весьма сложными вопросами. В конце концов группа все-таки получила зеленый свет и окончательное благословение на обсуждение результатов в Аспене, где уже через несколько дней должна была начаться конференция. На конференции Конвей рассказал о поиске бозона Хиггса на детекторе CDF. Он пояснил, что всплеск в данных не позволяет исключить того, что частица Хиггса, если она есть, имеет массу порядка 160 ГэВ, и продемонстрировал тот же самый график, от которого у него зашевелились волосы на голове в ту субботу перед Рождеством в ЦЕРНе. “Это – недоказанный результат, подчеркнул я. Да, у нас есть небольшой пик на графике, и это либо статистическая флуктуация, либо претендент на сигнал от бозона Хиггса, и вы сами, сказал я им, должны решать, какой вариант правдоподобнее”, – вспоминает Конвей.
Несмотря на все предосторожности, предпринятые Конвеем, слухи, что группа, возможно, вышла на след частицы Хиггса, распространялись как лесной пожар. “В течение двадцати четырех часов я получал непрерывно мейлы, и кто мне только не звонил! И все хотели знать, увидели мы Хиггса или нет”, – рассказал Конвей.
У физического сообщества были веские причины прийти в возбуждение. Если всплеск в данных Конвея вызван родившейся частицей Хиггса, распадающейся на тау-лептоны, это серьезно изменило бы понимание основных законов природы. Частица Хиггса не обычная частица. Она одна из квинтиплета, существование которого предсказывает теория суперсимметрии. В суперсимметричных вселенных, как мы знаем, каждая частица имеет более тяжелого партнера-невидимку, скрывающегося в тени. Теория эта очень красива с точки зрения математики, но абсолютно противоречит интуиции. Если бы она подтвердилась, это помогло бы физике выйти из депрессии, приоткрыв наконец-то дверь в мир, лежащий за пределами Стандартной модели. И обнаружение суперсимметричной частицы Хиггса могло положить этому начало.
Теоретикам, для которых красота и истина равнозначны, очевидно: природе должно быть стыдно, если она не включила в себя суперсимметрию. Как это часто бывает в физике, важность теории зависит от ее способности к объединению. Максвелл объединил электричество и магнетизм и при этом объяснил природу света. Эйнштейн объединил пространство и время и показал, что энергия и масса эквивалентны. Суперсимметрия, пожалуй, еще более амбициозна – она объединяет материю с силами природы.
Суперсимметричная Вселенная – мечта любого любителя кроссвордов 181181
Для введения в теорию суперсимметрии см., например, “Nature’s Blueprint: Supersymmetry and the Search for a Unified Theory of Matter and Force”, написанную ученым из Фермилаба Дэном Хупером (Dan Hooper, Smithsonian, 2008). Для более глубокого изучения см. кн.: Steven Weinberg. The Quantum Theory of Fields: Supersymmetry. Cambridge University Press, 2000.
[Закрыть] . Каждая частица – переносчик взаимодействия – имеет свою пару, гипотетическую частицу материи. Фотон, переносчик электромагнитных сил, имеет партнера – фотино. Партнерами глюонов, которые переносят сильное взаимодействие внутри атомных ядер, являются частицы, называемые глюино. А парами носителей слабого взаимодействия, W - и Z -бозонов, – виносы и зиносы. Обратное утверждение тоже справедливо. У каждой известной нам частицы материи есть пара – гипотетическая частица, носитель взаимодействия. Для электрона – селектрон, для кварков – скварк. Бозон Хиггса тоже получает своего собственного суперпартнера хиггсино.
На первый взгляд суперсимметрия кажется трюком, придуманным для того, чтобы представить мир более сложным, чем он есть на самом деле. Но есть серьезные основания считать, что эта теория адекватно отражает глубинную структуру природы. Не касаясь эстетических и лингвистических аспектов, скажем только, что суперсимметрия ликвидирует некоторые изъяны Стандартной модели, из чего следует, что та должна быть заменена на нечто лучшее.
Возьмем частицы Хиггса. В квантовом мире частица Хиггса легко обрастает виртуальными частицами, которые рождаются в вакууме и исчезают в нем. Эти мимолетные частицы дают вклад в массу самого хиггсовского бозона и могут вполне сделать его вес очень большим. Если сложить массы этих виртуальных частиц, налипших на бозон Хиггса, его вес возрастает более чем в 10 15раз по сравнению с тем, что, как предполагается, должен дать эксперимент. Физики называют это проблемой иерархии. Тяжелая частица Хиггса не может выполнять функцию, для которой она предназначена, то есть нарушать электрослабую симметрию. Если Хиггс окажется тяжелым лентяем, ученые будут вынуждены вернуться к своим письменным столам и придумать другой источник происхождения массы.
Вполне возможно, что законы природы столь тонко настроены, что эффекты увеличения веса за счет “налипания” одних виртуальных частиц компенсируются эффектами от налипания других виртуальных частиц, и таким образом бозон Хиггса остается легким. Но это, по мнению ученых, маловероятно. Для того чтобы такое случилось, свойства частиц и сил в Стандартной модели должны быть настроены с точностью, превосходящей пятнадцать знаков после запятой. С какой стати законы природы должны быть так чувствительны к самым незначительным изменениям? Суперсимметрия предлагает выход из тупика. В суперсимметричном квантовом мире именно суперпартнеры отбирают у бозона Хиггса излишек массы, который возникает из-за виртуальных частиц. W -бозон, появляясь на свет, цепляет проносящуюся мимо частицу Хиггса и делает ее тяжелее, и тогда скрытый двойник W -бозона – вино – тут как тут, чтобы отнять этот излишек веса.
