Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Глава 9
Бурные аплодисменты
Как найти бозон Хиггса, и почему мы решили, что он найден.
После долгих лет ожидания физики все-таки нашли бозон Хиггса, причем даже раньше, чем надеялись.
Вообще-то ожидание длилось уже более четырех десятилетий – с тех пор как физическая общественность стала считать механизм Хиггса основным механизмом, объясняющим слабые взаимодействия. Но после того, как в декабре 2011 года БАК заработал, ожидание переросло в нетерпение.
В начале декабря в ЦЕРНе было вывешено довольно неприметное объявление о назначенном на 13 декабря семинаре с повесткой «Новости ЦЕРНа по поискам бозона Хиггса на детекторах ATLAS и CMS». На самом деле новости поступали все время, так что само по себе это объявление не могло возбудить уж такой особый интерес. Но в ЦЕРНе пошли слухи, что это будет не обычный, похожий на прежние, семинар, а учитывая то, что каждая из двух коллабораций – команда, в которой работает более 3000 физиков, слухи эти распространились очень быстро. К тому же 1 декабря британская газета The Telegraph опубликовала статью научного корреспондента Ника Коллинза под заголовком «Поиск частицы Бога почти закончен, ЦЕРН готовится объявить результаты». Сама статья была не так сенсационна, как ее заголовок, но, очевидно, она подогрела ожидания. На физическом сайте viXra.org анонимный комментатор под ником Alex коротко изложил существо проблемы: «Сегодняшний слух: масса бозона Хиггса равна 125 ГэВ в пределах 2–3 сигма», после чего другие блогеры тут же принялись обсуждать теоретические следствия этого события.
«Alex», конечно, мог быть кем угодно – от озорного подростка из Мумбаи, который любит поддразнивать ученых, вплоть до самого Питера Хиггса. Но и в некоторых других блогах и статьях в Интернете обсуждались похожие темы: на семинаре будут сообщены не обычные новости, а что-то очень важное о бозоне Хиггса… Может, даже будет сделано долгожданное объявление о его открытии.
CMS и ATLAS – две большие экспериментальные коллаборации. Они являются миниатюрными республиками, в которых граждане избирают лидеров – своих представителей. Самый главный представитель называется просто – «спикер». Дабы коллаборация выступала с единой позиции, подготовка и оглашение новых результатов жестко контролируются. Не только официальные публикации, но даже устные доклады членов коллаборации проверяются, а самые важные доклады делают сами спикеры. В декабре 2011 года оба спикера были уроженцами Италии: Фабиола Джанотти, сотрудница ЦЕРНа, возглавляла коллаборацию ATLAS, а Гвидо Тонелли из Университета Пизы – коллаборацию CMS.
Джанотти – заметная фигура в экспериментальной физике элементарных частиц, вошедшая в список 100 самых успешных женщин-ученых в мире, составленный газетой The Guardian. Джанотти занялась физикой элементарных частиц сравнительно поздно – в колледже, а до этого в средней школе изучала латынь, греческий, историю и философию, и даже несколько лет проучилась в консерватории по классу фортепиано. Ее интерес к физике возбудила лекция одного профессора о фотоэффекте, точнее, о теории Эйнштейна, в которой утверждалось, что свет всегда распространяется в виде дискретных квантованных пакетов. В 2012 году она возглавляла крупнейший научный эксперимент по поискам важнейшей детали головоломки, заданной нам природой. На просьбу объяснить важность этого поиска Джанотти ответила, использовав высокий стиль: «Фундаментальная наука сродни искусству. И то, и другое связано с духовной сущностью и интеллектом мужчин и женщин как разумных существ».
У обоих докладчиков имелись интересные новости, но их требовалось сообщить самым осторожным образом. В полученных данных действительно обнаружились свидетельства возможных новых явлений, в частности ATLAS нашел намек на то, что масса бозона Хиггса лежит примерно в районе 125 ГэВ. Но в физике элементарных частиц «свидетельства» необычных явлений появляются и исчезают довольно часто. Однако сигнал на 125 ГэВ был похож на тот, который и ожидался от распадающегося бозона Хиггса, причем почти все остальные области масс были уже исключены. (Ведь если вы потеряли ключи и поискали их уже почти во всех возможных местах и не нашли, вас не удивит, если вы обнаружите свои ключи в последнем оставшемся месте.) Усилило доверие к этому результату и то, что и на другом детекторе, CMS, также увидели слабый сигнал примерно в той же области. Опять же, само по себе это не было чем-то особенным, но в совокупности с результатами ATLAS этих свидетельств было более чем достаточно, чтобы аудитория возбудилась.
Джанотти сделала все, чтобы удержать эмоции аудитории под контролем: «Еще слишком рано судить о том, свидетельствует ли этот сигнал о чем-то интересном или он всего лишь некие флуктуации фона». Позже она выразила ту же самую мысль в более доступной форме, процитировав поговорку: «Не делите шкуру неубитого медведя».
Однако данная шкура уже была поделена и продана, причем задолго до того, как медведь был на самом деле убит. С точки зрения статистики, декабрьские результаты, возможно, не представляли собой ничего сенсационного, но они прекрасно совпали с представлениями физиков о том, каким должен быть сигнал, если бозон Хиггса обладает массой примерно 125 ГэВ. Казалось, сбор на БАКе большего количества статистических данных для подтверждения результата – это просто вопрос времени. И его потребовалось даже меньше, чем можно было ожидать.
Частицы на входе
Давайте отступим на шаг назад и подумаем о том, что нужно, чтобы обнаружить бозон Хиггса или же найти неопровержимые свидетельства его существования. Резко упростим ситуацию, сведя все к трехступенчатой процедуре:
1. Создать хиггсовские бозоны.
2. Зарегистрировать частицы, на которые они распадаются.
3. Убедить себя в том, что частицы действительно произошли от распада бозона Хиггса, а не от каких-то еще распадов.
Начнем изучать каждый этап по очереди.
Нам известен основной рецепт приготовления хиггсовских бозонов: ускорить в БАКе протоны до высоких энергий, столкнуть их друг с другом в одном из детекторов и надеяться, что родится бозон Хиггса. Конечно, тут есть много тонкостей. Мы можем надеяться на рождение бозона Хиггса, если достигнем очень высоких энергий, так как из уравнения E = mc² следует, что в этом случае у нас появляется шанс создать частицы с большой массой. Но «думать, что есть шанс», отличается от «знать, что это произойдет». В каких именно процессах можно ожидать рождения бозона Хиггса?
Наш первый ответ: «При столкновениях протонов друг с другом». Но если немного поразмышлять, мы вспомним, что протон состоит из трех кварков и глюонов, не говоря уже о виртуальных антикварках. То есть некоторые комбинации кварков и глюонов сталкиваются друг с другом, чтобы образовать бозон Хиггса. Теперь вспомним, что в главе 7 мы говорили о законах сохранения и утверждали, что свойства типа электрического заряда, числа кварков или числа лептонов остаются неизменными в любом известном процессе взаимодействия частиц. И поэтому не может быть, чтобы, например, два верхних кварка столкнулись и образовали бозон Хиггса. Бозон Хиггса имеет нулевой электрический заряд, а каждый кварк – заряд +2/3, так что баланс не сходится. Кроме того, для двух верхних кварков общее число участвующих в реакции кварков равно 2, в то время как в бозоне Хиггса нет кварков, так что и это не сходится. Если бы сталкивались кварк и антикварк, у нас появился бы шанс.
А как насчет глюонов? Короткий ответ – да, два глюона могут объединиться, чтобы родить бозон Хиггса, но есть и длинный ответ, посложнее. Вспомним, что миссия поля Хиггса (или во всяком случае одна из его миссий) состоит в том, чтобы дать массу другим частицам. Чем сильнее бозон Хиггса взаимодействует с частицей, тем большую массу она в конце концов приобретает. Верно и обратное: поле Хиггса очень охотно взаимодействует с тяжелыми частицами, менее охотно с легкими и совсем не взаимодействует (напрямую) с безмассовыми частицами, такими как фотоны и глюоны. Но с помощью волшебной силы квантовой теории поля оно может взаимодействовать не напрямую. Глюоны прямо не взаимодействуют с бозонами Хиггса, но они взаимодействуют с кварками, а кварки взаимодействуют с бозоном Хиггса. Таким образом два глюона могут столкнуться и родить бозон Хиггса, пройдя через промежуточную стадию образования кварков.
В физике элементарных частиц разработан очень подробный и тщательно апробированный формализм для описания взаимодействия частиц друг с другом – метод диаграмм Фейнмана. Ричард Фейнман – колоритная фигура, нобелевский лауреат – изобрел этот чрезвычайно полезный метод отслеживания трансформаций всех входящих и образования выходящих частиц. Эти рисунки словно коротенькие комиксы, герои которых – частицы, взаимодействующие и превращающиеся с течением времени в другие частицы. Обычно бозоны – переносчики взаимодействий – изображаются волнистыми линиями, фермионы – сплошными линиями, а бозон Хиггса – пунктирной линией. Начав с фиксированного набора фундаментальных взаимодействий, соединяя и сопоставляя соответствующие диаграммы, мы можем перебрать все различные способы, с помощью которых частицы образуются или преобразуются в другие частицы.
