Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Однако мы пока еще не закончили. Обратимся опять к нашему обсуждению детекторов частиц, которое было проведено в главе 6, где мы рассмотрели, как разные слои детектора-луковицы помогают нам идентифицировать различные частицы – электроны, фотоны, мюоны и адроны. Теперь посмотрим опять на эту круговую диаграмму. Более 99 % времени бозон Хиггса распадается не на то, что мы непосредственно наблюдаем в нашем детекторе, а на нечто, которое в свою очередь тоже распадается (или преобразуется) уже на что-то другое, и это что-то мы в конечном итоге и регистрируем. Это делает жизнь сложнее – или иначе – интересней – все зависит от вашей точки зрения.
Около 70 % времени бозон Хиггса распадается на кварки (пары прелестный-антипрелестный или очарованный-антиочарованный) или глюоны. Это частицы, обладающие цветом и не гуляющие на воле по-одному. Когда они рождаются, начинают активизироваться сильные взаимодействия, и они заставляют кварки объединяться в облако, состоящее из кварков, антикварков и глюонов, которые фрагментируют в струи адронов. Именно эти струи мы в калориметрах и обнаруживаем. Проблема – причем очень большая проблема – в том, что такие струи производятся во всех видах процессов. При столкновении протонов друг с другом при высокой энергии эти струи возникают в огромном количестве, но только очень малая часть их общего количества рождается в результате распада хиггсовских бозонов. Экспериментаторы, конечно, делают все возможное, чтобы разобраться и соотнести данные по струям с модельными механизмами, но это не самый легкий способ найти бозон Хиггса. По оценкам физиков, в течение первого года работы БАКа было произведено более 100 000 бозонов Хиггса, но большинство из них распались на струи, которые потерялись в какофонии сильных взаимодействий.
Когда бозон Хиггса не распадается прямо на кварки или глюоны, он, как правило, распадается на W-бозоны, Z-бозоны, или пары тау-антитау лептонов. Все эти каналы полезно просмотреть, а детали зависят от того, на что сами эти массивные частицы распадаются. Когда рождаются тау-пары, они, как правило, распадаются на W-бозон соответствующего заряда плюс тау-нейтрино, поэтому анализ в чем-то похож на то, что происходит, когда бозон Хиггса напрямую распадается на W-бозоны. Часто при распадах W– или Z-бозонов будет рождаться кварки, фрагментирующие в струи, которые трудно выделить из фона, но в принципе возможно, и адронные распады экспериментаторами рассматриваются очень пристально. Но это не будет чистым результатом.
Часть времени, однако, W– и Z-бозоны могут распадаться на лептоны. W-бозон может распасться на заряженный лептон (электрон или мюон) и связанное с ним нейтрино, в то время как Z-бозон может распасться прямо на заряженный лептон и его античастицу. Если в процессе не возникают струи, сигналы получаются относительно чистыми, хотя это и случается довольно редко. Примерно 1 % времени бозон Хиггса распадается на два заряженных лептона и два нейтрино, и около 0,01 % – на четыре заряженных лептона. Когда W-бозон распадается с образованием нейтрино, из-за унесенной им энергии эти события трудно идентифицировать, но они все еще бывают полезными. В событиях распадов Z-бозонов на четыре заряженных лептона не возникает потерянной энергии, запутывающей ситуацию, поэтому это абсолютные самородки, но, к сожалению, они очень редки.
А иногда с помощью виртуальных заряженных частиц бозон Хиггса может распадаться на два фотона. Поскольку фотоны не имеют массы, они не рождаются непосредственно из бозона Хиггса, но из него может сначала родиться заряженная массивная частица, а уже потом та может превратиться в пару фотонов. Это происходят с вероятностью примерно 0,2 %, но именно в этих событиях мы получаем самый чистый сигнал из всех возможных для бозона Хиггса с массой около 125 ГэВ. Производительность коллайдера достаточно велика, чтобы получить нужное количество событий, а шумы достаточно малы, чтобы на их фоне можно было увидеть сигнал Хиггса. Большинство всех собранных в настоящий момент доказательств существования бозона Хиггса получено из двухфотонных распадов.
Четыре наиболее перспективных для наблюдений способа распада бозона Хиггса с массой 125 ГэВ. Итак, бозон Хиггса может распасться: 1) на 2 W-бозона, которые затем (иногда) распадаются на электроны или мюоны и соответствующие им нейтрино; 2) на два Z-бозона, которые потом (иногда) могут распасться на электроны или мюоны и их античастицы; 3) на пару тау-антитау, которая потом распадется на два нейтрино и другие фермионы; 4) на некоторую заряженную частицу, которая потом превратится в два фотона. Это все редкие процессы, но они относительно легко обнаруживаются в экспериментах.
Мы сделали краткий тур по различным возможным путям распада бозона Хиггса. Казалось бы, всего лишь поверхностный обзор, но, чтобы получить такие результаты, теоретики затратили огромные усилия, определяя свойства таинственной частицы. Эти исследования начались в 1975 году с опубликования классической работы сотрудников ЦЕРНа Джона Эллиса, Мари К. Гайар и Димитрия Нанопулоса. Они рассмотрели способы, которыми могут быть получены бозоны Хиггса, а также методы их обнаружения. С тех пор было написано множество работ на эту тему, в том числе даже настоящее «Руководство по охоте на бозон Хиггса» (The Higgs Hunter’s Guide) Джона Ганиона, Говарда Хабера, Гордона Кейна и Салли Доусон – книга заняла почетное место на книжных полках у целого поколения физиков, занимающихся элементарными частицами.
Когда все это начиналось, мы мало что знали про бозон Хиггса. Его масса была совершенно произвольным числом, и мы узнали ее только благодаря добросовестным усилиям экспериментаторов. В статье Эллиса, Гайар и Нанопулоса авторы склонялись к тому, что масса бозона равна 10 ГэВ или того меньше и подробно описывали эту область. Если это было бы так, мы давным-давно нашли бы бозон Хиггса, но Природа оказалась к нам не столь добра. Авторы не могли не поддаться искушению и закончили свою статью «извинениями и предостережениями»:
Приносим свои извинения экспериментаторам за то, что не имеем никакого понятия о величине массы бозона Хиггса… и кроме того, уверены, что знаем немного и о его взаимодействиях с другими частицами, разве что они, вероятно, все очень малы. По этим причинам мы не считаем разумным начинать большие эксперименты по поискам бозона Хиггса, но полагаем, что люди, ставящие эксперименты, в которых вероятно появление бозона Хиггса, должны знать, как он может выглядеть.
К счастью, проведение больших экспериментальных исследований было в конечном счете признано разумными, хотя для этого и потребовалось некоторое время. И теперь они окупаются.
Добиваемся достоверности
Поиск бозона Хиггса часто сравнивают с поисками иголки в стоге сена (или даже иголки в нескольких стогах сена). Дэвид Бриттон – физик из Глазго, который устанавливал грид-систему БАКа в Великобритании, придумал лучшую аналогию: «Это похоже на поиски нужной соломинки в стоге сена. Разница в том, что если вы ищете иголку в стоге сена, то когда и если вы ее найдете, вы узнаете иголку, поскольку она не похожа на сено… а единственный способ найти то, что нам нужно, – разобрать стог, выложить все соломинки в ряд, и если вдруг обнаружится, что какая-то из них имеет определенную длину, это и будет именно то, что мы ищем».
И действительно, есть большая проблема: любой отдельный распад бозона Хиггса, даже на «хорошие» частицы вроде двух фотонов или четырех лептонов, можно принять за другие процессы с тем же исходом, в которых бозон Хиггса никак не замешан (и чаще всего они и происходят). Вы не просто ищете событие данного конкретного типа, вы ищете некоторое увеличение количества событий определенного типа – стог сена, сложенный из соломинок разной длины, в котором вы ищете небольшой избыток соломинок одного определенного размера. Для этого не нужно скрупулезно изучать каждую соломинку – следует обратиться к статистике.
Чтобы лучше понять роль статистики в поисках бозона Хиггса, начнем с более простой задачи. У вас есть монетка, на одной стороне которых изображен орел, на другой – решка, и вы хотите проверить, действительно ли монетка «правильная» – при подбрасывании монеты орел и решка должны выпадать с вероятностью 50 на 50. Проверить справедливость этого утверждения, подбросив монету лишь два или три раза, нельзя – с таким небольшим числом испытаний вы не должны удивляться любому результату. Но чем больше раз вы будете подкидывать монету, тем точнее будет подтверждаться справедливость утверждения о равенстве исходов.
Таким образом, вы начинаете с «нулевой гипотезы», которая является своеобразным способом заявить о том, «какого результата вы ожидаете, если ничего экстраординарного не произойдет». Для монеты нулевая гипотеза состоит в том, что при каждом подкидывании вероятность выпадения орла и решки составляет 50 на 50. Для бозона Хиггса нулевая гипотеза состоит в том, что все результаты получены в процессах, где бозона Хиггса вообще нет. Тогда мы спросим, согласуются ли с нулевой гипотезой фактически полученные результаты – а именно, был ли реальный шанс получить такие же результаты при подкидывании «правильной» монетки, или – в ситуации с распадами частиц – если бы бозона Хиггса там не было.
