Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Как и в декабре, сотни людей (в основном молодых) провели на лужайке рядом со зданием лаборатории ночь, чтобы успеть занять удобные места в аудитории. Джанотти, как и в тот раз, доложила результаты, полученные на ATLAS. Каденция Тонелли в качестве спикера CMS закончилась, и доклад от CMS делал его преемник – Джо Инкандела из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Инкандела и Джанотти одновременно начали свои научные карьеры, вместе работая на UA2 – одном из детекторов предыдущего адронного коллайдера ЦЕРНа, искали там бозоны Хиггса. И теперь они оба собирались объявить о том, что их многолетние поиски наконец увенчались успехом.
Каждый из собравшихся в аудитории знал, что всей этой суеты не было бы, если б сигнал исчез. Основная интрига состояла в том, сколько сигм составляет его значимость. По слухам и приблизительным оценкам общее мнение склонялось к тому, что каждая коллаборация, по-видимому, набрала 4σ, но не добралась до 5. А если соединить результаты двух детекторов, возможно, удастся перескочить через этот порог! Но объединить данные двух различных детекторов гораздо сложнее, чем кажется, и уж совсем невозможно сделать это в последние три недели. Все боялись, что их собираются еще раз подразнить ложными надеждами, так и не объявив об открытии бозона Хиггса.
Но волноваться не стоило. Инкандела, выступавший первым, прошелся по очереди по всем различным каналам, проанализированным на CMS. Сначала шли двухфотонные события; они дали заметный пик как раз там, где мы надеялись, – при 125 ГэВ. Значимость события равнялась 4,1σ – больше, чем в предыдущем году, но это еще не было открытием. Потом настала очередь событий с четырьмя заряженными лептонами, возникающими в результате распада бозона Хиггса на два Z-бозона. И опять в том же месте появился пик, на этот раз значимостью 3,2σ. На своем 64-й слайде презентации, выполненной в PowerPoint, Инкандела показал что получится, если объединить эти два канала: 5,0σ. Похоже, мы его нашли!
Джанотти, как и Инкандела, начала с того, что поблагодарила за тяжелую работу всех, кто поддерживал работу БАКа, и сделала акцент на тщательности, с которой коллаборация ATLAS анализировала свои данные. Потом она перешла к двухфотонным результатам и тоже продемонстрировала явный пик при 125 ГэВ. На этот раз значимость составила 4,5σ. Результаты по четырехлептонному каналу также находились в согласии с предыдущими: крошечный пик, но вполне различимый, со значимостью 3,4σ. Комбинация их привела к общей значимости, равной в точности 5,0σ. В конце своего выступления Джанотти воздала хвалу Природе за то, что та поместила бозон Хиггса туда, где БАК смог его найти.
Масса хиггсовского бозона, найденная на ATLAS, оказалась равной 126,5 ГэВ, в то время как CMS получил для нее значение 125,3 ГэВ, но это не страшно – разница измерений лежит внутри ожидаемой ошибки. CMS проанализировал и другие каналы в дополнение к двухфотонному и четырехлептонному, и в результате их окончательное значение снизилось, но не намного – до 4,9σ. Но опять же, это совершенно не нарушает общую картину. Согласие между двумя экспериментами было удивительным и принципиально важным. Если бы на БАКе только одна коллаборация занималась поисками бозона Хиггса, у физического сообщества было бы гораздо больше оснований сомневаться в надежности результата. А так все сомнения были отброшены. Это было открытие!
Когда семинары закончились, Питер Хиггс дал волю эмоциям. Позже он говорил: «Во время докладов я еще дистанцировался от всего происходящего, но когда семинар закончился, почувствовал себя как на футбольном матче – моя любимая команда выиграла! Люди стоя аплодировали докладчикам, представлявшим результаты, выкрикивали «ура». Такое чувство, будто меня несла волна счастья». В пресс-центре после семинара журналисты попытались получить от него дополнительные комментарии, но он отказался давать интервью, сказав, что в такой день в центре внимания должны быть экспериментаторы.
Оглядываясь назад, понимаешь, что открытие бозона Хиггса состоялось раньше, чем ожидали, из-за того, что многие обстоятельства в первой половине 2012 года сложились весьма удачно для физиков. БАК работал на полную мощность, всего за несколько месяцев набрав больше событий, чем за весь 2011 год. То была тьма данных, но теоретики, анализировавшие их, героически справились с проблемой наложения и успешно идентифицировали подавляющее большинство событий. Более высокая энергия привела к тому, что было произведено больше бозонов Хиггса за то же время, а командам двух детекторов удалось усовершенствовать методы анализа и суметь выжать больше значимых результатов из своих данных, чем раньше. Все эти улучшения в конечном итоге подарили физикам праздник Рождества в июле.
Что это было?
После того как семинары закончились, Инкандела поделился своими размышлениями: «Часто думают, что как только обнаружится что-то, все этим и заканчивается. Занимаясь наукой, я понял, что, напротив, тут-то как раз все и начинается. Почти всегда что-то очень большое, но вполне доступное, скрывается за тем, что вы только что нашли, и просто следует идти дальше. И на этом пути расслабиться невозможно!»
Не осталось сомнений в том, что в экспериментах CMS и ATLAS была найдена новая частица. Мало кто сомневался, что она, эта новая частица, напоминает бозон Хиггса: ее вероятности распада по различным каналам примерно совпадали с теми вероятностями, которые можно вычислить в рамках Стандартной модели для распадов бозона Хиггса, если его масса составляет 125 ГэВ или около того. Но есть много причин, чтобы задаться вопросом, действительно ли это простейший вариант бозона Хиггса или нечто более хитрое? Уже в полученных на сегодняшний день данных появились крошечные намеки на то, что обнаруженная частица – не простой бозон Хиггса. Еще слишком рано говорить, кроется ли за этими намеками что-то реальное, но будьте уверены – ученые обязательно попытаются понять, что происходит на самом деле.
Ясно, что частицы не появляются в детекторе, снабженные этикетками. Когда мы говорим, что нашли что-то, похожее на хиггсовский бозон, мы имеем в виду, что, как только масса Хиггса определена, Стандартная модель позволяет очень точно рассчитать вероятности его распадов. В модели нет других свободных параметров, и, зная одно это число, мы можем точно сказать, сколько распадов будет в каждом канале. Говоря, что мы видим нечто вроде бозона Хиггса, мы имеем в виду, что видим правильное количество избыточных событий во всех каналах, где они должны происходить, а не только в одном.
На цветных вкладках представлены данные, полученные в 2011 году и половине 2012 года на ATLAS и CMS только при столкновениях с созданием двух фотонов. То, что мы видим, – это число событий, в которых сумма энергий двух фотонов равна определенной энергии. Обратите внимание, как мало из этих событий происходит на самом деле. В эксперименте видны сотни миллионов взаимодействий в секунду, из них пару сотен в секунду проходит через триггер и записывается в память, но из всех данных мы получаем только около тысячи событий в год, соответствующих каждому значению энергии.
Пунктирная линия на рисунке изображает предполагаемый фон – тот, который бы ожидался, если бы бозона Хиггса не было. Сплошная линия – то, что происходит, если мы добавляем обычный бозон Хиггса из Стандартной модели с массой 125 ГэВ. На обеих кривых видна небольшая выпуклость – шишка – высотой с пару сотен событий по сравнению с ожидаемой величиной. Нельзя сказать, какие события являются распадами бозона Хиггса, а какие – фоновыми, но можно спросить, есть ли статистически значимое превышение. И оно есть.
При ближайшем рассмотрении этих данных обнаруживается нечто любопытное. Одна из причин того, почему мы удивились, найдя в 2012 году бозон Хиггса так быстро, состоит в том, что в экспериментах действительно наблюдалось больше событий, чем ожидалось. Значимость двухфотонного пичка в данных ATLAS составляет 4,5σ, а число столкновений, полученных из расчетов в рамках Стандартной модели, должно составлять только 2,4σ. Аналогично, в CMS было получено значение 4,1σ, а должно быть только 2,6σ.
Другими словами, наблюдалось больше избыточных событий с распадом на два фотона, чем мы должны были увидеть. Не намного больше – пички лишь слегка выше, чем ожидалось, но все еще в пределах известной неопределенности. Но интересно, что есть соответствие между обоими экспериментами (и соответствие с результатами ATLAS 2011 года). Нет сомнений – нам понадобится больше данных, чтобы увидеть, реальное это расхождение или просто мираж.
В данных CMS содержится еще одна небольшая, но хитрая головоломка. В то время как ATLAS сфокусировался на надежных двухфотонных каналах или каналах с четырьмя заряженными лептонами, на CMS проанализировали еще и три канала распадов с большими шумами: на тау-антитау частицы, на прелестный-антипрелестный кварки, и на два W-бозона. Как и следовало ожидать, прелестный-антипрелестный и WW-каналы не дали статистически значимых результатов (хотя большее количество данных, безусловно, улучшило бы ситуацию). Анализ канала тау-антитау, однако, озадачил: никакого избытка событий на 125 ГэВ не было замечено, даже несмотря на то что Стандартная модель их предсказывала. Это не очень статистически значимое расхождение, но факт кажется интересным. Действительно, небольшое расхождение, вызванное данными по распаду на тау-частицы, привел к падению окончательной значимости результатов анализа данных CMS до 4,9σ, хотя отдельно двухфотонные и четырехлептонные каналы давали значимость 5σ.
