Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Я спросил одного физика, были ли результаты, полученные на ATLAS, известны в CMS, и наоборот. «Ты шутишь, – ответил он со смехом – половина ATLAS спит с половиной CMS. Конечно, они знали!» Несмотря на сверхчеловеческую преданность своему делу, физики остаются людьми.
Есть ошибки и ошибки
Кроме декабрьских семинаров с докладами Фабиолы Джанотти и Гвидо Тонелли о новостях в поисках хиггсовского бозона в ЦЕРНе в 2011 году состоялся еще один семинар, привлекший к себе внимание общественности. В сентябре того же года итальянский физик Дарио Аутьеро объявил результат, который в конечном счете обернулся позором, а не великим открытием. Речь шла о нейтрино, которые, как показалось экспериментаторам, движутся быстрее света. Измерения проводились коллаборацией OPERA, которая изучает нейтрино, рожденные в ВАКе и проделавшие под землей путь в 730 км до детектора, расположенного в Италии. Поскольку нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, они могут пройти сквозь многие километры твердых пород с мизерными потерями, что делает эту систему организации эксперимента очень эффективной для изучения их свойств.
Проблема была очевидна: результат итальянских физиков противоречил одному из основополагающих принципов современной физики: ничто не может двигаться быстрее света. Эйнштейн первым сформулировал этот принцип в 1905 году, после чего он был с большой точностью подтвержден бесчисленными экспериментами. Его опровержение стало бы самым важным открытием в физике со времен квантовой механики. Нам не потребовалось бы переписывать физику с чистого листа, но совершенно очевидно – появились бы другие законы природы. Одним из самых невероятных следствий способности двигаться быстрее света стала бы возможность путешествовать назад во времени.
Большинство физиков немедленно преисполнились скепсиса по поводу работ команды Аутьеро. На сайте Cosmic Variance я написал: «Вы должны знать об этом две вещи:
1. Это чрезвычайно интересно, если результат правильный.
2. Он, скорее всего, не правильный». Даже сами члены коллаборации OPERA, казалось, сомневались в своих результатах и просили физическое сообщество помочь им понять, где здесь может скрываться ошибка. Конечно, даже самая признанная теория должна отступить перед безупречными экспериментальными результатами. Вопрос лишь в том, насколько они безупречны.
Полученный в эксперименте OPERA результат имел чрезвычайно высокую статистическую значимость. Расхождение между теорией и экспериментальными данными составляло больше 6σ – больше чем достаточно, чтобы объявить об открытии. Тем не менее нашлись скептики. И скептики оказались правы. В марте 2012 года был проведен повторный эксперимент, названный ICARUS, в котором попытались повторить результаты эксперимента OPERA, и он закончился совсем другим результатом, а именно подтверждением того, что скорость нейтрино не превышает скорости света.
Был ли это один из тех случаев, когда нам просто ужасно (не) повезло с аномальными выборками маловероятных событий, устроившими заговор с целью сбить нас с пути? Вовсе нет. Коллаборация OPERA в конце концов нашла источник ошибки в своем первоначальном эксперименте: им оказался плохой контакт кабеля, связывающего эталонные часы с приемником GPS. Неисправность кабеля привела к задержке отсчетов времени на детекторе, и этого оказалось более чем достаточно для объяснения найденной аномалии. Как только дефект был устранен, эффект исчез.
Основная мораль этой истории состоит в том, что нужные сигма – не панацея. Статистика может помочь решить, какова вероятность того, что ваши данные согласуются с нулевой гипотезой, но главное – чтобы они были надежными. Ученые говорят о «статистических ошибках» (из-за того, что нет достаточного количества данных или в измерениях присутствует неустранимая, но случайная неопределенность), а также о «систематических ошибках» (из-за какого-то неизвестного эффекта, который сдвигает данные равномерно в некотором направлении). Статистически значимый результат не всегда правильный. Физики, занятые поисками бозона Хиггса на БАКе, к этому уроку отнеслись очень серьезно.
И еще один спорный вопрос: были ли физики коллаборации OPERA правы, когда рассказали о своих результатах всем и даже созвали пресс-конференцию в ЦЕРНе по этому поводу? Уже когда они первый раз объявили результаты, аргументы в пользу широкого обсуждения и против огласки посыпались с разных сторон. С одной стороны, лидеры OPERA, прекрасно понимая, что их результат странный, решили, что лучше рассказать о нем научной общественности, чтобы другие ученые помогли понять, в чем ошибка. С другой стороны, многие люди считали, что из-за этой истории пострадал имидж науки. Однако в эпоху глобализации, когда новости распространяются очень быстро, интересные научные результаты, полученные большими коллективами людей, утаить просто невозможно.
Веб 2.0
Еще в 2009 году Томмазо Дориго – физик из коллаборации CMS, блогер A Quantum Diaries Survivor (на сайте science20.com) – в своем докладе на Всемирной конференции научных журналистов сделал забавное предсказание. Он сказал, что мир впервые узнает об окончательном открытии бозона Хиггса из анонимного комментария в Интернете. Сейчас мы знаем, что он почти угадал, хотя и не совсем.
Последней открытой элементарной частицей Стандартной модели до бозона Хиггса был истинный кварк, обнаруженный в лаборатории Ферми на Теватроне в 1995 году. Это произошло примерно в то же время, когда впервые возникло такое понятие, как «блог». Напомним, что слово «интернет-журнал» было придумано в 1997 году. Тогда же, в 1995 году, не было таких понятий, как Facebook и Twitter, а MySpace – ресурс, давно уже считающийся устаревшим, появился только в 2003 году. Физики, работающие на Теватроне, могли посплетничать с другими физиками по поводу особо интересных событий, но вероятность того, что о важном открытии будет объявлено преждевременно, была мала.
С тех пор все изменилось. При нынешней легкости общения в Интернете любой желающий может распространять новости по всему миру, а мы помним, что обе коллаборации ATLAS и CMS включают в себя более 3000 членов каждая. Лидеры групп пытаются держать ситуацию под контролем, но, несмотря на это, вероятность, что кто-нибудь из сотрудников проболтается о крупном открытии, прямо скажем, велика.
Признаться, я являюсь восторженным поклонником блогов, хотя и стараюсь не распространять слухи, которые люди хотели бы удержать в секрете. Я начал вести свой блог еще в 2004 году на личном сайте под названием Preposterous Universe, а в 2005 году стал писать свои тексты в групповом блоге Cosmic Variance, который теперь можно читать на сайте журнала Discover. Самое замечательное в блогах – это то, что их можно использовать для любых целей по выбору автора, и множество людей в полной мере пользуется этой свободой. Только в пределах крошечного сегмента блогов, ведущихся учеными и научными писателями, вы встретите совершенно разные тексты – от неофициальных до строго научных и математических, от новостей до сатиры и внутренних сплетен. Наша цель ведения блога Cosmic Variance – поделиться интересными идеями и открытиями в области науки с широким кругом читателей, в то же время позволяя себе поразмышлять на темы, возбуждающие наше воображение. Некоторые из наших самых популярных постов были посвящены БАКу, а во время его запуска в 2008 году и семинара 2012 года группа блогеров даже вела блог в реальном времени.
Одним из моих коллег-блогеров является Джон Конвей – профессор физики в Университете Калифорнии в Дэвисе и по совместительству физик-экспериментатор, работающий на CMS. (Джоан Хьюэтт – тоже активный блогер). Самый первый блог Конвея назывался «Охота за шишками» – это был поучительный рассказ о физике элементарных частиц, о том, как полученные данные могут удивить нас и как трудно порой отличить открытие, которое перевернет мир, от обычной статистической флуктуации.
В частности, Конвей рассказал про свое участие в поисках бозона Хиггса в лаборатории Ферми (БАК тогда еще не был запущен). Тогда он анализировал данные по своему любимому каналу распада – тому, в котором рождается тау-лептон. Конвей с коллегами уже сделали слепой анализ данных эксперимента CDF на Теватроне, и наконец наступил момент, когда вот-вот откроют «окно» и обнаружат то, что там скрывается. И… действительно там что-то было! Небольшое, но очевидное увеличение вероятности рождения двух тау-лептонов – событие, которое могло быть объяснено распадом бозона Хиггса с массой 160 Гэв. Статистическая значимость этой выпуклости была всего 2,5σ, но и она заслуживала внимания. Большинство небольших выпуклостей со временем исчезает, но каждое настоящее открытие начинается с обнаружения небольшой шишки, так что у любого в такой ситуации, естественно, перехватило бы дыхание. Как вспоминал Конвей, у всех буквально «волосы встали дыбом на голове».
