Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира Кэрролл Шон

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 = mc 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.

Например, два взаимодействующих глюона изобразим двумя входящими волнистыми линиями. Эти колебания глюонного поля возбуждают колебания поля кварков, которые могут рассматриваться как пара кварк-антикварк. Поскольку в каждом случае это один кварк и один антикварк, суммарный заряд и число участвующих кварков равно нулю, что согласуется с аналогичными характеристиками первоначальных глюонов. Эти кварки – виртуальные частицы – играют роль посредников, и они обречены на исчезновение прежде, чем появятся в детекторе частиц. Одна пара соответствующих друг другу кварка и антикварка встречается и уничтожает друг друга, а другая пара встречается и порождает бозон Хиггса. В этом процессе участвуют все виды кварков, но наибольший вклад вносят истинные кварки (самые тяжелые кварки), так как они взаимодействуют с бозоном Хиггса сильнее всего. Все это можно точно описать с помощью пары строчек страшных математических формул, а можно вместо этого изобразить на одной понятной диаграмме.

Фейнмановская диаграмма, описывающая слияние двух глюонов и образование бозона Хиггса через промежуточную стадию рождения виртуальных кварков.

Диаграммы Фейнмана дают нам забавный и наглядный способ отследить, что может произойти, когда частицы сойдутся для взаимодействий. Физики, однако, используют их для очень прагматичных целей расчета квантовой вероятности изображаемого взаимодействия. Каждая диаграмма соответсвует значению вероятности, которое потом вычисляется с помощью ряда простых правил. На первый взгляд эти правила способны ввести в заблуждение, например движущаяся назад во времени частица считается античастицей, и наоборот. Когда две частицы встречаются, чтобы породить третью (или одна частица распадается на две), полная энергия и все другие сохраняющиеся величины должны быть сбалансированы. Но виртуальные частицы – те, что рождаются и исчезают внутри диаграммы, но не присутствуют в исходном наборе частиц или среди продуктов реакции, – не обязаны иметь ту же массу, которую закон сохранения накладывает на реальную частицу. Правильный способ прочтения приведенной мною диаграммы таков: два колебания глюонного поля складываются вместе и создают колебания кваркового поля, которые в конечном итоге приводят к колебаниям поля Хиггса. А на самом деле мы видим две встречающиеся частицы-глюона, при столкновении рождающие бозон Хиггса.

Первым человеком, понявшим, что «слияние глюонов» – возможный способ создания хиггсовских бозонов, был Фрэнк Вильчек. Этот американский теоретик в значительной степени сформировал наше представление о сильных взаимодействиях. Свою работу по сильным взаимодействиям он сделал, еще будучи аспирантом, в 1973 году, и именно за нее и получил Нобелевскую премию (совместно с двумя другими физиками). В 1977 году Вильчек работал в Принстонском университете, но летом решил побывать в лаборатории Ферми, в Фермилабе. Даже великим мыслителям приходится сталкиваться с житейскими проблемами, и как-то раз Вильчеку пришлось целый день ухаживать за больными – женой Бетси Дивайн и маленькой дочерью Эмити. Когда жена и дочь вечером наконец спокойно заснули, Вильчек отправился побродить по территории Фермилаба и подумать о физике. В то время основная структура Стандартной модели уже, как выразился Вильчек, «в значительной степени сложилась», но свойства бозона Хиггса еще оставались относительно мало исследованными. Со времен своей дипломной работы он испытывал большую нежность к глюонам и их взаимодействиям, и, гуляя, он вдруг понял, что глюоны предоставляют отличный способ получить хиггсовские бозоны (и что бозон Хиггса, в свою очередь, может распасться на глюоны). Сейчас, 35 лет спустя, выяснилось, что этот процесс является самым главным способом образования бозона Хиггса на БАКе. Во время той же прогулки у Вильчека появилась еще одна идея – идея «аксиона», гипотетического более легкого двоюродного брата Хиггса, из которого, как считается сегодня, скорее всего состоит темная материя Вселенной. Этот эпизод показывает, как иногда бывают важны для научного прогресса долгие, неспешные прогулки.

В Приложении 3 мы обсудим различные способы взаимодействия частиц в рамках Стандартной модели и соответствующие каждому способу диаграммы Фейнмана. Обсуждение будет не столь глубоким, чтобы по его окончании вы смогли защитить диссертацию по физике, но, надеюсь, достаточным, чтобы дать общее представление. Одно должно быть ясно: с этим придется повозиться. Легко сказать: «Мы сталкиваем протоны друг с другом и ждем, что появится бозон Хиггса», на самом деле здесь очень много работы – нужно сесть и сделать расчеты. Когда все сказано и сделано, мы понимаем, что есть несколько различных процессов, в которых на БАКе могут родиться хиггсовские бозоны: слияние двух глюонов (которое мы только что обсуждали); аналогичное слияние W⁺– и W-бозонов или двух Z-бозонов, или кварка и антикварка; рождение W– или Z-бозона, которые выплевывают хиггсовский бозон, а затем продолжают двигаться дальше. Детали зависят от массы бозона Хиггса, а также от энергии исходных столкновений. Надо сказать, расчет подходящих процессов обеспечил физиков-теоретиков работой по-полной.

Частицы на выходе

Итак, вы получили бозон Хиггса! Примите поздравления. Теперь начинается самое интересное: как вы об этом узнаете?

Тяжелые частицы, как правило, стремятся развалиться, а бозон Хиггса по-настоящему очень тяжелый. По оценкам, время его жизни несколько меньше цептосекунды (10^-21 секунды), а значит, до своего распада он пролетит меньше нескольких миллиардных долей сантиметра. Даже с очень совершенными детекторами, такими как ATLAS и CMS, невозможно увидеть такой трек. Вместо этого мы увидим то, на что бозон Хиггса распадается. Еще мы увидим много частиц, на которые распадаются другие частицы – не бозон Хиггса, и многие из них выглядят так же, как продукты распада бозона Хиггса. Проблема заключается в том, как выделить крошечный сигнал на фоне огромных шумов.

В качестве первого шага нужно выяснить, на что именно бозон Хиггса будет распадаться и как часто. В общем, бозон Хиггса больше взаимодействует с тяжелыми частицами, так что мы могли бы ожидать, что он часто распадается на истинный и прелестный кварки, W– и Z-бозоны, и тау-лептон и реже – на более легкие частицы, например на верхние и нижние кварки и электроны. И это в основном так и есть, хотя и здесь есть свои тонкости (наверное, вы и не думали, что их не будет).

Вероятность появления бозона Хиггса с массой 125 ГэВ, распадающегося на различные частицы. Из-за округления сумма всех вероятностей не равна в точности 100 %.

Во-первых, бозон Хиггса не может развалиться на что-то более тяжелое, чем он сам. Он, конечно, может временно превратиться в более тяжелые виртуальные частицы, которые сами быстро распадаются, но такие процессы становятся очень редкими, если виртуальные частицы намного тяжелее, чем исходный бозон Хиггса. Если масса бозона Хиггса была бы равна 400 ГэВ, он бы легко разваливался на истинный и антиистинный кварки, каждый с массой 172 ГэВ. Но для более правдоподобного значения массы бозона Хиггса – примерно 125 ГэВ – получить истинные кварки при его распаде невозможно, и скорее всего он будет распадаться на прелестные кварки. Это одна из причин того, почему более тяжелые версии бозона Хиггса (до 600 ГэВ) на самом деле было бы гораздо легче найти, даже если это потребовало бы для их создания большей энергии – вероятность распада на тяжелые частицы гораздо выше.

На рисунке показана круговая диаграмма, дающая приблизительное соотношение вероятностей различных механизмов распада бозона Хиггса с массой 125 ГэВ, рассчитанных по Стандартной модели. Бозон Хиггса будет большую часть времени распадаться на прелестный и антипрелестные кварки, но есть и ряд других важных каналов распада. Хотя при значении массы бозона Хиггса 125 ГэВ его трудно обнаружить, но как только мы это сделаем, появится огромное количество интересной физики – мы исследуем каждый механизм распада отдельно и сравним его вероятность с теоретическими предсказаниями. Любое отклонение будет намеком на то, что физика вышла за пределы Стандартной модели: например, появились какие-то новые частицы или необычные взаимодействия. Мы на самом деле даже уже увидели намеки на то, что такие отклонения наблюдались.

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 виах 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.

Представьте себе, что мы будем подбрасывать монетку 100 раз. (По-хорошему, мы должны подбросить ее намного больше раз, но нам лень.) Если монетка совершенно нормальная, мы ожидаем получить 50 выпадений орла и 50 – решки или близкое к этому соотношение. Мы не удивились бы, если бы выпал, скажем, 52 раза орел и 48 – решка, но если бы мы получили 93 раза орла и только 7 раз решку, это было бы крайне подозрительно. Хотелось бы эти свои подозрения выразить в количественном виде или, другими словами, узнать, при каких именно отклонениях от предсказанного соотношения исходов 50 на 50 мы должны были бы сделать вывод о том, что у нас была «неправильная» монетка?

Быстрых и четких ответов на этот вопрос нет. Мы могли подбрасывать монетку миллиард раз, и каждый раз выпадал бы орел, и это, в принципе, возможно – просто нам очень, очень везло. Так же работает и наука. Мы не «доказываем» правильность результатов, как это можно сделать в математике или логике, а просто накапливаем все больше и больше свидетельств их правильности, увеличивая их достоверность. Если полученные данные уже существенно отличаются от тех, которые можно было бы ожидать в случае верности нулевой гипотезы, мы отвергаем ее и двигаемся дальше. Поскольку мы рассматриваем процессы, вероятностные по своей сути, и имеем дело только с конечным числом событий, неудивительно, что мы получаем некоторое отклонение от идеального результата. Типичное отклонение обозначается греческой буквой сигма (ст). Это позволит нам выразить в удобном виде, насколько велико отклонение реально наблюдаемых данных от идеального результата, то есть насколько оно больше, чем сигма. Если разница между наблюдаемым результатом измерения и теоретическим прогнозом в два раза больше типичного ожидаемого разброса, мы говорим, что получен результат «две сигмы».

Доверительные интервалы для 100 бросков монеты, когда математическое ожидание равно 50, а среднеквадратичное отклонение в сигмах равно 5. Длина интервала в одну сигму – от 45 до 55, а интервала в пять сигм – от 25 до 75.

Когда мы делаем измерения, разброс вокруг предсказанного исхода часто имеет форму колокола, что и изображено на рисунке вверху. Здесь мы изобразили вероятность получения различных результатов (в данном примере это количество выпадений орла, когда мы бросаем монетку 100 раз). Кривая достигает максимума при наиболее вероятном значении, которое в данном случае равно 50, но есть некоторый естественный разброс вокруг этого значения. Этот разброс – ширина колоколообразной кривой – и есть неопределенность в прогнозе, то есть ст. Для числа подбросов монеты, равного 100, она равна 5, и тогда мы говорим: «Мы ожидаем, что орел выпадет 50 раз плюс-минус 5».

Сигма хороша тем, что она может трансформироваться в вероятность того, какой реальный результат будет получен (даже несмотря на то, что точная формула очень сложна и, как правило, вы просто ищете число в справочнике). Если мы бросаем монетку 100 раз и от 45 до 55 раз выпадает орел, мы говорим, что результат находится «в интервале одной сигмы», что происходит в 68 % испытаний.

Другими словами, результаты, отличающиеся более чем на одну сигму, мы получаем примерно в 32 % испытаний, что немало, так что в результате, отличающемся на одну сигму, нет ничего, что могло бы насторожить. Вы бы не стали подозревать, что монетка «неправильная», только потому, что в 100 подкидываниях 55 раз выпал орел и 45 решка.

Большие сигмы соответствуют все менее вероятным результатам (при условии, что верна нулевая гипотеза). Если у вас из 100 раз орел выпал 60, это отклонение в две ст, и такое происходит только примерно в 5 % испытаний. Этот результат кажется маловероятным, но не совсем неправдоподобным. Его недостаточно, чтобы отвергнуть нулевую гипотезу, но достаточно, чтобы возбудить некоторые подозрения. Выпадению 65 раз орла соответствовало бы отклонению в три ст, что соответствует вероятности 0,3 %. Эти события случаются довольно редко, и теперь у нас появились законные основания думать, что происходит нечто странное. Если бы у нас выпал орел 75 раз из 100, это бы было отклонением в пять ст, а такие события случаются реже чем один раз на миллион. И тогда мы вправе сделать вывод, что сигнал был не просто статистической флуктуацией, и нулевая гипотеза неверна – монетка попалась явно неправильная.

Сигнал и фон

Поскольку физика элементарных частиц управляется квантовой механикой, она очень похожа на подкидывание монетки: самое большее, что мы можем сделать, это предсказывать вероятности. На БАКе мы сталкиваем протоны друг с другом и предсказываем вероятность различных взаимодействий. Для частного случая поиска бозона Хиггса мы рассматриваем различные «каналы», каждый из которых определяется типом частиц, захваченных детекторами. Есть двухфотонный канал, двухлептонный канал, четырехлептонный канал, канал с двумя струями и двумя лептонами, и так далее. В каждом случае мы суммируем энергии вылетающих частиц и с помощью аппарата квантовой теории поля (дополненного реальными измерениями) рассчитываем, сколько событий могли бы ожидать для каждого значения полной энергии. Результаты, как правило, изображаются в виде гладкой кривой.

Наша нулевая гипотеза состоит в том, что бозона Хиггса нет. Если же бозон Хиггса существует, да к тому же обладает какой-то ненулевой массой, основной ожидаемый эффект от него состоит в том, что для соответствующей энергии число событий увеличится. Если масса бозона равна 125 ГэВ, создается некоторое дополнительное количество частиц с суммарной энергией 125 ГэВ, и так далее. Создание бозона Хиггса и его распад обеспечивает механизм (в дополнение ко всем процессам, не связанным с бозоном Хиггса) получения частиц, суммарная энергия которых, как правило, равна массе хиггсовского бозона, что приводит к некоторому количеству дополнительных (по отношению к фону) событий. И мы отправляемся на «сбор шишек» – то есть ищем заметные отклонения от гладкой кривой, которую бы увидели при отсутствии бозона Хиггса.

Мы и не предполагали, что расчет ожидаемого фона будет легкой задачей. Мы, конечно, знаем Стандартную модель, но то, что мы ее знаем, не означает, что рассчитать результат легко. (Стандартной моделью можно описать и атмосферу Земли, но предсказать погоду не так-то просто). С помощью самых совершенных компьютерных алгоритмов ученые моделируют наиболее вероятные исходы протонных столкновений, и эти результаты используются для моделирования работы самих детекторов. И, оценив их усилия, мы охотно признаем, что некоторые вероятности реакций частиц легче измерить, чем просчитать. Чтобы минимизировать влияние человеческого фактора и для лучшего подбора параметров модели часто используется «слепой» анализ, когда каким-то способом скрываются фактические данные в интересующей нас области: либо туда добавляются фиктивные данные, либо просто события в этом «окне» не рассматриваются. Потом добиваются максимально ясного понимания «неинтересных» данных в других областях, и только после того, как это понимание будет достигнуто, открывается «окно», и мы смотрим на экспериментальные данные в той области, где наша частица может скрываться. Подобные манипуляции гарантируют, что мы видим не то, что хотим увидеть, а то, что происходит в действительности.

Так было не всегда. В своей книге «Нобелевские мечты» (Nobel’s Dreams) журналист Гэри Таубес рассказывает об истории исследований Карло Руббиа начала 1980-х годов по обнаружению W– и Z-бозонов, которые принесли ему Нобелевскую премию, а также о его менее успешных попытках получить вторую Нобелевскую премию, за его дерзкие выходы за пределы Стандартной модели. Команда Руббиа использовала при анализе данных по столкновению частиц Megatek – компьютерную систему, которая могла отображать данные на экране компьютера, причем программа позволяла поворачивать изображение вокруг трех координат с помощью джойстика. Заместители Руббиа американец Джеймс Рольф и англичанин Стив Гир стали экспертами в работе на Megatek. Они могли посмотреть на событие, повернуть его немного, отобрать важные треки частиц и уверенно сказать, что они видят – W-, Z-бозон или тау-частицу. «У вас есть эти вычисления, – говорил Руббиа, – но конечная цель всей титанической работы по анализу данных, основная фундаментальная задача должна состоять в том, чтобы дать людям окончательный ответ. И только Джеймс Рольф, глядя на это чертово событие, решит – Z-бозон это или нет». Теперь ситуация изменилась. У нас сейчас гораздо больше данных, но единственный способ понять, что они означают, – пропустить их через компьютер.

Всякий раз, когда возникают некоторая надежда на то, что получен новый экспериментальный результат, первой реакцией становится вопрос: «Сколько сигм?». В физике элементарных частиц неформальный стандарт вырабатывался на протяжении многих лет, и в соответствии с ним отклонение 3 считается «свидетельством» того, что что-то происходит, в то время как при отклонении в 5 уже можно объявлять об «открытии» чего-то. Это может показаться излишним требованием, так как фоновое событие 3 происходит обычно только с вероятностью 0,3 %. Но правильнее было бы рассуждать об этом так: если посмотреть на триста различных измерений, одно из них просто случайно может оказаться событием 3! Так что требование придерживаться критерия 5 является справедливым.

К декабрьскому семинару 2011 года пик вблизи 125 ГэВ имел статистическую значимость[7] 3,6 в данных ATLAS и 2,6 в данных CMS (данные собирались и анализировались совершенно независимо). Многообещающие результаты, но, конечно, не настолько надежные, чтобы претендовать на открытие. Результат мог быть признан сомнительным из-за так называемого эффекта LEE (look-elsewhere effect). Как мы говорили, если делать много измерений (а на двух детекторах БАКа проводилось много измерений), в них могут случиться большие отклонения. Однако тот факт, что две коллаборации обнаружили пики в одном и том же месте, наводил на мысль, что это не было простой случайностью. Физики склонялись к тому, что экспериментальные данные говорят: поиски идут в правильном направлении и, видимо, обнаружены первые намеки на бозон Хиггса, но чтобы увериться в этом, нужно собрать еще больше данных.

Когда предсказания, которые вы проверяете, являются вероятностными, важность сбора большого количества данных невозможно переоценить. Вспомните наш пример с подкидыванием монетки. Если бы мы бросили монетку всего пять раз вместо 100, самое большое возможное отклонение от ожидаемого значения возникло бы при пятикратном выпадании орла (или решки). Шанс, что это произойдет, не маленький – больше 6 %. Таким образом, даже для совершенно неправильной монеты, если мы подбрасываем ее всего пять раз, мы не можем объявить о значимости отклонения больше 2. На групповом блоге Cosmic Variance, который благодаря моим усилиям размещается теперь на сайте журнала Discover, я за день до семинаров ЦЕРНа поместил свой пост под названием «Завтра об открытии бозона Хиггса не объявят». Не то, что у меня была какая-то инсайдерская информация, просто мы все знали, сколько к тому времени на БАКе собрано данных, и знали, что их недостаточно для объявления об открытии бозона Хиггса с точностью 5. Для этого требовалось гораздо больше данных.

Медведь убит

Общее мнение физиков было таково: если свидетельства, представленные в 2011 году, действительно реальны, то данных, собранных за 2012 год, будет уже достаточно, чтобы добраться до необходимого порога магических 5 и объявить об открытии бозона Хиггса. Мы знали, сколько столкновений происходит на ВАКе, и у всех было такое чувство, что мы услышим об открытии неуловимой частицы (или крушении всех наших надежд) год спустя, то есть в декабре 2012 года.

После ежегодной зимней остановки ВАК возобновил сбор данных в феврале 2012 года. Конференция ICHEP в Мельбурне была запланирована на начало июля, и предполагалось, что на этом совещании обе коллаборации доложат свои новые результаты. Условия в 2012 году были несколько иными, чем в 2011-м: протоны сталкивались теперь при более высокой энергии – 8 ТэВ вместо 7 ТэВ, кроме того, была получена более высокая светимость, так что в секунду происходило больше событий. И то, и другое, казалось бы, упрощало поиски, но тут возникли новые проблемы. При больших энергиях вероятности взаимодействий меняются, и это означает, что немного изменилось количество фоновых событий, а потому пришлось обсчитывать новые данные отдельно от старых. Волее высокая светимость означает еще и большее число столкновений, многие из них в детекторе происходят одновременно, что приводит к «загромождению» – возникает куча треков частиц. Пришлось сильно потрудиться, определяя, какие из них произошли от какого столкновения. Это приятная проблема, но все же проблема, которую нужно было решить, на что требуется время.

Конференция ICHEP – крупнейший международный форум, и, естественно, на нем должны были быть обнародованы новейшие данные по поискам бозона Хиггса, полученные в ходе экспериментов при более высоких энергиях и светимостях. Участники надеялись услышать, что машина работает отлично, а в идеале – что статистическая значимость декабрьских результатов возросла, а не уменьшилась. Заранее планировалось, что сбор данных в начале июня будет прерван для рутинных работ по техническому обслуживанию БАКа. Эту паузу ученые решили использовать для тщательного пересмотра данных, дабы понять, что уже получено.

Обе коллаборации анализировали свои результаты «слепым» методом. «Окна» были открыты 15 июня, в результате чего у экспериментаторов осталось около трех недель на анализ полученных данных и подготовку их презентации в Мельбурне.

Почти сразу же после начала анализов поползли слухи. Они были менее определенными, чем в декабре, что вполне понятно: сами ученые еще не понимали, что же они получили, и бились над тем, чтобы в этом разобраться. Любопытно, что я не услышал тогда ни одного слуха, который бы правильно и точно формулировал окончательный результат. Но общий тон не оставлял сомнений: на БАКе увидели что-то необыкновенно важное.

Итак, то, что обнаружилось, было новой частицей – бозоном Хиггса или чем-то очень его напоминающим. Даже беглого взгляда на данные было достаточно, чтобы убедиться в этом. Уровень важности сообщений был немедленно поднят – когда такие результаты должны демонстрироваться общественности, не говорят просто о получении новых результатов. Нужно либо объявить об открытии, либо не объявлять ничего, а если вы объявляете, следует сделать из этого новость номер один, раструбить об открытии на весь мир.

Пока группы физиков в отчаянной спешке анализировали данные, собранные по различным каналам, начальство обсуждало, как лучше разместить трубы, чтобы протрубить погромче. С одной стороны, было запланировано, что обе коллаборации расскажут о своих результатах в Мельбурне. С другой стороны, в ЦЕРНе оставались сотни физиков, которые не собирались лететь через полмира, чтобы присутствовать на оглашении сей потрясающей новости. Но этот день принадлежал им не в меньшей мере, чем участникам конференции. В конце концов, был достигнут компромисс: каждая коллаборация устроит семинар в день открытия конференции, сами семинары пройдут в Женеве, и одновременно будут транслироваться в Австралии.

Дабы у людей, не посвященных в детали, не оставалось сомнений в том, что ожидается оглашение невероятно важных новостей, была распространена информация о том, что ЦЕРН пригласил на семинар важных гостей. Питер Хиггс, которому тогда было 83 года, в этот момент находился на Сицилии и собирался лететь обратно в Эдинбург. Его страховка на период путешествия кончалась, кроме того, у него по понятным причинам в кошельке не было швейцарских франков. Но тем не менее он изменил свои планы после того, как ему передали телефонное сообщение от Джона Эллиса – выдающегося теоретика из ЦЕРНа и давнего фаната бозона Хиггса: «Скажите Питеру, что если он не приедет в ЦЕРН в среду, он потом очень пожалеет». Хиггс приехал, то же самое сделали Франсуа Энглер, Джеральд Гуральник и Карл Хаген – другие теоретики, первооткрываели механизма Хиггса.

В декабре 2011 года я только что вернулся в Калифорнию и проспал все семинары, которые начинались в 5 часов утра по тихоокеанскому времени. Но в июле 2012 года мне удалось забронировать билет на рейс в Женеву, и я был в тот важный день в ЦЕРНе. Вместе с какими-то незнакомыми людьми я бегал от одного здания лаборатории к другому, пытаясь получить аккредитацию. В какой-то момент мне пришлось умасливать охранника, чтобы тот разрешил вернуться в здание, из которого я только что вышел, объяснив, что тороплюсь. Он спросил: «Почему сегодня все так спешат?»

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 4, 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 4,1 – 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 3,2. На своем 64-й слайде презентации, выполненной в PowerPoint, Инкандела показал что получится, если объединить эти два канала: 5,0. 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 4,5. Результаты по четырехлептонному каналу также находились в согласии с предыдущими: крошечный пик, но вполне различимый, со значимостью 3,4. Комбинация их привела к общей значимости, равной в точности 5,0. 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 4,9. 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 собтия 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 4,5, а число столкновений, полученных из расчетов в рамках Стандартной модели, должно составлять только 2,4. Аналогично, в CMS было получено значение 4,1, а должно быть только 2,6.

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 4,9, хотя отдельно двухфотонные и четырехлептонные каналы давали значимость 5.

Что это могло быть? Ни одна из этих странностей не была настолько значимой, чтобы всерьез считать, что вообще происходит что-то необычное, поэтому их, может, не стоит и рассматривать слишком серьезно. Но мы, теоретики, именно этим в жизни и занимаемся. Уже через день или два после семинаров в Интернете стали появляться теоретические работы, в которых авторы попытались в этом разобраться.

Легко привести простой пример проблемы, над которой люди сейчас думают. Вспомним, каким образом бозон Хиггса распадается на два фотона. Поскольку фотоны безмассовы, и, следовательно, бозон Хиггса не может непосредственно распасться на них, единственный способ, которым это может произойти, – через некоторую промежуточную виртуальную частицу, которая должна иметь массу (чтобы связаться с бозоном Хиггса) и электрический заряд (чтобы связаться с фотонами).

Согласно диаграммам Фейнмана, при расчете скорости этого процесса мы должны просуммировать независимые вклады от всех различных массивных заряженных частиц, которые способны появиться в петле внутри этой диаграммы. Мы знаем все частицы Стандартной модели, так что это нетрудно сделать. Но новые частицы могли бы значительно изменить ответ, внося вклад в эти виртуальные процессы, даже если мы пока не обнаруживаем их непосредственно. Таким образом, аномально большое количество двухфотонных событий может быть приветом от частиц за пределами Стандартной модели.

Детали, конечно, имеют значение: если новые частицы, которые мы имели в виду, изменяют вероятности и других измеряемых процессов, у нас появятся проблемы. Но как это восхитительно – мечтать о том, что, изучая бозон Хиггса, мы узнаем не только о самой этой частице, но и о других, которые неизвестны нам сегодня и которые нам только еще предстоит найти…

А потому – не расслабляйтесь.

Мы приподнимем завесу тайны над тем, как получаются результаты и сообщается об открытиях.

Со всей присущей ему неподражаемой британской серьезностью корреспондент Джон Оливер задавал Уолтеру Вагнеру весьма жесткие вопросы. Дело было в том, что Вагнер подал в суд, решив не допустить ввода в действие Большого адронного коллайдера. Он выдвинул серьезное обвинение – по его мнению, БАК мог создать опасность для самого существования жизни на Земле. Вот выдержка из этого интервью:

Оливер: Итак, по грубым оценкам, каковы шансы того, что мир будет уничтожен? Один на миллион, один на миллиард?

Вагнер: Скажем, в лучшем случае сейчас мы говорим примерно об одном шансе из двух.

Оливер: Подождите, это что же получается? Пятьдесят на пятьдесят?

Вагнер: Да, пятьдесят на пятьдесят. Если у вас есть что-то, что может случиться, и то, что не обязательно произойдет, это либо произойдет, либо не произойдет, и, стало быть, самое правильное предположение – один шанс из двух.

Оливер: Я не уверен, Уолтер, что теория вероятности работает именно так.

Когда БАК запускали в 2008 году, физики старались изо всех сил, рассказывая широкой публике о том, что это машина поможет нам найти бозон Хиггса, а если повезет, в первый раз увидеть суперсимметрию или другие новые интересные и экзотические явления, например темную материю или дополнительные измерения. Но в то же время группа алармистов выдвинула теорию, которую она усиленно внедряла в сознание людей с помощью СМИ, суть которой в том, что БАК – очень опасный эксперимент, поскольку может воссоздать Большой взрыв и уничтожить мир.

Надо сказать, что на первых порах сценарий, по которому безумные ученые выходят из-под контроля, побеждал в пропагандистской войне. И нельзя сказать, что журналисты стремились игнорировать истинное положение вещей и раздувать сенсации ради самих сенсаций. (По крайней мере, не все из них. В Великобритании таблоид Daily Mail напечатал статью под огромным заголовком «Умрем ли мы в следующую среду?», в которой подробно объяснялось, почему этого не случится.) Скорее сценарии катастрофы стали обязательной частью любой новости, наряду с клише «частица Бога». После того, как появился этот образ БАКа-убийцы, готового уничтожить все живое на Земле (даже если для этого имеются лишь исчезающе малые шансы и даже если это могло бы случиться только в далекой перспективе), люди захотели кому-то задать важные вопросы. Подлил масла в огонь Уолтер Вагнер – бывший офицер ядерной безопасности, сутяга, подавший на Гавайях совершенно невообразимый иск против БАКа. После того как тамошний суд отказался рассматривать этот иск на довольно очевидных юридических основаниях, Вагнер обратился в федеральный суд. Наконец, в 2010 году коллегия в составе трех судей прекратила дело на основаниях, изложенных в глубокомысленном заключении:

Согласно принятому решению, предполагаемый вред здоровью и уничтожение Земли ни в коем случае не могут быть приписаны неспособности правительства США подготовить заключение о воздействии на окружающую среду.

ЦЕРН и другие физические организации всегда относились к правилам безопасности очень серьезно. Они профинансировали составление нескольких экспертных отчетов на эту тему, и во всех них утверждалось, что риск катастрофы полностью исключен. Интервью Оливера, позволившего Вагнеру дискредитировать себя с помощью своих собственных высказываний, было одной из очень немногих публикаций, в которых содержался разумный подход к этой проблеме. А позже в популярной передаче Джона Стюарта The Daily Show, показанной на канале Comedy Channel, появилась сатирическая новостная программа. И забавно, что только сатирическая программа оказалась достаточно убедительной – она с блеском показала, каким фарсом была истерика, связанная с запуском БАКа.

У настоящих ученых есть одна черта, в данном случае сработавшая против них, – стремление быть во всем точными и честными, часто в ущерб им самим. Опсения, что БАК может уничтожить мир, основывались на довольно серьезных, хотя и очень умозрительных, физических теориях. Если бы гравитация при высоких энергиях, развиваемых при столкновениях частиц в БАКе, оказалась гораздо сильнее обычной, там могли бы образоваться крошечные черные дыры. Все, что мы знаем из физики, говорит о том, что такая черная дыра безвредна и сразу испаряется. Но предположим, что это не так и БАК будет рождать черные дыры, они останутся стабильными и провалятся в Землю, доберутся до ее ядра и будут поедать ее изнутри, что с течением времени приведет к полному уничтожению планеты. Можно рассчитать, сколько времени для этого потребуется; ответ таков: намного больше, чем возраст Вселенной. Конечно, расчеты могут быть неверными. Но ведь и столкновения космических лучей высокой энергии должны производить крошечные черные дыры, причем по всей Вселенной. (БАК ничего не делает такого, что сама Природа не делает постоянно и повсеместно, но только при гораздо более высоких энергиях). И эти черные дыры должны были бы съесть и белые карлики, и нейтронные звезды, а мы в небе видим множество белых карликов и нейтронных звезд, так что и этот аргумент говорит о безопасности БАКа.

Надеюсь, вы уловили суть дела. Можно придумать огромное количество спекулятивных сценариев, кажущихся опасными, но при ближайшем рассмотрении наиболее опасные из них уже оказываются исключенными по другим соображениям. И все-таки, поскольку ученые любят точность, они скрупулезно разобрали множество различных «ужасов», прежде чем успокоить нас и заявить, что все они весьма маловероятны. Каждый раз, когда физики должны были сказать «невозможно», они обычно говорили «скорее всего невозможно, вероятность этого действительно очень малы», а это выражение имеет другую коннотацию.

(Блестящий пример иного – неуклончивого – ответа дал теоретик из ЦЕРНа Джон Эллис, когда ему на передаче The Daily Show был задан вопрос о том, каковы шансы уничтожения Земли БАКом; он ответил просто: «Нулевые».)

Представьте себе, что вы открываете холодильник и достаете банку томатного соуса, собираясь приготовить на ужин пасту. Прежде чем вы откроете банку, ваш друг-алармист хватает вас за руку и кричит: «Подожди! Ты уверен, что, открыв банку, ты не выпустишь мутантный патоген, который быстро распространится по Земле и уничтожит все живое?» Правда в том, вы действительно не можете быть уверены на все 100 %, что этого не случится. Есть всякие нелепые сценарии маловероятных несчастий, которые мы игнорируем в повседневной жизни. В принципе включение БАКа может запустить цепь событий, которые разрушат Землю, но многие события являются в принципе возможными, важно, являются ли они правдоподобными, а в нашем случае ни одно из них не правдоподобно.

Борьба против предсказателей конца света оказалась хорошей школой для физиков. Уровень общественного контроля за поисками бозона Хиггса был беспрецедентным. Ученым, которые умеют общаться с другими учеными, обсуждая абстрактные и весьма технические идеи, пришлось научиться четко и убедительно объяснять свою позицию неспециалистам. В долгосрочной перспективе это только пойдет науке на пользу.

Как это все делается

Одно из самых больших и частых заблуждений относительно результатов, получаемых в гигантских экспериментах по физике элементарных частиц, состоит в том, что многие не понимают, какой путь проделывают результаты от момента их получения до представления общественности. Это не простой путь. Традиционный способ обнародования научных результатов состоит в публикации статей в журналах, в которых принято независимое рецензирование. Это, конечно, верно и для статей, выходящих из коллабораций ATLAS и CMS, но сложность экспериментов приводит к тому, что в этом случае практически единственными квалифицированными рецензентами могут быть только сами члены коллаборации. Чтобы как-то исправить такое положение дел, каждая коллаборация создала чрезвычайно жесткую ограничительную процедуру, которую должны пройти новые результаты перед подачей в печать.

Тысячи сотрудников Большого адронного коллайдера в основном не являются штатными сотрудниками ЦЕРНа. Типичный работающий член коллаборации – это студент, профессор, или постдок (что-то среднее между кандидатом наук и старшим преподавателем), который работает в университете или лаборатории в любой стране мира и обычно проводит значительную часть года в Женеве. Чаще всего первым шагом к опубликованию статьи является вопрос, которым задается кто-то из физиков. Это может быть совершенно тривиальный вопрос типа «Существует ли бозон Хиггса?». А может что-то более абстрактное, например: «Действительно ли электрический заряд сохраняется?», «Есть ли еще какие-то поколения фермионов кроме трех известных?», «Могут ли столкновения частиц высоких энергий создать миниатюрные черные дыры?» или «Есть ли дополнительные измерения пространства?». Вопросы возникают, когда появляется новая теоретическая идея, необъяснимые странности в полученных данных или просто у самой машины возникают новые возможности. Экспериментаторы – люди, как правило, прагматичные, по крайней мере когда это касается их научной работы, и поэтому стремятся поставить такие вопросы, на которые надеются ответить, проведя тот или иной эксперимент БАКе.

Физики могут обсудить новую идею со своими коллегами и посоветоваться, стоит ли ею заниматься, если такая идея возникла у студента, он проконсультируется со своим научным руководителем, а если идею родил сам профессор, он может предложить студентам поработать над его гипотезой. Идеи, оказывающиеся перспективными, передаются в одну из «рабочих групп», имеющихся в каждой коллаборации. Разные рабочие группы занимаются разными направлениями исследований. Есть группа по «истинным кваркам», группа «Хиггсов» и группа «экзотиков». («Экзотики» изучают частицы, предсказанные некоторыми умозрительными теориями или не предсказанные никем вообще.) Рабочие группы обдумывают идею, после чего «конвинер» – координатор, который руководит группой, решает, стоит ли дальше заниматься данным конкретным вопросом. Экспериментаторы, чтобы предотвратить дублирование расчетов, ведут подробные записи на веб-страницах и описывают там каждый проводимый анализ – для этой цели и была изобретена Всемирная паутина.

Предположим, идея получила одобрение соответствующей рабочей группы и анализ продолжается. Время физика теперь делится между работой за компьютером и участием в совещаниях, как правило, это видеоконференции. Анализ почти никогда не бывает единственным делом экспериментатора: есть также работа с аппаратурой, контроль за отклонениями условий эксперимента от заданных условий, преподавание (или учеба), выступление с докладами, подача заявок на гранты, и, конечно, работа в комитетах и тысяча других академических глупостей, которые являются неотъемлемой частью университетской жизни. Иногда экспериментаторам разрешено побыть со своими семьями или погулять на солнышке, но такое легкомысленное времяпровождение сводится к минимуму.

И вот данные собраны и надежно хранятся на дисках в разных странах. Работа теоретика-аналитика состоит в том, чтобы превратить эти данные в осмысленный физический результат. Это редко делается простым поворотом рукоятки. Нужно отбросить некоторые точки, в которых или слишком большие шумы, или они не имеют отношения к данной проблеме, то есть сделать «обрезания». (Например, вам нужны только те события, в которых образуется две струи с полной энергией больше 40 ГэВ, а углом между струями не менее 300, остальные события вы выбрасываете.) Очень часто, чтобы добиться решения конкретной проблемы, приходится писать специальные компьютерные программы. Но пока нет возможности сравнить данные с разными теоретическими моделями, они, эти данные, еще не очень информативны, и тогда пишутся другие программы – нужно понять, как выглядели бы данные согласно этим моделям. Затем необходимо оценить фоновый шум, который угрожает заглушить ваш драгоценный сигнал, и для этого необходимо все время соотносить свои измерения с расчетами и другими измерениями.

На протяжении всего процесса в рабочую группу, курирующую данный эксперимент, предоставляются регулярные обновления как в виде письменной документации, так и посредством презентаций видеоконференций.

И вот наконец получен результат. Следующая задача – убедить остальную часть коллаборации в его правильности, при том, что ничто так не радует толпу злобствующих физиков, как ошибка, найденная в чужом анализе. Каждый проект должен сначала получить «предварительное одобрение» рабочей группы, а уже после этого – всей коллаборации как целого. Существует комитет, единственной задачей которого является проверка правильности статистических расчетов. Конечная цель – публикация статьи в рецензируемом журнале, но прежде чем ее «благословит» издательский комитет, уже написанная статья должна быть прочитана всей коллаборацией. Только после этого она уходит в журнал.

Человек, не связанный с наукой, полагает, что автор статьи – тот, кто ее написал. Конечно, это так, но в список авторов включен еще и каждый, кто внес важный вклад в работу, описанную в статье. В физике экспериментальной частиц по традиции автором статьи, представленной коллаборацией, становится каждый ее член. Вы правильно поняли: любая статья, исходящая из коллабораций CMS или ATLAS, имеет более 3000 авторов. Более того, авторы перечислены в алфавитном порядке, так что постороннему человеку совершенно невозможно определить, кто делал анализ, а кто писал текст статьи. Это небесспорный принцип, но он способствует укреплению отношений в коллективе и повышает ответственность каждого за все опубликованные результаты.

Как правило, результаты анализа обнародываются только после того, как статья готова, и участвовавшим в эксперименте физикам разрешается обсуждать эти вопросы. Поиск бозона Хиггса – это, конечно, особый случай. Все знали много лет, что он – одна из основных целей для обеих коллабораций, и большая часть предварительной работы была выполнена заблаговременно, что позволило максимально быстро перейти от получения данных к объявлению об открытии. Тем не менее делалось все возможное, чтобы сохранить результаты в тайне, пока коллаборации не подтвердили, что данные проанализированы правильно.

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 6 – 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 другимифизиками 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 2,5, 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».

В следующем блоге Конвей рассказал о повторном анализе и о том, что узнал только позже: его коллеги из дружественной коллаборации D Zero в том же Фермилабе увидели недостаток событий там, где CDF наблюдал их избыток. И надежды на то, что в этой области скрывается новая частица, стали таять – более поздние данные не подтвердили этого наблюдения. Но эта история была наглядным примером того, что жизнь ученого-экспериментатора по остроте ощущений и накалу страстей иногда напоминает езду по американским горкам.

К сожалению, не все читатели первого блога прочитали его правильно. У многих из них сложилось впечатление, что Фермилаб фактически уже обнаружил бозон Хиггса или что-то вроде него, а Конвей решил рассказать об этой новости в нашем скромном блоге, а не писать научную статью или, например, проводить пресс-конференцию. И это неправильное впечатление создалось не только у чрезмерно восторженных комментаторов нашего сайта – несколько журналистов обратили внимание на значимость возможного события и опубликовали статьи в The Economist, New Scientist и других изданиях. Так физики получили еще один полезный урок. Люди очень хотят узнать все подробности поисков бозона Хиггса, и нужно быть предельно аккуратным, рассказывая о научных результатах, дабы не создавать ненужных иллюзий.

Физические папарацци

Искать новую физику можно не только на гигантских ускорителях частиц. Например, интересный эксперимент проводится в рамках итальянской PAMELA (Программа по астрофизике легких ядер и исследованию антивещества). Аппарат PAMELA размещен на российском (невоенном) спутнике, вращающемся на низкой околоземной орбите. Одна из его основных задач – поиск частиц антиматерии в космических лучах, в первую очередь позитронов и антипротонов. В космических лучах всегда присутствует определенное количество частиц антивещества – во Вселенной некоторые процессы идут при высоких энергиях, и иногда рождаются античастицы ровно так же как на БАКе. Но PAMELA регистрирует значительно больше позитронов, чем ожидалось, что вызывает удивление. Это может быть свидетельством каких-то неизвестных нам сейчас астрофизических процессов, например новых явлений в оболочках нейтронных звезд, или же признаком существования физики за пределами Стандартной модели, например аннигиляции частиц темной материи с образованием избытка позитронов. Ученые проверяют различные возможности, хотя с течением времени астрофизический вариант кажется более вероятным.

Еще более интересно, пожалуй, то, как произошла утечка информации об этом интригующем результате PAMELA. Часто бывает, что коллаборация получает предварительные результаты, не совсем еще готовые к опубликованию, но достаточно надежные, чтобы продемонстрировать их коллегам в докладе на конференции. Как раз такая ситуация в сентябре 2008 года была с результатами PAMELA, доложенными на Международной конференции по физике высоких энергий в Филадельфии. Докладчик от коллаборации PAMELA Мирко Боэзи лишь на мгновение задержался на слайде, на котором был виден избыток позитронов, но и мгновения хватило. Молодой теоретик по имени Марко Сирелли, сидевший в аудитории, быстро сфотографировал картинку. Вернувшись домой, он в соавторстве с коллегой Алессандро Струмиа написал статью, предложив новую модель темной материи, которая могла бы объяснить избыток позитронов, и отправил ее на сайт с архивом публикаций по точным наукам http://arxiv.org, откуда она моментально разошлась по всему миру. В этой работе Боэзи и Струмиа привели рисунки, на которых сравнивали теоретические предсказания своей модели с данными, взятыми со слайда, показанного в докладе на конференции, снабдив их примечанием: «В соответствии с требованиями законодательства в области публикаций, сообщаем, что предварительные экспериментальные данные для потоков позитронов и антипротонов, изображенные на наших рисунках, взяты с фотографии слайда, сделанной во время доклада».

Добро пожаловать в новый мир! И в нем пока нет четко установленных границ между дозволенным и недозволенным. Член коллаборации может сказать, что данные, которые еще не подготовлены к публикации, нельзя использовать в теоретическом анализе. Но и слушатели могут сказать, что сырые данные не следует показывать в публичных выступлениях. Пьерджорджио Пикоцца – итальянский физик, руководитель коллаборации – «очень, очень расстроился», что их данные были присвоены и использованы таким образом. Но Сирелли настаивает, что он получил разрешение от физиков PAMELA, присутствовавших на конференции: «Мы спросили физиков с PAMELA [на конференции], и они сказали, что это [их использование] – не проблема».

Как давно поняли подростки, в век Facebook в современном мире любой секрет, которым вы поделитесь с кем-то, узнают все. Благодаря новым технологиям, обмен информацией – независимо от того, насколько она официальна или надежна, – теперь не требует никаких усилий. Как сказал Джо Ликкен в связи с еще одним подобны слухом, «в мире, в котором еще не было блогов, слухи могли распространиться разве что среди нескольких десятков физиков. Теперь, с появлением блогов, теоретики, специалисты по струнам, которые даже не знают, как пишется имя Хиггс, сразу узнают инсайдерскую информацию об этих данных».

Слухи

Слухи не всегда безобидны. В апреле 2011 года анонимный комментатор на блоге Питера Войта Not even wrong («Даже не заблуждение») разместил текст служебной записки висконсинской команды ATLAS, возглавляемой Сау Лан Ву. Записка предназначалась для внутреннего пользования. Если бы ее содержание подтвердилось, оно произвело бы сенсацию – там содержались на первый взгляд убедительные свидетельства того, что частица, похожая на хиггсовский бозон, распадается на два фотона. Но новость была слишком хороша, чтобы быть правдой: для получения такого большого сигнала при относительно небольшом количестве имевшихся тогда данных вероятность распадов бозонов Хиггса должна быть в 30 раз больше, чем предсказывает Стандартная модель. Возможно, но маловероятно. А потому никто не удивился, когда при повторной проверке сигнал ушел.

Этот случай демонстрирует оборотную сторону Интернета. Обмен внутренними записками внутри большой коллаборации – как работа кровеносной системы; они пишутся все время, это часть анализа данных и превращения их в надежные результаты. Сами авторы записок не обязательно полностью верят в то, что пишут, – они просто указывают на что-то, заслуживающее более внимательного изучения. Это полезно до тех пор, пока информация остается внутри коллаборации. Если же она выйдет наружу прежде, чем результаты проверят, есть серьезная опасность, что они будут неправильно поняты, а это может в конечном итоге привести к подрыву доверия людей к полученным учеными результатам. В том случае сама Ву была в ярости: «Такая утечка со стороны лица, допустившего ее, была очень неэтичным и безответственным поступком… Утечка нанесла удар по свободе перемещения внутренних результатов в письменной форме между сотрудниками. На мой взгляд, это крайне печальная история».

В июне 2012 года ученые коллабораций CMS и ATLAS начали внимательно изучать собранные за год данные. Из докладов на декабрьских семинарах 2011 года все знали, что при 125 ГэВ наблюдался намек на бозон Хиггса. Внимание всех было приковано к этому пику. Как только начался анализ, поползли слухи. Заранее утвержденный план состоял в том, чтобы в июле 2012 года рассказать о новостях в поисках бозона на традиционной конференции ICHEP в Мельбурне, в Австралии. Любопытство блогеров разгорелось еще больше, когда ЦЕРН объявил, что не собирается ждать Мельбурна, а проведет специальные семинары в Женеве непосредственно перед конференцией. Зачем это все, если ученые не собираются объявить о каком-то крупном открытии?

В конце концов этот ажиотаж в Интернете стал так мешать, что Фабиола Джанотти отправила репортеру Деннису Овербаю из The New York Times имейл, умоляя: «Пожалуйста, не верьте блогам». Но справедливости ради скажем, что блогеры тоже бывают разные, и некоторые пытались пригасить возбуждение, а не усилить его. Майкл Шмитт, физик из Северозападного университета и член CMS-коллаборации, написал от себя на блоге Collider Blog:

Я не подведу свою коллаборацию: людей, которые работают прямо сейчас, проводя анализ и проверку результатов, а также руководителей, которые должны сейчас выбрать дальнейшую стратегию и принять трудные решения. Небольшая сенсация в блоге не стоит того волнения, которое она может вызвать у всех этих людей.

Нет сомнений, однако, что когда инсайдерами являются 6000 членов двух коллабораций, кто-то обязательно поддастся искушению и проболтается – еще до того, как все результаты будут собраны и проанализированы. Одна из наиболее частых жалоб на блогеров состояла не в том, что о результатах разболтано раньше времени, а в том, что часто пишут о результатах, которых даже еще не существует. Для анализа нужно время, и часто его не хватает – теоретики лихорадочно обсчитывают данные иногда до самого последнего момента, когда уже нужно выступать с докладом или отправлять в редакцию статью.

Между тем другие люди заражаются волнением и превращают его в возможность немного поразвлечься. 20 июня пользователи Twitter начали пересылать друг другу сатирические твиты о бозоне Хиггса. HiggsRumors («Олухи о бозоне Хиггса») даже стали на короткое время «трендовой темой» – честь, которой, как правило, удостаиваются новости о сериале Jersey Shore или скандалы, связанные с Леди Гага. Дженнифер Аутлетте – научный писатель и блогер (а по совместительству моя жена), собрала некоторые лучшие образцы таких твитов.

@ drskyskull: Я слышал, бозон Хиггса однажды выстрелил в человека, чтобы посмотреть, как тот будет умирать… # HiggsRumors

@ StephenSerjeant: Чак Норрис избил ATLAS и CMS до такой степени, что те наконец нашли бозон Хиггса # HiggsRumors

@ treelobsters: В день летнего солнцестояния вы можете заставить хиггсовский бозон балансировать на вершине. # HiggsRumors

@ tomroud: Частица Бога оказалась на проверку атеистом # HiggsRumors

А вот лучший пост, который я нашел тогда: «Маленький Майки из рекламных роликов каши LIFE умер, объевшись хиггсовских бозонов и запив их содовой. # HiggsRumors». Вероятно, то, что мне нравится этот текст, говорит больше о моем чувстве юмора (и моем возрасте), чем о чем-то еще.

Любители физики из Голливуда

Лос-Анджелес – город индустриальный, и главная его индустрия – это индустрия развлечений. В начале 2007 года, вскоре после того как я впервые приехал сюда, у меня дома раздался необычный телефонный звонок. Звонили из Imagine Entertainment – кинокомпании, возглавляемой Роном Ховардом и Брайаном Грейзером («Аполлон-13», «Игры разума», «Код да Винчи»). Создатели фильма тогда только собирались снимать «Ангелов и Демонов» по роману Дэна Брауна, в которой важные сцены разворачиваются в ЦЕРНе. Они спросили, не соглашусь ли я заехать в их офис в Беверли-Хиллз и поговорить о физике элементарных частиц?

Я важно ответил, что, вероятно, постараюсь в своем расписании найти окно для этого визита. Так я впервые узнал о малоизвестном факте: Голливуд любит науку.

Это не соответствует устоявшемуся стереотипу, согласно которому продюсеры и режиссеры фильмов и ТВ-шоу регулярно впаривают нам продукцию, полную грубейших научных ошибок, а ученых в них обычно изображают либо как асоциальных яйцеголовых, либо как безумных гениев, стремящихся управлять миром. Там действительно есть и такое, но, с другой стороны, многие сценаристы и режиссеры испытывают неподдельное желание сделать свои фильмы более интересными с помощью настоящей науки. Говард и Грейзер искренне интересовались космологией, антиматерией и бозоном Хиггса, и во время завтрака мы устроили мозговой штурм, пытаясь понять, как включить физику в их фильм. Позже моя жена Дженнифер стала первым директором проекта «Взаимодействие науки и индустрии развлечений», созданного усилиями Национальной академии наук США. Цель проекта состояла в налаживании контакта между учеными и Голливудом. Благодаря этому проекту мне довелось познакомиться с такими известными кинорежиссерами и продюсерами, как Ридли Скотт, Майкл Манн и Кеннет Брана, каждый из которых хотел услышать больше о дополнительных измерениях, путешествиях во времени и Большом взрыве. Конечно, высокобюджетные голливудские фильмы не могут и не должны быть ни документальными, ни научно-популярными – в этих фильмах на первом месте сюжет, и советы ученых не всегда учитываются. Но многие уважаемые профессионалы, фильмы которых показываются в кинотеатрах, способны оценить великое чудо научного открытия.

Со своей стороны, наука не прочь пойти в Голливуд, чтобы помочь себе самой. Научная писательница Кейт Макалпайн, которая провела какое-то время в ЦЕРНе, работая на ATLAS, в 2008 году запустила видеоролик на YouTube под названием «Рэп с Большого адронного коллайдера» (http://www.youtube.com/watch?v=j50ZssEojtM), в котором физики пританцовывают перед детекторами БАКа, в то время как сама Макалпайн под ритмичный аккомпанемент изображает рэп на физическую тематику:

Этот ролик посмотрело семь миллионов пользователей! На YouTube нет недостатка в прикольных видеосюжетах на любую тему, но по некоторым причинам этот смог выделиться среди других, то есть заинтересовать людей можно даже самыми абстрактными научными идеями, если, конечно, представить их в увлекательной форме.

Наиболее амбициозный проект подобного рода был разработан Дэвидом Капланом – физиком-теоретиком элементарных частиц из Университета Джона Хопкинса. Основная работа Каплана состоит в построении моделей, которые можно проверить в экспериментах на БАКе и на других ускорителях. У него имеется давнишний интерес к созданию кино. Как он вспоминает, в школе наука его совершенно не интересовала, и он даже не собирался поступать в колледж, но его сестра втайне от него направила заявление от его имени в Чепменский университет в Южной Калифорнии. Ко всеобщему удивлению Дэвид был принят и в течение года учился там снимать кино. Это ему пришлось не по вкусу, и он в конечном итоге перешел в Университет Беркли и стал учиться физике. Каплан не сразу поступил в аспирантуру – его оценки в Беркли были столь плохи, что он не рассчитывал, что кто-нибудь даст ему рекомендательное письмо. Вместо этого Каплан переехал в Сиэтл и подрабатывал там репетиторством – учил студентов-физиков из Университета Вашингтона. После того как несколько студентов убедили его в том, что он не хуже, а может быть и лучше аспирантов Университета Вашингтона, он, наконец, поступил туда в аспирантуру и начал работать над диссертацией. Все хорошо, что хорошо кончается, и сейчас он – один из лидеров молодых физиков-теоретиков нового поколения, пытающихся вывести физику за пределы Стандартной модели.

Когда наступила эра Большого адронного коллайдера, Каплан сразу понял уникальность момента. С его точки зрения, то был переломный момент в истории науки, если не в интеллектуальном развитии человечества вообще. Если БАК найдет что-то интересное, это откроет путь к новым открытиям. А если такого не произойдет, это будет означать, что из-за высокой стоимости исследований в современной физике частиц БАК будет последним крупным ускорителем из всех когда-либо построенных. Каплан был убежден, что сия высокая драма должна быть достойно описана и задокументирована. Он решил взять интервью у коллег-физиков, уже сделавших карьеру на своих идеях об устройстве природы, и проследить, подтвердятся они или будут выброшены как ненужные. Затем он задумал проинтервьюировать и молодых ученых, которым придется разбираться с тем, что БАК обнаружит, и решать, что с этим делать. Каплан хотел все эти интервью собрать вместе и издать в виде книги.

Но проблема была в том, что Каплану даже написание научной статьи дается тяжело. Решение лежало на поверхности: вместо книги он сделает кино! Так родилась идея фильма «Страсти по частице» (Particle Fever).

В качестве нового члена факультета Каплан получил небольшую стипендию от Фонда Альфреда Слоуна. Обычно такие стипендии используются для покупки компьютеров, оплаты командировок или небольшой поддержки аспирантов. Вместо этого Каплан нанял режиссера телевидения, заинтересовав его своей идеей, и они вдвоем на эти деньги сняли пятиминутный клип, который затем использовали для получения уже серьезных денег, необходимых для создания полнометражного документального фильма. Их первоначальный бюджет составлял $750 000 (правда, потом он вырос), и началась реальная работа: поиск денег, отбор операторов и сценаристов, опять поиск денег, запись интервью с физиками и снова поиск денег. Они раздали маленькие кинокамеры физикам в ЦЕРНе, чтобы те зафиксировали важнейшие события, такие как запуск коллайдера в 2008 году и авария, последовавшая вскоре после этого. Сам Каплан потратил огромное количество времени на проект. Он не получал зарплату, и в какой-то момент, чтобы проект не умер, его семье пришлось дать ему кредит в размере пятидесяти тысяч долларов.

Но интерес к будущему фильму был огромным. Отдел разработок в Университете Джона Хопкинса показал клип совету директоров университета, и один из директоров тут же решил инвестировать некие средства в проект. Национальный научный фонд, который поддерживает большую часть фундаментальных исследований в США и постоянно призывает ученых заниматься более активно просветительской деятельностью, пришел в восторг, узнав, что один из ученых серьезно занялся просветительством, и предложил существенную поддержку проекту. Уолтер Марч, уважаемый голливудский оператор, работавший с Джорджем Лукасом и Фрэнсисом Фордом Копполой и завоевавший множество перстижных наград, тоже воодушевился идеей фильма и предложил свои услуги, причем запросил за них намного меньший гонорар, чем обычно.

Главное, чего хотел добиться Каплан своим фильмом, – это хоть немного передать тот дух бескорыстного служения науке, который побуждает ученых пытаться разобраться в устройстве Вселенной как можно глубже. Эмоциональные риски высоки: физика – наука экспериментальная, и самая блестящая теория в мире не получит признания, если окажется, что Природа выбрала другой путь. Каплан говорит:

В общем и целом это невероятно героическая история. И в ней высвечиваются самые разные свойства человечесой породы – и эгоизм, и проницательность, и самоуверенность. Но вдруг вы понимаете, что ученые обманывают себя – они создают несуществующий мир в своих головах, подстегивая себя и заставляя работать с невероятной напряженностью, зная, что все это может кончиться полным провалом. И тогда всю их жизнь можно будет просто выбросить на помойку, поскольку все, что они делали, оказалось бессмыслицей.

Сейчас (в середине 2012 года, когда я пишу книгу) фильм Particle Fever близок к завершению, и команда надеется, что его отберут для участия в кинофестивале Sundance в январе 2013 года[8]. Конечно, Каплан и его друзья дико амбициозны – они надеются на возможность широкого проката в кинотеатрах. Их мечта – познакомить массового зрителя с работой Большого адронного коллайдера. Произойдет это или нет, в любом случае они, безусловно, создали уникальный документ, который станет свидетельством необыкновенного душевного подъема, охватившего физическое сообщество в начале эры БАКа.

Давид Каплан теперь сможет вернуться к физике и посвятить ей все свое время. Каким бы интересным и непривычным процесс съемки фильма ни был, в ближайшее время Каплану точно не захочется еще раз заняться чем-то похожим. «Создание фильма – кошмарное дело, – признается он. – Все так иррационально, приходится иметь дело с различными эго, люди доказывают что-то, что просто не имеет никакого смысла. Я ненавижу это… Я люблю физику».

Мы пересказываем увлекательную историю о том, как был открыт механизм Хиггса, и размышляем, какой эта история останется в памяти

Это случилось в 1940 году, когда немецкие войска только вторглись в Данию. У Нильса Бора, одного из основателей квантовой механики и директора Института теоретической физики в Копенгагене, хранились ценные запрещенные на тот момент предметы, которые ему нужно было любой ценой сохранить в тайне от нацистов – две золотые нобелевские медали. Задача состояла в том, чтобы спрятать их подальше от глаз немецких оккупантов.

Ни одна из этих двух медалей не принадлежала самому Бору, он получил свою Нобелевскую премию в 1922 году, но продал ее с молотка на аукционе и деньги отдал на поддержку финских сил сопротивления. Эти медали получили в свое время немецкие физики Макс фон Лауэ и Джеймс Франк. Они незаконно вывезли свои награды из Германии, чтобы те не попали в руки нацистов (поскольку медали были именными, на них были выгравированы их имена). Бор обратился за советом к своему другу химику Дьёрдю де Хевеши, и тому пришла в голову блестящая идея – растворить медали в кислоте. Золото растворить не просто, поэтому ученые взяли царскую водку – весьма агрессивную смесь азотной и соляной кислот, способную растворять благородные металлы. Опущенные в царскую водку Нобелевские медали в течение нескольких часов постепенно распались на индивидуальные атомы золота, которые остались во взвешенном состоянии в растворе. Если бы в лабораторию вошли солдаты, которым захотелось бы пошарить в шкафах в поисках спрятанных сокровищ, они не нашли бы ничего, кроме пары безобидных колб с химическими растворами, стоящими среди сотен похожих сосудов.

Уловка сработала. После войны ученые смогли восстановить золото путем осаждения атомов из раствора, сделанного де Хевеши. Бор доставил металл обратно в Королевскую академию наук в Стокгольме, и там заново отлили именные Нобелевские медали для фон Лауэ и Франка. Сам де Хевеши, бежавший в Швецию в 1943 году, получил Нобелевскую премию по химии в 1944 году, но не за открытие новых методов укрывания золота, а за «использование изотопов в качестве меченых атомов при изучении химических процессов».

Может быть, не все это знают, но ученые к Нобелевской премии относятся очень серьезно. В конце XIX века химик Альфред Нобель – изобретатель динамита – учредил награды в области физики, химии, физиологии и медицины, литературы, а также премию мира, и все они вручаются каждый год, начиная с 1901 года. (Премию по экономике начали вручать только в 1968 году, и она находится в ведении другой организации[9].) Нобель скончался в 1896 году, и его душеприказчики с удивлением обнаружили, что он пожертвовал 94 % своего немалого состояния на учреждение премии.