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

Ясно, что частицы не появляются в детекторе, снабженные этикетками. Когда мы говорим, что нашли что-то, похожее на хиггсовский бозон, мы имеем в виду, что, как только масса Хиггса определена, Стандартная модель позволяет очень точно рассчитать вероятности его распадов. В модели нет других свободных параметров, и, зная одно это число, мы можем точно сказать, сколько распадов будет в каждом канале. Говоря, что мы видим нечто вроде бозона Хиггса, мы имеем в виду, что видим правильное количество избыточных событий во всех каналах, где они должны происходить, а не только в одном.

На цветных вкладках представлены данные, полученные в 2011 году и половине 2012 года на ATLAS и CMS только при столкновениях с созданием двух фотонов. То, что мы видим, – это число событий, в которых сумма энергий двух фотонов равна определенной энергии. Обратите внимание, как мало из этих событий происходит на самом деле. В эксперименте видны сотни миллионов взаимодействий в секунду, из них пару сотен в секунду проходит через триггер и записывается в память, но из всех данных мы получаем только около тысячи событий в год, соответствующих каждому значению энергии.

Пунктирная линия на рисунке изображает предполагаемый фон – тот, который бы ожидался, если бы бозона Хиггса не было. Сплошная линия – то, что происходит, если мы добавляем обычный бозон Хиггса из Стандартной модели с массой 125 ГэВ. На обеих кривых видна небольшая выпуклость – шишка – высотой с пару сотен событий по сравнению с ожидаемой величиной. Нельзя сказать, какие события являются распадами бозона Хиггса, а какие – фоновыми, но можно спросить, есть ли статистически значимое превышение. И оно есть.

При ближайшем рассмотрении этих данных обнаруживается нечто любопытное. Одна из причин того, почему мы удивились, найдя в 2012 году бозон Хиггса так быстро, состоит в том, что в экспериментах действительно наблюдалось больше событий, чем ожидалось. Значимость двухфотонного пичка в данных ATLAS составляет 4,5σ, а число столкновений, полученных из расчетов в рамках Стандартной модели, должно составлять только 2,4σ. Аналогично, в CMS было получено значение 4,1σ, а должно быть только 2,6σ.

Другими словами, наблюдалось больше избыточных событий с распадом на два фотона, чем мы должны были увидеть. Не намного больше – пички лишь слегка выше, чем ожидалось, но все еще в пределах известной неопределенности. Но интересно, что есть соответствие между обоими экспериментами (и соответствие с результатами ATLAS 2011 года). Нет сомнений – нам понадобится больше данных, чтобы увидеть, реальное это расхождение или просто мираж.

В данных CMS содержится еще одна небольшая, но хитрая головоломка. В то время как ATLAS сфокусировался на надежных двухфотонных каналах или каналах с четырьмя заряженными лептонами, на CMS проанализировали еще и три канала распадов с большими шумами: на тау-антитау частицы, на прелестный-антипрелестный кварки, и на два W-бозона. Как и следовало ожидать, прелестный-антипрелестный и WW-каналы не дали статистически значимых результатов (хотя большее количество данных, безусловно, улучшило бы ситуацию). Анализ канала тау-антитау, однако, озадачил: никакого избытка событий на 125 ГэВ не было замечено, даже несмотря на то что Стандартная модель их предсказывала. Это не очень статистически значимое расхождение, но факт кажется интересным. Действительно, небольшое расхождение, вызванное данными по распаду на тау-частицы, привел к падению окончательной значимости результатов анализа данных CMS до 4,9σ, хотя отдельно двухфотонные и четырехлептонные каналы давали значимость 5σ.

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.