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

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.

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.