Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Перед физиками “Алефа” встала сложная проблема. Единственное, что им было нужно, это время, а времени у них как раз и не было. Коллайдер LEP планировали закрыть в середине сентября, и оставалась только пара месяцев на то, чтобы еще раз попытаться увидеть сигналы, свидетельствующие о рождении бозона Хиггса.

В июле в ЦЕРНе прошло одно из регулярных заседаний Комитета по экспериментам на LEP, на котором ученые и инженеры, работающие на различных участках машины, обычно делали доклады о ходе работ и обсуждали всякие проблемы. Вдохновленные сигналом, полученным на “Алефе”, группы всех четырех детекторов призвали руководство продлить срок эксплуатации машины на две недели 159 159 Протокол 55-го заседания Комитета по экспериментам на LEP от 20 июля 2000 года. . Церновское руководство согласилось и вставило в план двухнедельное продление сроков эксплуатации — по причине чрезвычайных обстоятельств. Коллайдер, сказали ученым, может работать до конца сентября. Закрытое заседание группы исследователей по обсуждению ситуации было назначено на начало сентября.

Церновская команда работала круглосуточно. Ученые опробовали новые методы обработки данных по столкновениям в надежде увеличить шансы обнаружить бозон Хиггса. Операторы обеспечивали работу машины на самом пределе ее возможностей.

На сентябрьском совещании генеральный директор ЦЕРНа Лучано Майани и директор по исследованиям Роджер Кэшмор провели переговоры с другими старшими менеджерами и учеными ЦЕРНа и обсудили состояние дел. С июня команда “Алефа” заметила еще два столкновения, которые были поразительно похожи на то, что Константинидис видел 15 июня. Их статистическая значимость была 3,9σ — значение неплохое и обнадеживающее, но не дотягивающее до того, чтобы претендовать на открытие. Вторая команда исследователей — на детекторе “Дельфи” — также выследила два столкновения, которые могли быть связаны с рождением частицы Хиггса, но они оказались менее надежными. Когда результаты событий, собранных со всех четырех детекторов, были тщательно проанализированы, статистическая значимость появления частицы Хиггса оказалась равной 2,7σ. По критериям, принятым у физиков, этого недостаточно, чтобы квалифицировать событие как доказательство существования частицы.

На волне возрастающего числа свидетельств рождения бозона Хиггса все четыре команды детекторов попросили руководителей ЦЕРНа отсрочить закрытие ускорителя 160 160 См. протокол специального закрытого семинара Комитета LEP от 5 сентября 2000 года. . Официально LEP оставалось менее четырех недель до остановки, и ученые попросили продлить работу еще на два месяца, то есть выключить машину не раньше первой недели декабря 2000 года. За это время физики надеялись засечь еще несколько следов частиц Хиггса. После заседания Тициано Кампорези, глава команды детектора “Дельфи”, сказал: “Мы не хотим остаться в истории людьми, упустившими частицу Хиггса”. Другой физик из ЦЕРНа, Крис Талли, был полон оптимизма и даже воскликнул: “На горизонте уже появилась частица Хиггса!” 161 161 Alison Abbott. Cern considers chasing up hints of Higgs boson. Nature. Vol. 407. 7 September 2000.

Руководство ЦЕРНа дало понять, что продлит работу LEP, только если есть действительно “хорошие шансы превращения предварительных экспериментальных наблюдений в безусловные открытия” 162 162 См. протокол специального закрытого заседания семинара комитета LEP, ссылка приведена выше. . После долгого обсуждения решились на компромисс — предоставить отсрочку до 2 ноября 163 163 См. протокол 148-го заседания исследовательского совета ЦЕРНа от 14 сентября 2000 года. . Работать дольше нецелесообразно, поскольку это приведет к задержке работ по монтажу Большого адронного коллайдера 164 164 В протоколе 148-го заседания исследовательского совета ЦЕРНа от 14 сентября 2000 года говорится: “Продление работы LEP в 2001 году приведет к задержке запуска LHC на 18 месяцев и будет стоить около 100 миллионов швейцарских франков”. . Кроме того, полагали руководители ЦЕРНа, даже если бозон Хиггса и находился в доступной области энергий и машина работала бы до декабря, ученые вряд ли успели бы получить достаточное количество столкновений с участием частиц Хиггса для достижения статистической значимости 5σ, необходимой для объявления об открытии.

Слухи о том, что в ЦЕРНе открытие на подходе, распространились далеко за его пределы. И вот однажды, на расстоянии шести тысяч миль от Женевы, на острове Чеджу, недалеко от южной оконечности Корейского полуострова, группа ученых встретилась за ужином. Они приехали на конференцию Cosmo 2000, посвященную проблемам физики элементарных частиц и теориям происхождения Вселенной. Когда разговор зашел о физике, Горди Кейн, директор Мичиганского центра теоретической физики, упомянул, что в ЦЕРНе, возможно, нашли след частицы Хиггса. Обсуждение было прервано звуками, в которых все безошибочно узнали голос Стивена Хокинга, предлагающий Кейну пари. “Бозон Хиггса никогда не будет найден ни на LEP, ни на любом другом коллайдере частиц”, — сказал Хокинг. После такого категоричного заявления Кейн и Хокинг решили заключить пари на сто долларов.

Сомнения Хокинга в возможности найти бозон Хиггса основывались на работе, опубликованной им в 1995 году, в которой он предсказывал, что “виртуальные черные дыры” могут сделать невозможным наблюдение частиц Хиггса 165 165 S. W. Hawking.Virtual black holes. arXiv: hep — th/95ioo29v, 16 October 1995. В резюме статьи Хокинг утверждает: “Эта потеря квантовой когерентности при низких энергиях очень мала для всего, кроме скалярного поля, что приводит к предположению, что мы никогда не увидим частицы Хиггса". (Некоторые из процитированных ниже статей можно найти на сайте препринтов ‘arXiv’ в онлайновом репозитарии академических статей по математике и физике. К примеру, чтобы найти статью Стивена Хокинга “Виртуальные черные дыры” (1995), нужно набрать ID статьи, то есть hep-th/95ioo29Vi в поисковой строке на сайте ( http://www.arxiv.og ).) . Виртуальные черные дыры — любопытные теоретические объекты. Ученым известно, что пары частиц, таких как электроны и их двойники из антивещества — позитроны, — могут внезапно родиться в вакууме из-за квантовых флуктуаций энергии. Виртуальные черные дыры ведут себя аналогично, но их порождают пространственно-временные флуктуации. Как утверждает Хокинг, существование черных дыр длилось бы всего мгновение, но этого достаточно, чтобы замазать след бозона Хиггса.

Когда Питер Хиггс услышал о пари Хокинга, это не произвело на него особого впечатления. “Хокинг, — сказал он, — механически перенес в физику элементарных частиц идеи гравитации, но ни один физик-теоретик, работающий в области элементарных частиц, не поверит в эти рассуждения. Слова Хокинга звучат несколько самонадеянно, — продолжал Хиггс. — И вообще — я очень сомневаюсь, что его расчеты правильны”.