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

У сотрудников ЦЕРНа были веские причины осторожно относиться к событиям, в которых, как они подозревали, был зарегистрирован след частицы Хиггса. Считалось, что во всех пяти событиях рождались бозон Хиггса и сопровождающая его Z-частица, и та и другая затем распадались на кварки. Хотя это самый вероятный сценарий рождения и распада бозона Хиггса, он не единственный. Как правило, вероятность такого сценария составляет 70 процентов. Примерно в 20 процентах случаев Z-частица распадается на нейтрино, которые проносятся через детекторы, не оставляя никаких следов. В остальных примерно 10 процентах случаев Z-частица распадается на электроны или их тяжелые двоюродные братья, называемые мюонами. Подозрение вызывало то, что ни один из этих альтернативных сценариев не реализовался в зарегистрированных на LEP событиях, а ведь они должны были наблюдаться в каждом третьем случае, связанном с рождением бозона Хиггса 167 167 Для детального обсуждения различных каналов распада и вероятностей см. статью: P. Janot and М. Kado. Direct search for the Standard Model Higgs boson. Comptes Rendus Physique. Vol. 3 (2002). P. 1193. .

Несколько недель спустя в среду Росс Бербеко, физик с другого детектора LEP, называемого L3, засиделся в лаборатории. Он собирался сделать последнее усилие перед заключительным совещанием и обработать данные детектора, полученные в течение предыдущих двух недель. Часы на стене показывали полночь. “Я хотел скорей закончить работу, пойти домой, отдохнуть и позвонить наконец своей подружке”, — рассказывал он 168 168 Выступление Росса Бербеко в передаче “Границы" на канале ВВС Radio-41 ноября 2000 года. . Когда всё было закончено, Бербеко, просматривая результаты, обратил внимание на событие, случившееся 16 октября примерно в 10 часов, в которое мог оказаться замешан бозон Хиггса. Здесь, похоже, сработал другой сценарий — реализовался второй по вероятности тип распада, при котором Z-частица распадается на нейтрино.

Число 0,9995, появившееся на экране, заставило Бербеко замереть. Оно вычислялось на компьютере детектора с помощью специальной программы и показывало, насколько столкновения, в которых появились данные осколки, похожи на те, что должны появиться при рождении бозона Хиггса. Число это могло лежать в интервале между 0 и 1, причем 1 — самый лучший результат. Бербеко провел несколько часов, скрупулезно анализируя данные. Он перепроверил свои расчеты, чтобы убедиться, что все сделал правильно. В четыре часа утра он решил, что пора идти поспать, но перед уходом послал письмо по электронной почте своему начальнику и предложил ему самому взглянуть на событие.

Вскоре по ЦЕРНу разлетелись слухи о том, что на L3, возможно, увидели бозон Хиггса. Три обстоятельства сделали это событие столь важным. Во-первых, расчеты показали, что если бы это был бозон Хиггса, то он имел бы примерно ту же массу, что и кандидаты в частицы, зарегистрированные детектором “Алеф”. Во-вторых, это могло быть тем самым независимым подтверждением, полученным на другом детекторе, которое развеяло бы любые подозрения в том, что сигналы с “Алефа” связаны со сбоем оборудования. В-третьих, картина события с участием бозона Хиггса на L3 отличалась от той, что была получена на “Алефе”. Все эти обстоятельства свидетельствовали: увиденное событие — именно то, какое следовало бы ожидать, если частица Хиггса действительно существует.

Коллайдеру оставалось работать всего несколько дней, и ученые и инженеры чувствовали, что частицы Хиггса ускользают, почти касаясь кончиков их пальцев. Операторы машин и команды детекторов судорожно готовили весомые аргументы в попытке убедить руководство позволить машине поработать еще, и притом не недели, а месяцы. Они хотели использовать машину все зимние каникулы и гонять ее на еще более высоких энергиях в течение шести месяцев в 2001 году. После реконструкции старых ускоряющих резонаторов они могли бы выжать из LEP более 208 ГэВ, несмотря на то что туннель уже содрогался от начавшихся инженерных работ по постройке преемника LEP, Большого адронного коллайдера. Если бы план осуществился и масса бозона Хиггса оказалась бы равной примерно 115 ГэВ, как это следовало из последних экспериментов, ученые получили бы хороший шанс увеличить статистическую значимость обобщенного сигнала от рождения бозона Хиггса с 2,9σ до 5,3σ, что сделало бы открытие бесспорным.

Физики разработали соответствующие предложения для руководителей ЦЕРНа, а те их подробно изучили вместе с Комитетом по экспериментам LEP. Согласно статистике шансы того, что события, в которых участвовали предполагаемые бозоны Хиггса, — просто случайные флуктуации, ничего общего с этими частицами не имеющие, составляли лишь 0,2 процента. Тем не менее комитет занял осторожную позицию. Он решил, что шансов на то, что бозон Хиггса спрятался на энергиях 115 ГэВ, не больше чем пятьдесят на пятьдесят. Еще больше усложняло ситуацию то, что, если частицы Хиггса оказались бы чуть тяжелее — например, их масса равна 116 ГэВ, — ученые вряд ли смогли бы однозначно интерпретировать результаты, даже если эксперименты продлятся и в 2001 году. В протоколе появилась осторожная запись: “Если LEP продолжит работу в 2001 году, имеются хорошие шансы на открытие частиц Хиггса”, но этот оптимизм не был безусловным 169 169 См. протокол 56-го заседании Комитета по экспериментам LEP от 3 ноября 2000 года. . В протоколе совещания следует продолжение: “Даже если зарегистрированные события связаны с появлением частицы Хиггса, существует примерно 20-процентная вероятность того, что его масса слишком велика и продление работы ускорителя на один год не позволит однозначно определить, есть ли там бозон Хиггса или нет”. Ученые долго и упорно обсуждали, что делать. Частица Хиггса, казалось, совсем рядом, и свидетельств ее существования прибывало с каждой неделей. Немедленное закрытие ускорителя означало переход инициативы к американскому ускорителю “Теватрону” по крайней мере на пять лет. С другой стороны, продление работы LEP на 2001 год скорее всего привело бы к задержке с запуском Большого адронного коллайдера, значительно более продвинутой машины, с которой связывались все надежды лаборатории. Хотя многие ученые настаивали на том, чтобы ЦЕРН еще в течение шести месяцев не выключал LEP, Комитет по экспериментам так и не смог достичь формального консенсуса в этом вопросе.