Призрак Женевы становится осязаемым
В среду ЦЕРН объявил об открытии новой частицы. Однако исследователи пока не хотят принимать окончательное решение по бозону Хиггса.
Питер Хиггс долго ждал. В 1964 году он опубликовал эссе по теоретической физике: «Нарушенные симметрии и массы калибровочных бозонов». Полтора страницы длиной и всего четыре формулы, тем временем стали одной из самых выдающихся работ в современной физике элементарных частиц. В ней Хиггс обрисовывает в общих чертах механизм, который должен придавать некоторым элементарным частицам массу. Но описывает ли он свойство природы?
Пожалуйста, прочтите также обновленную информацию о сегодняшнем объявлении: «Самый тяжелый бозон, который мы когда-либо находили»
48 лет спустя после публикации работы на этот вопрос можно было ответить. В среду в CERN в Женеве состоятся семинар и пресс-конференция, на которую, по-видимому, побывал и Питер Хиггс. По всей вероятности, там будет представлено непосильное бремя доказательств открытия новой частицы. Уже в декабре прошлого года детекторы ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) представили подозрительные следы при энергии 125 гигаэлектронвольт (ГэВ). Измерения года, похоже, усилили сигнал - так что теперь вряд ли можно сомневаться в существовании частицы.
Но действительно ли это бозон Хиггса, названный в честь Питера Хиггса? Это было бы сенсацией, которой физика элементарных частиц не видела уже 30 лет. Чтобы быть уверенным, что находка точно является частицей Хиггса, необходимы дальнейшие измерения. Поэтому физики приложат все усилия, чтобы не использовать на пресс-конференции слово «открытие». Только когда будут исследованы дальнейшие свойства новой находки, они смогут объявить частицу Хиггса реальной.
Конец эпохи
Это знаменует собой конец эпохи современной физики элементарных частиц. Частица Хиггса станет последней частью головоломки в микроскопической модели, которую физики использовали для описания мира на протяжении полувека. Так называемая стандартная модель содержит компиляцию элементарных составляющих космоса и сил, действующих между ними. С 1960-х годов подтверждалось все больше и больше его теоретических предсказаний, причем высший кварк стал последней частицей, добавленной в 1995 году.
Изначально предполагалось, что стандартная модель состоит из двух столпов: с одной стороны, компонентов, из которых состоит материя. К ним относятся кварки, электроны и нейтрино. Есть также частицы, передающие силы: фотоны - крестные отцы электромагнитных взаимодействий. Нуклоны слипаются, потому что кварки в них постоянно обмениваются глюонами. А так называемые бозоны W и Z несут слабое взаимодействие, которое вызывает распад атомных ядер.
Однако быстро стало очевидно, что модель микрокосма шатается. Проблема выявила величайшее достижение ее создателей. Еще в 1967 году Абдусу Саламу, Шелдону Глэшоу и Стивену Вайнбергу удалось вывести уравнения слабого и электромагнитного взаимодействий на общей математической основе. Согласно "электрослабой теории", обмен частицами двух сил - фотонами с одной стороны и Ws и Zs с другой - являются, так сказать, зеркальными отражениями.
Но Вайнберг и его коллеги уже заподозрили принципиальную разницу. Они оказались правы: в 1983 году суперпротонный синхротрон (SPS) в ЦЕРНе смог показать, что Ws и Zs в 85 и 97 раз тяжелее ядра водорода соответственно, а фотоны безмассовы. Значит, должно быть что-то, что нарушает симметрию между слабыми и электромагнитными взаимодействиями. С тех пор велись поиски третьего столпа стандартной модели: механизма, который делает Ws и Z такими же тяжелыми, какими они являются в соответствии с измерениями SPS.
Нобелевский лауреат ошибается
Питер Хиггс был не единственным, кто предложил такой механизм в 1967 году. Две другие исследовательские группы недавно опубликовали аналогичную работу независимо от Хиггса. Но в статье «Модель лептонов», устанавливающей электрослабое объединение, Питера Хиггса цитировали первым, что делало его имя неотделимым от управляющего механизма. Его автор, Стивен Вайнберг, впоследствии получивший Нобелевскую премию, недавно оправдал это в «Нью-Йорк Таймс», заявив, что он просмотрел даты публикации работы.
В ажиотаже вокруг 83-летнего шотландца физики не заинтересованы в самой частице Хиггса. Его появление будет свидетельством того, что каждую частичку Вселенной пронизывает невидимое энергетическое поле - что-то вроде современного эфира, о который трутся бозоны W и Z, придавая им гравитацию. Электроны, нейтрино и кварки также будут захвачены полем Хиггса, а фотоны и глюоны, согласно теории, могут беспрепятственно его пересекать. Однако поле Хиггса не годится в качестве единственного объяснения массы материи, как это часто распространяется в СМИ. Львиная доля веса человеческого тела приходится на энергии связи кварков в атомных ядрах. Хиггс дал бы только то, что физики называют массой покоя. Это всего несколько процентов от веса человека.
Но для того, чтобы сравнить это предсказание с реальностью, эфир Хиггса нужно заставить вибрировать целенаправленно - например, сжимая вакуум в одной точке на долю секунды. Это происходит в 27-километровом кольцевом туннеле под Женевой, когда атомные ядра летят друг на друга почти со скоростью света. Результатом такого возбуждения будет частица Хиггса. Однако это происходит лишь в нескольких из сотен миллионов столкновений, происходящих в течение одной секунды в трубе подземного эксперимента. Говорят, что за последний год таким образом было создано всего 75 000 частиц бозона Хиггса.
В этом году их должно было быть еще больше: за два с половиной месяца работы БАК в 2012 году объем собранных данных увеличился более чем вдвое. Есть две причины такого богатого выхода по сравнению с предыдущими годами: во-первых, протоны теперь стреляют друг в друга с энергией 8000 вместо 7000 ГэВ. С другой стороны, исследователи вдавливают в кольцевое кольцо больше пучков частиц, чем когда-либо прежде.
Fertile Quest 2012
Поиск продуктов распада бозона Хиггса оказался особенно плодотворным. Частица эфира нестабильна и сразу распадается на известные частицы. Говорят, что каждый пятисотый бозон Хиггса распадается на два фотона - сигнал, который можно особенно хорошо обнаружить в гуще других обломков от столкновения частиц. После того, как он уже выделился из данных 2011 года, теперь исследователи, похоже, поймали больше избыточных фотонов. Кроме того, в новых данных, вероятно, присутствует избыток Z-бозонов, которые распадаются на так называемые мюоны. Это также то, что вы ожидаете от частицы Хиггса.
До сих пор неясно, действительно ли сигналы превысят значимость пяти сигм, необходимых для однозначного открытия. Только тогда совпадение исключается с вероятностью 99,99994 процента. При трех сигмах - примерно таком уровне значимости, к которому и ATLAS, и CMS пришли в декабре - вероятность статистической вариации по-прежнему высока и составляет 0,26 процента..
Между тем, другой эффект, вероятно, омрачит завтрашнее объявление: поскольку исследователи ищут сигналы в большом диапазоне масс, вероятность стать жертвой статистической флуктуации в одном из множества отдельных измерений возрастает. Если учесть этот эффект «заглянуть в другое место», значимость сигнала уменьшится примерно на одну сигму. Позиция руководства CERN всегда была такой: только когда и ATLAS, и CMS, независимо друг от друга и с поправкой на эффект «заглянуть в другое место», видят сигнал пяти сигм, это считается открытием. Однако нельзя исключать, что от этой позиции отказались, учитывая, что сигнал появлялся при одной и той же энергии во многих каналах распада и в двух детекторах независимо..
Один последний тест
Тем не менее, этот тест, несомненно, является одной из вещей, которые еще нужно прояснить, прежде чем новый сигнал можно будет отнести к бозону Хиггса. Кроме того, в куче щебня должны быть обнаружены и другие продукты распада бозона Хиггса. Согласно Стандартной модели, долгожданная частица должна распасться на множество других частиц. Для некоторых из этих «каналов распада» огромное количество других продуктов столкновений частиц скрывает подозрительные следы - например, в случае распада бозона Хиггса на два кварка. Но именно в этом канале распада ускоритель Тэватрон под Чикаго в понедельник сообщил о накоплении подозрительных сигналов, что подтверждает находку на БАК..
Чтобы однозначно идентифицировать сигнал, необходимо также точно измерить спин (своего рода собственный угловой момент) новой частицы. Согласно стандартной модели, бозон Хиггса должен иметь нулевой спин - для его определения, вероятно, потребуется полный набор данных за 2012 год, возможно, это станет возможным только в 2015 году, после того, как БАК будет перестроен.
Однако не раньше осени можно было узнать, как часто вновь открытая частица распадается на различные другие частицы. Только так исследователи могут рассчитать, насколько сильно предполагаемое поле Хиггса взаимодействует с различными элементарными частицами. Если дальнейшие измерения покажут большие отклонения от предсказаний Стандартной модели, возможен сценарий, которого некоторые физики могли бы втайне желать: сигнал вовсе не является частицей Хиггса - или это частица Хиггса, которая не соответствует ожиданиям физики элементарных частиц.
Потому что это выявило бы большие пробелы в Стандартной модели: пробелы, размер которых, в свою очередь, мог бы точно измерить БАК. И это укажет путь к теории, которая заменит Стандартную модель. Это неизбежно, потому что прежние законы природы больше не могут объяснить весь космос. Стандартная модель достигает своих пределов, когда речь идет о темной материи, темной энергии, описании масс нейтрино или объяснении того факта, что существует всего три поколения кварков и нейтрино. Но если БАК не обнаружит никаких других признаков новой физики в ближайшие несколько лет, например, в виде суперсимметричных частиц или дополнительных измерений, следующего крупного открытия придется ждать так же долго, как это делал Питер Хиггс для обнаружение его частицы.