Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир - Гвидо Тонелли

Фермионные каналы, то есть такие, в которых бозон Хиггса распадается на две струи b-кварков или на два тау-лептона, значительно сложнее всех прочих. Доля случаев, в которых они имеют место, высока, но результирующие распады бозона Хиггса практически идентичны огромному числу нормальных событий, которые замазывают сигнал и “мутят воду”. Эти каналы будут изучаться и станут важны уже после открытия бозона Хиггса, когда понадобится выяснить, нет ли каких‑то других аномалий, – в частности, связан ли бозон Хиггса с фермионами именно так, как предсказывает Стандартная модель.

Так выглядит принятая нами стратегия поиска бозона Хиггса. В области больших масс данных должно быть достаточно для получения хорошо видимого сигнала при комбинации всех каналов распада на пары W– и Z-бозонов. Если бозон Хиггса, напротив, окажется в области значительно более проблемной, со значениями массы меньше 150 ГэВ, то мы распознаем первые признаки его присутствия, регистрируя избыток событий в канале распада на пару W-бозонов, а в каналах распада на два фотона и на два Z-бозона в то же самое время появятся два ясно различимых пика при одном и том же значении массы.

Когда мы видим появление сигнала, то должны проверить, совместимы ли его интенсивность и вероятности различных каналов распада с теми, которые предсказывает теория для бозона Хиггса с такой же массой. Наконец, надо учитывать статистику, потому что каждая новая наблюдаемая нами картинка может оказаться не более чем случайной флуктуацией уже известных явлений, вносящих свой вклад в фоновый шум. В том, что действительно происходит нечто новое, мы будем уверены лишь тогда, когда сигнал окажется настолько силен, что вероятность для него оказаться результатом простой статистической флуктуации будет доведена до значения менее одной миллионной. До этого момента мы обязаны проявлять осмотрительность.

И снова контрастный душ

К июню 2011 года на LHC уже собрано более 1 fb-1 данных. Целевое значение для всего года было достигнуто в первые три месяца. Теперь статистика позволяла нам изучать все самые интересные каналы, и, по мере накопления данных, становилось все более маловероятно, что бозон Хиггса прячется где‑то в области больших масс. В промежутке между 150 и 450 ГэВ мы уже достигли достаточной чувствительности, чтобы либо увидеть бозон, либо исключить его присутствие здесь. Но при бóльших значениях массы у нас не было значимого избытка событий. Все, что мы видели, объяснялось уже известными процессами Стандартной модели, так что теперь мы могли приступать к исключению присутствия бозона Хиггса в области от 150 до 200 ГэВ и в области от 300 до 450 ГэВ. Делать заключения для значений массы между 200 и 300 ГэВ, ниже 150 и выше 500 ГэВ мы пока не могли: чтобы говорить о чем‑то с уверенностью, нашей технике недоставало чувствительности. Нам требовалось больше данных.

И, тем не менее, в области ниже 150 ГэВ явно происходило что‑то любопытное. Интерес и удивление вызывал избыток событий в канале распада на два W-бозона. Однако все относились к этому со скепсисом, так как в каналах распада на два фотона или на четыре лептона ничего не было; впрочем, для каких‑то определенных предположений статистика была еще недостаточна.

После того как все было проверено, мы представили первые результаты на конгрессе Европейского физического общества, собравшегося в Гренобле в июле. Обнаруженный нами избыток не был значим и преимущественно проявлялся в канале распада с низким разрешением; тем не менее возник некоторый ажиотаж, ибо нечто похожее наблюдали и на ATLAS.

В точности, как и наши данные на CMS, результаты, полученные на ATLAS, исключили большие значения массы для бозона Хиггса, между 150 и 200 ГэВ и между 300 и 450 ГэВ. В них тоже присутствует избыток событий в канале распада на два W-бозона и на том же отрезке небольших значений масс, несмотря на то, что два эти результата заметно различаются. Интерес научного сообщества был до того высоким, а внимание прессы настолько настойчивым, что в мире стало шириться ожидание неминуемого открытия; в коллаборациях неостановимо нарастал оптимизм. Однако эти ожидания были абсолютно необоснованными, и мы всячески старались объяснять это как коллегам из коллабораций, так и журналистам. Время еще не пришло, чувствительность пока недостаточна, надо подождать, когда мы пройдем рубеж в 5 fb-1, – лишь после этого можно будет сказать что‑то определенное и относительно области небольших масс. О верных признаках присутствия бозона Хиггса можно будет говорить только тогда, когда появятся – если вообще появятся! – какие‑то сигналы и в каналах с высоким разрешением. Но все наши усилия оказались напрасными. В газетах выходили статьи с заголовками “Хиггс: мы, кажется, у цели!” или “Интригующий избыток событий на уровне 140 ГэВ – возможно, именно там прячется давно разыскиваемый бозон”.

Впрочем, во всей этой какофонии была и одна радующая нота: стало ясно, что эксперименты на LHC заняли лидирующие позиции в гонке за бозоном Хиггса. Ученые с Тэватрона чувствовали наше дыхание на своих затылках. Данные, которые они представляли в Гренобле, год спустя после шокировавшего нас выступления в Париже, больше не были такими же интересными. Все знали, что если LHC не сбавит темп, Тэватрон соревнование проиграет.

После нашего выступления в Гренобле, вызвавшего взрыв энтузиазма, миновало всего несколько недель, когда все вдруг вмиг успокоилось. Сначала на ATLAS обнаружили небольшую ошибку в своем анализе: во время подготовки доклада на конференции один из источников фонового шума был сильно недооценен. При повторном проведении вычислений выяснилось, что избыток событий, вызвавший столько разговоров, стал значительно менее очевиден. При дальнейшем исследовании новых данных все и вовсе вернулось к нормальности. LHC продолжал работать полным ходом, и в последующие недели избыток событий при 140 ГэВ ослаб в обоих экспериментах до почти полного исчезновения.

Когда мы встретились в августе в Мумбае на Лептон-фотонной конференции[40] (в сезон проливных дождей, принесенных индийскими муссонами), оба эксперимента только и смогли, что меланхолически констатировать: избыток событий на малых массах, так всех впечатливший всего месяц назад, вместо того чтобы становиться заметнее и заметнее, утратил всякую значимость. Депрессивные муссоны смыли последние остатки энтузиазма. Наши эмоции еще раз прокатились на американских горках, но нам было не привыкать.

Как часто случается при переходе от энтузиазма к разочарованию, теперь превалировал пессимизм. Мы готовились к худшему: LHC ничего нам не даст, бозон Хиггса не существует. Почти все были уверены, что наши старания ни к чему не приведут. Мы окажемся очередными в длинном списке экспериментов,