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

такого рода может объясняться статистической случайностью, которая должна исчезнуть по мере накопления новых данных. Но этот тип реакций всегда был под особым наблюдением, потому что они очень чувствительны к присутствию Новой физики. Если тут задействованы какие‑то более массивные частицы, пока еще не открытые, их присутствие может обнаруживать себя косвенным образом, например, изменяя вероятность этого процесса.

Все это занимало очень многих, но с особенным трепетом следили за происходящим два пожилых господина – Питер Хиггс и Франсуа Англер. Оба прекрасно знали, что звонок из Стокгольма, которого они ждали так много лет, раздастся лишь после того, как ATLAS и CMS выскажутся совершенно определенно и вместо слов “хиггсовского типа”, использовавшихся в статьях и официальных сообщениях, появится единственное слово: “Хиггса”. То, к чему они интуитивно пришли в 64‑м, признают верным лишь в том случае, если частица, открытая в 2012‑м, будет обладать всеми теми характеристиками, которые предсказывала для бозона Хиггса Стандартная модель.

На протяжении всего года LHC продолжал сталкивать протоны с большой производительностью, и вскоре мы с запасом прошли рубеж в 20 fb-1. Теперь у нас было достаточно данных, чтобы приняться за проверки всех этих аномалий. Обладая данными, вчетверо превосходящими по объему данные на предыдущем цикле, мы получили сигнал значительно более сильный и значительно более ясный. Да и в каналах, где на момент открытия у нас было лишь по горстке событий, их в итоге накопилось достаточно, чтобы провести более подробные исследования и поискать возможные аномалии.

Прежде всего следовало сосредоточиться на измерении спина. Механизм тут прост и не раз использовался в прошлом. Для измерения этой характеристики у неустойчивой частицы, вроде бозона Хиггса, измеряется угловое распределение продуктов ее распада. Вид кривых, описывающих пространственное распределение электронов, мюонов и других частиц-осколков после распада материнской частицы, говорит о многом. Эти кривые будут принципиально различаться в зависимости от того, был ли у распавшейся материнской частицы спин 0, 1 или 2. И что же выяснилось? Из всех гипотез та, что новая частица была скалярной в соответствии с предсказанием теории Браута, Хиггса и Англера, значительно обгоняла в правдоподобии любую другую.

Затем начались измерения в каналах распада бозона на b-кварки и тау-лептоны. Пришлось использовать все собранные данные и значительно увеличить чувствительность их анализа, чтобы увидеть в этих столь важных каналах первые слабые признаки. Бозон Хиггса должен сцепляться с b-кварками и с тау-лептонами для придания им массы и потому с неизбежностью обязан распадаться на эти легкие частицы[46]. Не будь этого, под всю теорию оказалась бы заложена страшная бомба: пришлось бы допустить существование какой‑то другой частицы, отличной от бозона Хиггса, которая отвечала бы за появление массы у легких элементарных частиц. Для Стандартной модели в том виде, как она существовала, это означало бы полный крах.

Но в итоге зародившиеся было сомнения рассеялись. С появлением полной статистики и ATLAS, и CMS показали очевидные сигналы, что никаких аномалий в сцеплении бозона Хиггса с b-кварками и тау-лептонами нет. На графиках, обобщающих полученные результаты, появилась та самая впечатляющая пропорциональность констант связи массе, которую предсказывала теория 64‑го года.

Но зато возникло растущее напряжение из‑за парочки других проблем, разрешить которые удалось только после многих месяцев неистовой работы. На протяжении всего 2012 года ATLAS обращался к нам с вопросами относительно измерения массы бозона. В Стандартной модели масса бозона Хиггса – параметр исключительной важности, но он не определяется в самой теории и должен быть измерен экспериментально с максимальной возможной точностью. Для этого использовались два наиболее ясных канала распада, обеспечивающих максимальное разрешение: распад на два фотона и распад на два Z-бозона, которые, в свою очередь, распадаются на четыре лептона. Это два независимых эксперимента, но они должны давать согласующиеся значения. На CMS именно так и происходило, но на ATLAS получались два различающиеся между собой результата; такое в принципе возможно, но наблюдаемое расхождение более чем в 3 ГэВ между значением массы, полученным в канале распада на два фотона, и значением массы, полученным в канале распада на четыре лептона, представлялось чрезмерным. На ATLAS бросились искать объяснения, и некоторые теоретики всерьез принялись разрабатывать гипотезу, что в действительности был открыт “дублет” бозонов: две частицы с близкими массами, каждая из которых отличается от бозона Хиггса в Стандартной модели. Наконец, спустя месяцы внимательного изучения калибровок калориметра и бесконечных перепроверок инструментов анализа, разница между двумя значениями сократилась до 2,5 ГэВ, что уже больше походило на экспериментальную ошибку, – и дело отправили в архив.

В те же самые месяцы, когда на ATLAS воевали с разницей в значениях массы бозона, на CMS волновались по поводу распада на два фотона. По мере получения новых данных сигнал вдруг стал слабнуть, будто бы в новом цикле и не было его усиления и будто бы это вовсе не он был настолько силен, что мы приглашали его на сцену и в 2011‑м, и в 2012 годах. После первого недоумения решено было еще раз все проверить, чтобы отыскать причины возможной ошибки. Летом, например, интенсивность пучков в коллайдере снова стала расти, из‑за чего усиливался эффект pile-up, – а значит, мы могли потерять значительную долю данных о событиях с участием бозона Хиггса, которые надеялись получить после внесенных изменений. Пришлось в очередной раз начинать все сызнова, буквально с нуля. Наконец, после восьми месяцев гонки и проведения аккуратных измерений, стало ясно, что это никакая не аномалия, а статистическая флуктуация. В первых 10 fb-1 (до середины 2012 года) мы наблюдали позитивную флуктуацию – то есть бозоны Хиггса появлялись чаще, чем можно было ожидать; а в следующих 10 fb-1 (во второй половине года) флуктуация была отрицательная, и сигнал становился слабее. При учете всех данных сигнал оказался точно соответствующим предсказаниям Стандартной модели. Ожидания, что в распаде на два фотона прячутся первые признаки Новой физики, на тот момент не подтвердились.

Когда в начале 2013 года мы наконец сочли возможным выступить с заявлением о том, что новая частица – скаляр и по всем своим характеристикам точно соответствует бозону Хиггса, больше других обрадовались этому как раз те двое наших немолодых коллег, которые с особым трепетом следили за всеми фазами финального анализа. Теперь ни у кого не оставалось сомнений: их предсказания были абсолютно точны.

Год элегантных нарядов

Присуждение Нобелевских премий – процедура довольно сложная, но имеющая четкие рамки. Победителей чаще всего объявляют во вторую неделю октября, а сама церемония награждения и вручения медалей проходит в Стокгольме 10 декабря,