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

Конвей объединил все программы, необходимые для моделирования, и добавил дополнительные команды, позволяющие распределить вычисления между двадцатью различными компьютерами. Нажатием кнопки он ввел команды в компьютеры в вычислительном центре Университета Калифорнии и запустил процесс. Теперь оставалось только ждать — для того, чтобы обработать данные и получить ответ, требовалось несколько дней, даже при параллельной работе компьютеров.

Предстояло сделать и кое-что еще. Конвея пригласили прочитать доклад по последним результатам охоты на бозон Хиггса на конференции в Аспене, которая планировалась на январь следующего года. Таким образом, у него было всего четыре недели до каникул на то, чтобы проверить новые данные, подтвердить их и получить добро на публичное оглашение. Эти процедуры в Фермилабе весьма формализованы и очень основательны. Все должно быть оформлено в письменном виде и проведено через два совещания групп, где докладчика закидывают вопросами с такой интенсивностью, что многие физики сравнивают это испытание со спортивной стрельбой.

Естественно, вероятность того, что группа Конвея нашла частицы Хиггса, была невелика. Скорее всего, это был мощный, но случайный всплеск в данных, который исчез бы, как только команда CDF проанализировала бы большее число столкновений. И тогда пик на графике доставил бы много неприятностей. Конвей надеялся рассказать на конференции в Аспене, что его команда, по крайней мере, исключила определенный интервал масс, которые частица Хиггса не может иметь, и тем самым сузила интервал масс, где она может сидеть. Пик на графике сделал бы выводы гораздо менее определенными. Он означал, что для бозона Хиггса нельзя исключить массу 160 ГэВ.

Конвей вернулся в лабораторию Ферми в понедельник и созвал экстренное совещание со своими коллегами Антоном Анастасовым, Кристобалем Алменаром Куэнком и Амитом Латом. Они провели еще одну проверку данных и порадовались, что не сделали никаких глупых вычислительных ошибок, и пик на графике действительно означал, что это либо случайная флуктуация, либо новая частица. Как раз в это время пришел ответ из Калифорнии, куда Конвей отправил данные для расчета на компьютерах своего университета. Вероятность того, что это была случайная флуктуация, оказалась равной 2 процентам!

Первое заседание группы, известное как “предварительное благословение”, прошло без сучка без задоринки. Вскоре вокруг заговорили, что в группе Конвея получили интересный результат. На втором групповом совещании появилось больше физиков, и они “поджарили” членов команды Конвея, забросав их весьма сложными вопросами. В конце концов группа все-таки получила зеленый свет и окончательное благословение на обсуждение результатов в Аспене, где уже через несколько дней должна была начаться конференция. На конференции Конвей рассказал о поиске бозона Хиггса на детекторе CDF. Он пояснил, что всплеск в данных не позволяет исключить того, что частица Хиггса, если она есть, имеет массу порядка 160 ГэВ, и продемонстрировал тот же самый график, от которого у него зашевелились волосы на голове в ту субботу перед Рождеством в ЦЕРНе. “Это — недоказанный результат, подчеркнул я. Да, у нас есть небольшой пик на графике, и это либо статистическая флуктуация, либо претендент на сигнал от бозона Хиггса, и вы сами, сказал я им, должны решать, какой вариант правдоподобнее”, — вспоминает Конвей.

Несмотря на все предосторожности, предпринятые Конвеем, слухи, что группа, возможно, вышла на след частицы Хиггса, распространялись как лесной пожар. “В течение двадцати четырех часов я получал непрерывно мейлы, и кто мне только не звонил! И все хотели знать, увидели мы Хиггса или нет”, — рассказал Конвей.

У физического сообщества были веские причины прийти в возбуждение. Если всплеск в данных Конвея вызван родившейся частицей Хиггса, распадающейся на тау-лептоны, это серьезно изменило бы понимание основных законов природы. Частица Хиггса не обычная частица. Она одна из квинтиплета, существование которого предсказывает теория суперсимметрии. В суперсимметричных вселенных, как мы знаем, каждая частица имеет более тяжелого партнера-невидимку, скрывающегося в тени. Теория эта очень красива с точки зрения математики, но абсолютно противоречит интуиции. Если бы она подтвердилась, это помогло бы физике выйти из депрессии, приоткрыв наконец-то дверь в мир, лежащий за пределами Стандартной модели. И обнаружение суперсимметричной частицы Хиггса могло положить этому начало.

Теоретикам, для которых красота и истина равнозначны, очевидно: природе должно быть стыдно, если она не включила в себя суперсимметрию. Как это часто бывает в физике, важность теории зависит от ее способности к объединению. Максвелл объединил электричество и магнетизм и при этом объяснил природу света. Эйнштейн объединил пространство и время и показал, что энергия и масса эквивалентны. Суперсимметрия, пожалуй, еще более амбициозна — она объединяет материю с силами природы.

Суперсимметричная Вселенная — мечта любого любителя кроссвордов181. Каждая частица — переносчик взаимодействия — имеет свою пару, гипотетическую частицу материи. Фотон, переносчик электромагнитных сил, имеет партнера — фотино. Партнерами глюонов, которые переносят сильное взаимодействие внутри атомных ядер, являются частицы, называемые глюино. А парами носителей слабого взаимодействия, W- и Z-бозонов, — виносы и зиносы. Обратное утверждение тоже справедливо. У каждой известной нам частицы материи есть пара — гипотетическая частица, носитель взаимодействия. Для электрона — селектрон, для кварков — скварк. Бозон Хиггса тоже получает своего собственного суперпартнера хиггсино.

На первый взгляд суперсимметрия кажется трюком, придуманным для того, чтобы представить мир более сложным, чем он есть на самом деле. Но есть серьезные основания считать, что эта теория адекватно отражает глубинную структуру природы. Не касаясь эстетических и лингвистических аспектов, скажем только, что суперсимметрия ликвидирует некоторые изъяны Стандартной модели, из чего следует, что та должна быть заменена на нечто лучшее.

Возьмем частицы Хиггса. В квантовом мире частица Хиггса легко обрастает виртуальными частицами, которые рождаются в вакууме и исчезают в нем. Эти мимолетные частицы дают вклад в массу самого хиггсовского бозона и могут вполне сделать его вес очень большим. Если сложить массы этих виртуальных частиц, налипших на бозон Хиггса, его вес возрастает более чем в 1015 раз по сравнению с тем, что, как предполагается, должен дать эксперимент. Физики называют это проблемой иерархии. Тяжелая частица Хиггса не может выполнять функцию, для которой она предназначена, то есть нарушать электрослабую симметрию. Если Хиггс окажется тяжелым лентяем, ученые будут вынуждены вернуться к своим письменным столам и придумать другой источник происхождения массы.

Вполне возможно, что законы природы столь тонко настроены, что эффекты увеличения веса за счет “налипания” одних виртуальных частиц компенсируются эффектами от налипания других виртуальных частиц, и таким образом бозон Хиггса остается легким. Но это, по мнению ученых, маловероятно. Для того чтобы такое случилось, свойства частиц и сил в Стандартной модели должны быть настроены с точностью, превосходящей пятнадцать знаков после запятой. С какой стати законы природы должны быть так чувствительны к самым незначительным изменениям? Суперсимметрия предлагает выход из тупика. В суперсимметричном квантовом мире именно суперпартнеры отбирают у бозона Хиггса излишек массы, который возникает из-за виртуальных частиц. W-бозон, появляясь на свет, цепляет проносящуюся мимо частицу Хиггса и делает ее тяжелее, и тогда скрытый двойник W-бозона — вино — тут как тут, чтобы отнять этот излишек веса.

Теория суперсимметрии развязывает и другой узел, завязанный в Стандартной модели. Физики считают, что сразу после Большого взрыва все силы природы, с которыми мы сталкиваемся сегодня, были объединены в одну Суперсилу. Когда температура Вселенной уменьшилась примерно до 1015 градусов, включилось поле Хиггса и разделило электромагнитные и слабые взаимодействия. Но сильное взаимодействие, которое удерживает кварки вместе внутри протонов и нейтронов, отделилось еще раньше, когда космический термометр показал 1028 градусов. В этом и заключается проблема. Ученые считают, что, если повернуть время вспять, к моменту возникновения Вселенной, различные взаимодействия должны в конечном итоге встретиться и объединиться в одно, но в рамках Стандартной модели этого не произойдет. Они подойдут близко, но никогда не сольются. В теории суперсимметрии этой неувязки нет — все силы сходятся в одной точке. Что еще больше вдохновляет физиков, так это то, что теория суперсимметрии указывает путь к объединению этих сил с гравитацией, которая полностью игнорируется в Стандартной модели.