Эврика!: Охота за «частицей бога»

Для объяснения этому еще в 1960-х шотландец Питер Хиггс и его коллеги предположили существование некоего поля, названного полем Хиггса. Тяжелые частицы взаимодействуют с ним весьма интенсивно, частицы полегче слабее, безмассовые — вовсе не взаимодействуют. Примерно так живые существа движутся в воде: акулы легко преодолевают ее сопротивление, а какие-нибудь бегемоты делают это с трудом, медленно.

Раз уж масса создается полем, то поле это, как и прочие фундаментальные поля, должно иметь некоторые частицы, которые его создают и, в тоже время, обмен ими объясняет взаимодействие других частиц с этим полем. Так же, как носителями электромагнитного поля являются фотоны, при этом выступая и мельчайшей частицей, квантом этого поля. Если вернуться к аналогии с водой, эти частицы должны играть роль молекулы Н2О — они получили название бозонов Хиггса. Оставалось эти частицы найти.

Однако, чтобы искать нечто, надо представлять себе, что именно мы ищем. Если это элементарная частица, то — какой массы? Допустим, мы запустим супер-огромный коллайдер и лоб в лоб сшибем на околосветовой скорости пару протонов. Столкновение это породит целый зоопарк из сотен разных частиц, причем в зависимости от ряда обстоятельств набор этот будет очень различным. Где и как среди них искать долгожданный бозон Хиггса?

Теоретические расчеты дают сразу несколько вариантов, а порой — и предсказывают существование нескольких разных хиггсовских бозонов. После многолетней работы с теорией и экпериментов ясно было лишь одно: масса бозона Хиггса исключительно велика, а поскольку масса и энергия связаны известной эйнштейновской формулой, энергия столкновения, которое породит такие тяжелые частицы должна быть очень высокой. Для поиска «частицы бога» пришлось возводить самый колоссальный инструмент в истории науки — Большой Адронный Коллайдер (подробно о нем мы рассказывали в заметке «Пока не случился БАК»).

Кстати, почему бозон Хиггса называют столь громко — «частицей бога»? Речь, разумеется, не о том, будто бог состоит из этих бозонов. Просто это последний кусочек паззла, который позволит подтвердить (и, в дальнейшем — уточнить) т.н. Стандартную Модель — теорию элементарных частиц, из которых построен наш мир и характеристики которых определяют его свойства на всех уровнях.

Итак, протон сталкивается с протоном на огромной скорости. Энергия этого столкновения приводит к появлению лавины новых частиц, большинство которых распадается на другие, и детекторы регистрируют те, которые удается поймать. После обработки этих данных физики определяют тип, импульс и энергию этих частиц. Каждое из таких событий имеет определенную вероятность, и чтобы увидеть какую-нибудь редкостную частицу, нужно не только соблюсти необходимые условия, но и провести достаточное количество столкновений. Только тогда результат будет достоверным.

На БАКе трудятся тысячи ученых из десятков стран, эксперименты проходят параллельно на двух детекторах частиц — CMS и Atlas — позволяя проверять полученную картинку. Этот циклопический прибор позволяет добиться не только нужной энергии, но и достаточного количества столкновений для получения статистически достоверных результатов. И первые намеки на долгожданное открытие появились в конце прошлого года.

Тогда представители и CMS, и Atlas объявили о некотором сигнале около массы в 125−126 Гэ*В (для сравнения, масса электрона составляет примерно 0,5 Мэ*В, а протона — 940 Мэ*В). Главным же можно назвать то, что с вероятностью более 95% ученые исключили все предложенные варианты массы бозона Хиггса за пределами промежутка 115,5 — 131 Гэ*В. Однако в тот момент накопленных данных было никак недостаточно для того, чтобы считать сигнал действительно сигналом, а не случайным отклонением фонового шума: статистическая значимость его не превысила 2,3 сигма. Впрочем, подробнее об этом событии лучше прочесть в нашей заметке «Определенно, может быть».

Казалось бы, надо снова и снова проводить наблюдения в районе 125−126 Гэ*В, однако как раз после этого интригующего сообщения коллайдер был остановлен. На зиму БАК выключают — по официальным заявлениям, на техобслуживание, по слухам — из-за высокой стоимости электроэнергии в Швейцарии, которая зимой еще более увеличивается.

И лишь несколько месяцев назад, после очередного включения эксперименты возобновились с новой силой. К данным, собранным прежде, добавились данные 2012 года. И вот сигнал на 126 Гэ*В, признаки которого были найдены в декабре 2011 г., снова проявился. При этом локальная статистическая значимость на детекторе CMS достигла 4,9 сигма, а на Atlas — 5. Объединения данных с обоих детекторов еще не сделано, хотя можно с уверенностью сказать, что его достоверность заметно превысит границу, после которой можно будет уверенно сказать: бозон Хиггса, носитель массы, «частица бога», наконец, найдена.

Заметим, что сам хиггсовский бозон детекторами БАКа не регистрируется. Вместо этого физики ловят картину его быстрого распада на более легкие частицы. Такой распад, по расчетам, должен развиваться по нескольким возможным сценариям (каналам): например, на пару гамма-фотонов, или на два Z-бозона. Именно картина этих каналов дает возможность считать исходную нерегистрируемую частицу именно бозоном.

Осторожным ученым, говорящим пока о «предварительном» результате, еще предстоит проверить свойства этого бозона, окончательно подвести под данные статистическую базу и — главное — сделать из полученной информации научные выводы. Несомненно, что на основе значения массы найденной частицы можно будет отбросить некоторые существующие теории и повнимательней присмотреться к другим. Возможно даже, что бозонов Хиггса действительно окажется не один, а два. Скоро мы узнаем всё.