Мелодрама под названием "Время искать Хиггс"

Гордон Фрейзер

В прошлом году в CERNe был завершен эксперимент на Большом электрон-позитронном коллайдере LEP. Окончание эксперимента оказалось весьма мучительным и сопряженным с большими спорами. Это связано с тем, что в эксперименте, по всей видимости, были обнаружены следы долгожданного бозона Хиггса - единственного недостающего компонента в современной картине физики элементарных частиц.

"Сезон туманов и спелых фруктов", так написал английский поэт Джон Китc (1795-1821) в своей широко известной оде "Осени". Осень 2000-ого года в CERNе проходила совершенно иначе.

В течение последних месяцев 2000-го года "CERN Courier" давал информацию об экспериментальных достижениях на электрон-позитронном коллайдере LEP, а именно о том, что энергия ускорителя доведена до беспрецедентно высокого уровня, не предусмотренного проектом. Это объяснялось тем, что в преддверии окончательного завершения экспериментов на LEPе были получены некоторые весьма интригующие доказательства существования долгожданного бозона Хиггса - частицы, которая краеугольным камнем лежит в основании современной теории элементарных частиц.

Согласно плану, работа ускорителя LEP должна была завершиться в сентябре 2000 года. Однако она была продлена на шесть недель для того, чтобы увеличить статистику событий, которые можно рассматривать как кандидаты в бозоны Хиггса (так называемые шесть недель "stay of Higgs execution"). За отведенное время были найдены дополнительные кандидаты в бозоны Хиггса, но этого оказалось не достаточно для того, чтобы утверждать об открытии. В связи с тем, что к тому времени сильно поджимали сроки начала работ по ускорителю LHC (который должен быть смонтирован в том же 27-и километровом тоннеле, в котором находится LEP), было принято решение о закрытии LEPa.

Краткая предыстория

27-и километровое накопительное кольцо LEP в CERNe первоначально строилось с целью проведения экспериментов по прецизионному измерению параметров Z-бозона (электрически нейтрального переносчика слабого взаимодействия, открытого на протон-антипротонном коллайдере в CERNе в 1983-м году). Поэтому, когда LEP начал работу в 1989 году, электронный и позитронный пучки ускорителя имели энергию около 45 ГэВ каждый (Н.Н.: напомним, что масса Z⁰-бозона равна примерно 91 ГэВ).

Тем не менее, с самого начала LEP предназначался для гораздо большего, чем просто изучение свойств Z-бозонов. Еще до того, как проект ускорителя был формально одобрен в 1981-ом году, в рамках долгосрочной программы исследований началась разработка сверхпроводящих радиочастотных резонаторов, которые были призваны увеличить энергию каждого из пучков примерно до 100 ГэВ. Это давало возможность изучать физические процессы далеко от порога рождения $Z$-бозона.

К 1996-му году все необходимые технологии были разработаны и LEP обзавелся новыми ускоряющими резонаторами. К 1998-му году на ускоритель было поставлено 272 резонатора, что позволило довести энергию столкновения (то есть суммарную энергию пучков в системе центра масс) до 189 ГэВ. Такая энергия более чем достаточна для того, чтобы получать W-бозоны, которые являются электрически заряженными партнерами Z-бозона (при электрон-позитронных столкновениях возможно рождение только пар W⁺W^--бозонов).

К началу сеанса (Н.Н.: по-английски этот термин обозначается словом "run", которое давно и прочно вошло в жаргон отечественных физиков, однако при переводе я предпочитаю использовать более устоявшийся термин, который, впрочем, тоже относится к жаргону) 1999-го года были установлены 16 дополнительных ускоряющих резонаторов, что привело к увеличению энергии сталкивающихся пучков до 192 ГэВ. Cуперрезонаторы полностью отвечали своему названию и скоро стали создавать ускоряющий градиент электромагнитного поля больший, чем первоначально запланированные 6 МэВ/м. В сентябре 1999-го года энергия каждого из сталкивающихся пучков LEPa была впервые доведена до 100 ГэВ.

В конечном счете, целью повышения энергии сталкивающихся пучков являлись поиски единственного недостающего звена Стандартной Модели - бозона Хиггса. При помощи этой частицы реализуется нарушене фундаментальной электрослабой симметрии. Это приводит к тому, что хорошо нам известное из повседневной жизни электромагнитное взаимодействие на первый взгляд абсолютно не похожее на слабое взаимодействие, точно так же как свет вроде бы не имеет ничего общего с ядерным -распадом. Именно так думали физики на протяжении большей части XX-го столетия, пока не была осознана фундаментальная связь между электромагнитным и слабым взаимодействиями.

Бозон Хиггса наделяет частицы массами так, что переносчик электромагнитного взаимодействия фотон остается безмассовым и может перемещаться на какие угодно расстояния, в то время как слабое взаимодействие передается при помощи массивных частиц, что ограничивает радиус этого взаимодействия субъядерными масштабами. К сожалению, электрослабая теория не дает однозначных предсказаний относительно свойств бозона Хиггса.

Тем не менее, поиски Хиггса не являлись абсолютно бесперспективными. Можно было провести совместный анализ всех параметров электрослабой модели (Н.Н.: некоторые измеренные на опыте параметры Стандартной Модели, такие, например, как масса t-кварка или различные асимметрии, на уровне однопетлевых поправок связаны с массой бозона Хиггса). Поскольку эти параметры измерялись со всевозрастающей точностью, то область, в которой мог прятаться бозон Хиггса постепенно сужалась.

Так в 1999-м году стало ясно, что LEP достиг энергий, при которых с большой долей вероятности может быть открыт бозон Хиггса. Рабочая группа, состоящая из представителей четырех LEPовских экспериментов ALEPHa, DELPHI, L3 и OPALa, с огромным энтузиазмом взялась за тщательное исследование новых данных.

При взаимной аннигиляции электрона и позитрона бозон Хиггса может рождаться совместно с Z-бозоном. На подобную возможность еще в 1976-м году в серии пророческих статей обратили внимание CERNовские теоретики Джон Эллис (John Ellis), Мари Гайар (Mary K Gaillard) и Димитрий Нанопулос (Dimitry Nanopoulos).

Шекспир писал: "Слух есть труба, в которую дуют догадка, зависть, предположение". Осенью 1999-го слухи о возможном открытии бозона Хиггса распространялись по коридорам CERNa и в сети Интернет. Пресс-служба CERNa начала, особо это не афишируя, собирать материал для объявления об обнаружении бозона Хиггса.

CERNовские физики сообщают о своих экспериментальных достижениях на специальных собраниях. В данном случае это были заседания LEP Experiments Committee (Н.Н.: Английское LEP Experiments Committee можно перевести как "Комитет экспериментов LEPа", но в тексте я оставлю английский вариант, поскольку употребление русского перевода хорошо знакомого любому физику-элементарщику словосочетания буквально режет слух.). Как правило, они проходят несколько раз в год. Собрания обычно открываются сообщениями группы, которая ответственна за состояние ускорителя. Затем идут доклады представителей каждого из четырех экспериментов. В этих докладах сообщается о новых исследованиях и открытиях.

На собрание, проходившее 9-го ноября 1999-го года, явилось особенно много народа, что было обусловлено слухами относительно возможного наблюдения бозона Хиггса. Тем не менее, вопреки ожиданиям, никаких сообщений об открытии бозона Хиггса представлено не было.

Демонтаж детекторов LEPa. В верхнем ряду: маленький человек атакует гиганский ALEPH (слева), детектор L3 перед демонтажем (справа). В нижнем ряду: идет демонтаж детекторов DELPHY (слева) и OPAL (справа).

Хиггс где-то рядом

LEP начал 2000-й год с большого успеха. На некоторых медных резонаторах старой конструкции удалось немного поднять ускоряющее напряжение, так что стало возможным достичь энергии 104 ГэВ на каждый пучок. Охота на Хиггса возобновилась с новой силой.

Обычно сухие и скучные открытые заседания LEP Experiments Committee преобрели небывалую популярность, так что надо было приходить очень рано, чтобы занять хорошее место в самой большой 500-местной аудитории CERNa. Заседания также транслировались по сети, однако трансляции не могли уловить сильное возбуждение аудитории (Н.Н.: истинная правда, как непосредственный свидетель тех заседаний могу утверждать, что полустатичная картинка с плохим разрешением, которая шла по внутренней интернет-трансляции совершенно не способна передать странное внутреннее напряжение зала; так, видимо, в древности люди жаждали увидеть чудо, сотворенное на их глазах шаманом или пророком, а не увидев, съедали наглого самозванца, обманувшего их лучшие ожидания).

Несмотря на новую волну слухов, и на собрании в июле 2000-ого года не последовало более определенных сообщений, хотя область, в которой можно было бы найти Хиггс, сузилась. Поэтому LEPовский сеанс 2000-ого года решено было продлить на несколько недель до 1-ого октября (Н.Н.: согласно первоначальному плану, работу LEPа предполагалось завершить в конце лета 2000-ого года).

1-го августа на самой представительной международной конференции по физике высоких энергий в г.Осака, Япония (Н.Н.: речь идет о Рочестерской конференции 2000-го года) аудитория жаждала услышать об открытии бозона Хиггса. Однако, Питер Иго-Кеменес (Peter Igo-Kemenes) из Гейдельберга, который делал обзорный доклад о новой физике на электрон-позитронных коллайдерах, сообщил только, что бозон Хиггса с массой меньше 113 ГэВ не обнаружен.

Несолоно хлебавши, делегаты разъехались из Осаки по своим институтам. Вместе с ними расползлись и слухи о Хиггсе. 5-го сентября в CERNe состоялся специальный семинар, на котором Рабочая группа LEPa по поиску бозона Хиггса (LEP Higgs Working Group - Н.Н.: как и в случае c LEP Experiments Committee, далее в тексте я буду использовать английское название) представила итоговый доклад. Целью этого доклада являлось объединение данных по поиску бозона Хиггса со всех экспериментов в общую картину.

Общий тон семинара был задан первым докладом коллаборации ALEPH. ALEPH сообщил о том, что у них имеются три события с кандидатами в бозоны Хиггса при массе 114 ГэВ, в то время как ожидаемый фон при такой энергии составляет всего 0.3 события. Это большой сигнал, даже очень большой. Таким образом впервые было представлено доказательство существования бозона Хиггса. Структура событий, которые были получены при электрон-позитронных столкновениях, состояла из четырех адронных струй, носивших отпечаток существования короткоживущих частиц, содержащих тяжелые b-кварки, которые, как ожидалось, образовались при распаде бозона Хиггса.

Коллаборация DELPI также имела два подобных случая. Оба оставшихся эксперимента (Н.Н.: то есть L3 и OPAL) не представили сколько-нибудь ясных доказательств. Несмотря на шаткость и неопределенность представленных результатов, Крис Талли (Chris Tulli) из LEP Higgs Working Group смог утверждать, что "бозон Хиггса появился на горизонте". Это высказывание было немедленно подхвачено средствами массовой информации. LEPу решили выделить дополнительное время для уточнения представленных результатов, продлив сеанс работы ускорителя до 2-го ноября.

События с кандидатами в бозоны Хиггса. Одно из четырехструйных событий ALEPH-a (слева) и событие с потерянной энергией на L3 (справа). Для четырехструйного события пара красной и желтой струй соответствуют распаду бозона Хиггса на $b\bar b$, а пара синей и зеленой соответствует расспаду Z0 на кварк-антикварковую пару.

В погоне за открытием

Следующей ареной для представления результатов поиска бозона Хиггса стал официальный праздник LEPa, который проходил с 9-го по 11-е октября и изначально должен был быть приурочен к окончанию 11-летней работы ускорителя. Параллельно празднованию проходило собрание LEP Experiments Committee. Несмотря на то, что за прошедший месяц была набрана дополнительная статистика, ситуация практически не изменилась. Коллаборации L3 и OPAL сообщили о том, что они не добились успеха как в поисках бозона Хиггса в канале с четырьмя адронными струями, так и в других каналах.

На верхнем рисунке: "Действительно ли на LEPe наблюдают рождение бозона Хиггса?". Представлены ожидаемые по результатам компьютерного моделирования сигнальные (синий цвет) и фоновые (желтый цвет) события. Черные точки - экспериментальные данные. По оси абсцисс отложен десятичный логарифм удесятеренного отношения сигнала к фону (s/b). По оси ординат - соответствующие числа событий. Видно, что полученные на эксперименте события лучше соответствуют кривой сигнала, чем кривой фона. На фото внизу: начало демонтажа электрон-позитронного коллайдера LEP.

По прошествии шести дополнительных недель работы LEPa, 3-го ноября 2000-го года состоялось очередное собрание LEP Experiments Committee, которое было гораздо более напряженным, чем предыдущие. ALEPH представил три старых четырехструйных события, но ни одного из новых данных, что привело изначально большой сигнал к более ожидаемой величине.

После переобработки данных с новыми калибровками треков события коллаборации DELPHI практически исчезли. Однако коллаборация L3 представила одного кандидата в бозоны Хиггса в канале с двумя адронными струями и потерянной энергией, которая, возможно, соответствует двум нейтрино. OPAL же вяло продемонстрировал несколько не очень надежных кандидатов в бозоны Хиггса в четырехструйном канале. От имени LEP Higgs Working Group Питер Иго-Кеменес представил несколько убедительных объяснений этим путаным доказательствам.

Как бы компенсируя слабые научные результаты, взметнулся мощный поток спекуляций вокруг открытия бозона Хиггса.

Поскольку все CERNовские ускорители не работают в зимний период (Н.Н.: зимой в Европе сильно повышается плата за электроэнергию, а бютжет CERNa хоть и огромен, но не безграничен, так что зима в CERNe - это время затишья, а лето, напротив, жаркая рабочая пора; все не как у нас!), то коллаборации LEPa с энтузиазмом стали проталкивать идею продолжения сеанса работы ускорителя в 2001-ом году за счет переноса сроков строительства адронного коллайдера нового поколения LHC на более отдаленное время.

Одновременно коллаборация L3 провела в CERNe минисеминар, на котором выступил Крис Талли из Принстона, один из активнейших участников острой конфронтации между группой, ратовавшей за продолжение работы LEPa, и CERNовским руководством, которое, после совещаний с консультативными комитетами (advisory committees), настаивало на том, чтобы все силы CERNa были сконцентрированы на строительстве LHC.

В целом, можно сказать, что данные дополнительных шести недель работы LEPa незначительно увеличили достоверность обнаружения бозона Хиггса. Рискуя испортить свою репутацию, коллаборации ALEPH и L3 представили для публикации статьи с сообщениями о возможном обнаружении бозона Хиггса (статьи опубликованы в Physics Letters B495, p.1-17 и Physics Letters B495, p.18-25 соответственно).

Вопреки настойчивому, даже беспардонному давлению с целью обеспечить продолжение работы ускорителя LEP в 2001-ом году и придя к соглашению со всеми важнейшими научными структурами CERNa - LEP Experiments Committee, Research Board (Советом по научным исследованиям) и Scientific Policy Committee (Комитетом по научной политике) - Высший совет CERNa (CERN's governing council) принял решение удовлетворить просьбу руководства CERNa о закрытии ускорителя LEP и концентрации всех усилий на строительстве нового коллайдера LHC для достижения наибольшего прогресса в области обнаружения бозона Хиггса. Таким образом, со 2-го ноября LEP был окончательно остановлен.

Правильным ли было решение об обеспечении "зеленой улицы" для строительства LHC и остановке LEPa, возможно, в шаге от открытия бозона Хиггса? Только будущее может дать ответ на этот вопрос.