Наука и Техника

Наука И Техника
26 января 2015

История о том, как трое ученых почти нашли бозон Хиггса...

Однажды осенним утром в 2009 году команда из трех физиков сгрудилась вокруг экрана компьютера в небольшом офисе с видом на Бродвей в Нью-Йорке. Они надели самую красивую одежду — даже аспиранты были с запонками — и приготовили бутылку шампанского. Одним щелчком мышки они надеялись разоблачить фундаментальную частицу, которая ускользала от физиков десятки лет: бозон Хиггса.

Конечно, эти люди были не единственными физиками, гоняющимися за бозоном Хиггса. В Женеве команда из сотен физиков с машиной за 8 миллиардов долларов под названием Большой адронный коллайдер тоже охотились за ней. Но вскоре после первого запуска на БАК случился сбой, и он ушел на ремонт, открыв окно для трех парней из Нью-Йорка, которым они хотели воспользоваться.

Ключом их стратегии был коллайдер, который демонтировали в 2001 году, чтобы освободить место для более мощного БАК. За 10 000 долларов в эквиваленте компьютерного времени, они хотели показать, что Большой электро-позитронный коллайдер сделал десятки бозонов Хиггса, но никто не заметил этого.

«Перед нами тогда были два возможных мира, — говорил физик Кайл Кранмер, лидер группы. — В одном мы находим Хиггса, и сказка физиков сбывается. Мы могли разделить Нобелевскую премию на троих. В другом Хиггс до сих пор не обнаружен, и вместо того, чтобы побороть БАК, нам приходится возвращаться работать на БАК».

Кранмер провел годы, работая на обоих коллайдерах, начиная в качестве аспиранта на Большом электрон-позитронном коллайдере. Он входил в статистическую группу из 100 человек, которые прочесывали терабайты данных БЭПК в поисках новых частиц. «Все думали, что мы ищем очень тщательно. Но наше мировоззрение было окрашено идеями, которые были популярны в то время».

Спустя несколько лет он понял, что старые данные могут выглядеть совершенно по-другому в свете новой теории.

И как детективы в поисках доказательств, группа ученых решила доказать, что Хиггс и некоторые суперсимметричные партнеры замешаны в преступлении и все время прятались за спинами зевак.

Мечты о бозоне Хиггса

В настоящее время бозон Хиггса рассматривается в качестве важнейшего компонента Стандартной модели в физике, теории, которая описывает все известные частицы и их взаимодействия. Но в 60-х годах, еще до признания Стандартной модели, Хиггс был частью теоретического исправления радиоактивной проблемы.

Дело в том, что иногда атом одного элемента внезапно превращается в атом другого элемента в процессе радиоактивного распада. Например, атом углерода может распадаться на атом азота, испуская две субатомные частицы света. (Радиоуглеродное датирование окаменелостей — разумное использование этого процесса). Физики пытаются описать распад, используя уравнения, но попадают в тупик — математика предсказывает, что достаточно горячий атом должен распадаться бесконечно быстро, что физически невозможно.

Чтобы исправить это, они ввели теоретический промежуточный шаг в процесс распада, с участием доселе невиданной частицы, которая существует только в течение триллионной триллионной доли секунды. При этом эта частица — названная W-бозоном — должна весить в 10 раз больше атома углерода, который начинает процесс. Тогда математика заработает.

Чтобы объяснить причудливо большую массу W-бозона, три группы физиков независимо друг от друга пришли к одной идее: новое физическое поле. Так же, как ваши ноги наливаются свинцом, когда вы бредете по неглубокому дну моря, W-бозон кажется тяжелым, потому что проходит через то, что стало известно как поле Хиггса (названное в честь Питера Хиггса, члена одной из трех команд). Волны, вздымаемые движением в этой области, благодаря принципу корпускулярно-волнового дуализма, становятся частицами — бозонами Хиггса.

Их решение сводится к следующему: радиоактивный распад требует наличия тяжелого бозона Хиггса, бозон Хиггса требует поля Хиггса, а нарушения в поле Хиггса производят бозоны Хиггса. «Объяснение» радиоактивного распада с участием одного ненайденного поля и двух нераскрытых частиц может показаться смешным. Но физики — теоретики с очень хорошей репутацией.

Грязная наука

Как узнать, что теоретическая частица реальна? К тому времени, когда Кранмер достиг совершеннолетия, уже сложился установленный порядок. Для доказательства новых частиц вы сталкиваете вместе старые, хорошо известные частицы. Сильно сталкиваете. Это работает, потому что формула E=mc^2 означает, что энергию можно обменять на материю; другими словами, энергия — это взаимозаменяемая валюта субатомного мира. Сконцентрируйте достаточно энергии в одном месте — и появятся даже самые экзотические и тяжелые частицы. Правда, они моментально взорвутся. Единственный способ выяснить, что там было — это проанализировать обломки частиц.

Современные ускорители частиц вроде БЭПК и БАК — своего рода тоталитарные государства, заточенные на тотальную слежку. Тысячи электронных датчиков, фоторецепторов и газовые камер наблюдают за местом столкновения. Физика элементарных частиц стала своего рода судебно-медицинской экспертизой.

Также это весьма грязная наука.

«Пытаться выяснить, что произошло в коллайдере — это все равно, что пытаться выяснить, чем ваша собака отобедала в парке вчера, — говорит Джесси Тайлер, физик Массачусетского технологического института, который первый рассказал о происках Кранмера ресурсу Wired. — Вы можете выяснить это, но вам придется протолкнуться через все виды д*рьма ради этого».

Ситуация может быть еще хуже. Чтобы перейти от частиц, которые живут достаточно долго, чтобы их можно было обнаружить, к короткоживущим и неизвестным частицам, вам нужно подробно знать каждый промежуточный распад — то есть точно описать все химические реакции в желудке собаки. Все осложняется также и тем, что небольшие изменения в теории, с которой вы работаете, может повлиять на всю цепочку рассуждений, в результате чего может измениться вообще все.

Проблема тонкой настройки

В то время, когда БЭПК еще работал, Стандартная модель использовалась для интерпретации его данных. Был собран арсенал частиц, от прелестного до W-бозона, но Кранмер и другие не нашли никаких признаков Хиггса. Разумеется, они начали переживать: если бозон Хиггса не существовал, какая часть остальной Стандартной модели была удобным вымыслом?

У этой модели была по крайней мере еще одна проблема, помимо недостающего Хиггса: чтобы вещество могло образовать планеты и звезды; чтобы фундаментальные силы были достаточно сильны, чтобы удерживать вещи вместе, но достаточно слабы, чтобы не дать им коллапсировать совсем, должна была произойти некая абсурдная, но удачная отмена (когда две эквивалентные единицы с противоположным знаком объединяются и образуют ноль) в некоторых основополагающих формулах. Она привела к так называемой «тонкой настройке», а ее шансы, по мнению Флипа Танедо из Калифорнийского университета в Ирвине, примерно равны тому, что в аду выживет снежок. Будто каждая молекула разгоряченного воздуха проходит мимо этого снежка, не давая ему растаять, и все это благодаря некой случайности.

Потому Кранмер очень взволновался, когда узнал о новой модели, которая могла бы объяснить проблему тонкой настройки и выявить присутствие бозона Хиггса. Дополнение к Стандартной модели под названием MSSM предложило несколько новых фундаментальных частиц. Отмена, которая казалась такой случайной, объяснилась существованием новых частиц. Эти новые частицы взаимодействовали с бозоном Хиггса, давая ему скрытый путь к распаду, который прошел бы незамеченным для БЭПК.

Если эта новая теория оказалась бы верной, доказательство бозона Хиггса, вероятнее всего, было в старых данных БЭПК. И у Кранмера были нужные инструменты для его поиска: у него был опыт работы со старым коллайдером и два амбициозных ученика. Таким образом, он послал своего аспиранта Джеймса Бичема для извлечения данных с магнитных лент, лежащих на складах за пределами Женевы, и поручил Итаю Явину проработать детали новой модели. Кропотливо расшифровав пыльный код FORTRAN в первом эксперименте и выудив нужную информацию с лент, они вернули данные к жизни.

Вот что хотела увидеть команда в данных БЭПК.

Во-первых, электрон и позитрон сталкиваются друг с другом, а их энергия преобразуется в материю хиггсовского бозона. Затем Хиггс распадается на две альфа-частицы — предсказанные суперсимметрией, но еще не замеченные — которые разлетаются в противоположных направлениях. Спустя доли секунды каждая из двух альфа-частиц распадается на две тау-частицы. Каждая из четырех тау-частиц распадается на более легкие частицы вроде электронов и пионов, которые живут достаточно долго, чтобы попасть в детектор.

По мере того, как легкие частицы проходили через множество слоев детектора, собиралась подробная информация об их траектории. Тау-частица могла появиться в данных несколько таких траекторий. Подобно фейерверку, летящему в небо, тау-частицу можно было определить по сияющим дугам, усеянным частицами ракеты. Хиггс же, в свою очередь, выглядел бы как созвездие легких частиц, указывающих на четыре одновременных взрыва тау-частиц.

К сожалению, почти наверняка будут ложные сигналы. К примеру, если электрон и позитрон сталкиваются вскользь, они могут образовать кварки с частью их энергии. Кварк распадается на пионы, имитируя поведение тау, оставшихся от Хиггса.

Чтобы утверждать, что найден подлинный Хиггс, а не самозванцы, Бичему и Явину нужно было быть крайне осторожными. Электроника, достаточно чувствительная, чтобы измерить одну частицу, часто дает осечку, поэтому всегда есть масса событий, которые могут быть отброшены как шум. Вероятность ошибочного подтверждения приводила к опасности установки четких границ на основе данных БЭПК, и ученым нужно было постоянно все перепроверять. Но вместо этого они решили создать две симуляции БЭПК. В одной столкновения происходили во вселенной, подчиняющейся Стандартной модели; в другой вселенная следовала правила MSSM. После тщательной настройки кода команда выяснила, что у них достаточно мощности, чтобы продолжить: если бы Хиггс рождался в процессе работы БЭПК, они нашли бы намного больше тау-событий, чем могло быть.

Момент теоретической истины

Когда подошло к моменту истины, команда очень нервничала. Явин почти не спал, проверяя и перепроверяя код. Бутылка шампанского была готова. Всего один щелчок мышки и количество событий с четырьмя тау на БЭПК высветится на экране. Если Стандартная модель была правильной, этих событий должно было быть около шести, ожидаемое число для ложных срабатываний. Если MSSM была правильной, их было бы порядка 30, достаточно для успешного подтверждения бозона Хиггса.

«Я свое дело сделал, — сказал Кранмер. — Теперь слово за природой».

На экране было всего два тау-квартета.

«Дорогая, мы не нашли Хиггса», — сказал Кранмер жене по телефону. Явин рухнул в кресло. Бичем вообще был рад, что код хотя бы работает, и просто выпил шампанского.

Если бы небольшая команда Кранмера нашла бозон Хиггса до того, как это сделал дорогой БАК, и сбросила бы Стандартную модель; если бы то число было 32, а не 2, их история оказалась бы на первых полосах газет. Но вместо этого снова выстрелил научный метод: теория была тщательно разработана, тщательно испытана и оказалась ложной.

«Одним нажатием клавиши мы обнулили сотни теоретических статей», — говорит Бичем.

Три года спустя огромная команда физиков БАК объявила, что нашла бозон Хиггса, который полностью согласуется со Стандартной моделью. Это была уверенная победа — для массивных инженерных проектов, международных коллабораций, теоретиков, которые придумали поле Хиггса и этот самый бозон 50 лет назад. Но Стандартная модель, вероятно, не будет стоять вечно. У нее по-прежнему есть проблемы с тонкой настройкой и интеграцией общей теории относительности. Физики надеются, что новые модели устранят эти проблемы. Вопрос в том, какие?

«Есть много возможных методов работы природы, — говорит физик Мэтт Страсслер, резидент Гарвардского университета. — Как только вы выходите за пределы Стандартной модели, есть миллиард способов попробовать решить проблему тонкой настройки».

Каждое предложение нужно проверить на деле, каждый эксперимент неизбежно потребует месяцев или многих лет труда, даже если вы ловко воспользуетесь старыми данными. Адреналин повышен до самого момента истины: а что, если это будет новый закон физики? Но большинство экспериментов заканчивается одним и тем же: не в этот раз. Попробуйте еще.

По материалам: hi-news.ru