Наука и Техника

Наука И Техника
22 марта 2016

Дразнящие данные с Большого адронного коллайдера не на шутку взволновали ученых

В конце прошлого года два разных инструмента на массивном субатомном ускорителе частиц, который нам известен как Большой адронный коллайдер (БАК), кое-что увидели. Никто не знает, чем был обусловлен всплеск данных — он взялся из пар фотонов, которые сталкивались в детекторах в одно время с одной энергией. Изучая подобные столкновения в обратном направлении, физики выясняют подробности смерти и распада частиц покрупнее. Обычно.

Но в тот раз все было не так просто. Новый «ди-фотонный избыток» — непредсказуемый и неожиданный — может указывать на частицу в четыре раза тяжелее самой тяжелой из известных частиц, топ-кварка, и в шесть раз тяжелее знаменитого бозона Хиггса. Она может указывать на существование тяжелого родственника Хиггса или же на гравитон — пока теоретическую частицу, которая передает гравитацию. Или это может быть что-то совершенно новое, предвестник новой физики.

Ну, или ничего — статистическая погрешность, фантом, порожденный машиной.

Следующий запуск БАК в апреле должен обеспечить ответ. Но физики частиц — нетерпеливый народец. В ожидании новых данных, они усердно работают, выкладывая сотни работ на сайт arXiv.org в попытке объяснить пока статистически незначительные данные. Новая частица? Что бы это значило? Какой она должна быть?

Конечно, физики могут просто ждать у моря погоды и не париться. Но они не хотят.

Шок нового
«В этом весь дух теоретической физики, — говорит Жан Жудис, физик-теоретик CERN и автор одной из работ, вызвавших наибольшую шумиху. — Вы берете данные, которые в вашем распоряжении, а затем начинаете думать, подходят ли они под ваше представление о Вселенной».

Затем вы начинаете думать, как проверить эти идеи. Получаете больше данных. Смотрите, как они соответствуют изначальным идеям и, возможно, меняете их. «Все дальше и дальше, — говорит Жудис, — пока не получаете достоверную историю о нашей Вселенной».

Тем не менее физики не прыгают на каждую аномалию, как такса на хомячка. Странные провалы и всплески в данных появляются постоянно, и все же физики не бросаются всякий раз писать работы, говорит Мишель Реди, физик-теоретик из Национального института ядерной физики во Флоренции и один из соавторов Жудиса. «Но этот случай пахнет другим», говорит он.

Во-первых, всплески показали себя в данных с двух разных инструментов. Это уже само по себе указывает на достоверность события, что это не артефакт в некотором роде. Но что более важно, и это во-вторых, если эти результаты реальны, они могут перевернуть или как минимум расширить Стандартную модель, теоретическая основа которой была разработана в 1970-х годах и которая объясняет взаимодействие частиц. «Стандартная модель элементарных частиц была весьма успешна в описании взаимодействий всех частиц, которые мы напрямую наблюдаем в природе, — говорит Роб Макферсон, представитель инструмента ATLAS, одного из двух детекторов, которые уловили сигнал. — Но на некоторые вопросы ответы она не дает».

Стандартная модель хороша, и пока что экспериментальная физики подтвердила ее вдоль и поперек. Но она объясняет не все: в ней есть бреши и загадки вроде темной материи, антиматерии и гравитации.

Поэтому физики отчаянно ждут, пока Стандартная модель затрещит по швам. Это дало бы им шанс разработать новую версию — и построить новое понимание Вселенной. В конце концов, большинство современных теоретиков не работали в 70-х годах и не помнят того возбуждения, которое витало на первых порах разработки СМ.

Гонка

В течение многих лет шансы перевернуть Стандартную модель казались весьма сомнительными. Было похоже на то, что БАК вываливает мегатонны данных о старой физике и ни пикограмма о новой. «Проще говоря, никто в нашей сфере и грамма надежды уже не лелеял, — говорит Реди. Но вместе со всплеском 15 декабря все изменилось. Запах новой физики указывал на то, что вот она, за углом, только руку протяни. Реди и его коллеги работали круглосуточно, чтобы выделить его и «опубликовать» первыми.

Михайло Бакович из Католического университета в Бельгии также написал работу о лихорадке, постигшей ученых: «Излишек ди-фотонов подсвечивает темную материю». Он прекрасно осведомлен, что это лишь упражнение в спекуляциях. «Прежде всего, причина, почему физики-теоретики делают хоть что-то в физике, заключается в том, что это весело, — говорит Бакович. — Это единственная причина, почему мы здесь — удовлетворять наши детские ожидания о Вселенной».

Частью этого удовольствия, впрочем, является возможность первым открыть что-то новое. Большинство научных открытий — прости, наука — это рутина, повседневность. Очень редко удается сменить парадигму. И еще реже этот сдвиг происходит публично, когда результаты сами просят себя интерпретировать. Если ученые будут ждать подтверждения всплеска данных, не участвуя в теоретизировании, они не смогут стать первыми. «Собственность идеи в наши дни определяется днем — возможно, часом — подачи работы, — говорит Бакович, — поэтому люди чувствуют необходимость опубликовать свои домыслы прежде остальных».

Когда коллега отправил Баковичу хронологический сюжет о том, сколько работ он и его друзья-теоретики выбросили на arXiv за это время (по состоянию на 10 марта их было 276), он тоже нырнул в эти данные. «Меня поразило то, что кривая на графике выглядела на удивление регулярной, и я задумался, смогу ли я понять ее форму, — говорит он. — Поэтому я начал делать то же, что и другие физики: играть с данными в попытке составить модель».

Во время ежедневных поездок Бакович повозился со статистикой, пытаясь найти математическое представление, которое показало бы, как много работ появилось со временем, и предсказало бы, как это изменится в будущем. Выяснилось, что нужно лишь два допущения: что интерес людей к излишку ди-фотонов и количество идей, о которых осталось написать, будут снижаться по мере течения времени. «Я подумал, что было бы прекрасно показать, что нечто, кажущееся очень сложным, обусловленным человеческим поведением, можно смоделировать очень простой математикой», говорит он.

Бакович пришел к выводу, что до 10 июня должно появиться около 310 работ. В предисловии к работе он поблагодарил бельгийские железнодорожные линии за то, что те предоставили ему комфортные условия на дорогах, где проводилась работа, а частые опоздания поездов добавили времени. Сам же Бакович оценивает шансы на существование новой частицы в 20%.

Реди чуть более оптимистичен. «Очень трудно сказать и многие отказываются делать ставки, — говорит он. — Но мне нравится эта игра, поэтому если бы мне пришлось ставить собственные деньги, я бы назвал вероятность в 50%».

Жудис отказался делать ставку. Мол, он не смотрит в хрустальный шар и не видит будущего.

Макферсон, наоборот, смотрит в прошлое. Он видел подобные «намеки» на физику за пределами Стандартной модели уже несколько десятилетий. «До сих пор все они улетучивались с более точным анализом и дополнительными данными», говорит он. Большой электрон-позитронный коллайдер увидел то, что некоторые считали намеками на Хиггса. Но не срослось. Те данные были даже лучше (более значимы), чем последний всплеск, говорит Макферсон, но оказались случайной флуктуацией на фоне. После этого Хиггс оставался неоткрытым еще более десяти лет.

В своей работе Бакович проанализировал паттерны публикаций после восьми других громких ситуаций в физике. Первоначальный всплеск (и связанный с ним документ) не сигнализировал о будущем успехе. В его списке были наблюдения BICEP2 в поддержку космической инфляции, а также свидетельство движения нейтрино быстрее света — оба события оказались пустышкой.

Как бы то ни было, никто не проиграет, считает Бакович. Если всплеск окажется случайностью, все получат выгоду от обсуждения и умственной гимнастики. «Если физик жалуется, что это пустая трата времени, он выбрал неверную профессию», говорит он.

Соответствующие инструменты БАК вернутся к работе в апреле. К лету будет собрано столько же данных, сколько БАК собрал за весь 2015 год, а к концу лета — вдвое больше. Макферсон говорит, что они надеются получить окончательные ответы к моменту начала Международной конференции по физике высоких энергий в августе.