Міжрегіональна Академія управління персоналом

13 грудня в CERN відбувся доповідь представників наукових колаборацій Atlas і CMS, які доповіли результати аналізу найсвіжіших даних, зібраних однойменними детекторами. Відеотрансляція цього заходу в прямому ефірі була організована CERN, а про численних текстових трансляціях в Twitter подбали присутні на заході вчені (в англомовному сегменті блогу в топи вибився, наприклад, тег #Higgs).

Незадовго до доповіді активно мусувалися чутки про те, що вчені оголосять про відкриття бозона Хіггса - мабуть, самої "розкрученої" елементарної частинки в історії фізики. Частково саме цим і був викликаний ажіотаж навколо майбутнього події. Чутки, проте, так і залишилися чутками, і, цитуючи Nature, "фізики сказали бозону Хіггса тверде `можливо`". Незважаючи на деяке розчарування, викликане остаточним підсумком заходу, потрібно сказати, що розповідь у доповідачів вийшов цікавим, а представлені результати - цікавими і навіть багатообіцяючими. Однак перш ніж говорити про них, слід нагадати читачеві, що таке бозон Хіггса і чому він всіх так цікавить.

Про бозон

У квантовій механіці взаємодія полів прийнято пояснювати з допомогою квантів - переносників взаємодії. Уявіть собі два човни на ставку, стоять нерухомо і паралельно один одному. В одній, скажімо, ви сидите, а в іншій - ваш друг. І ви вирішуєте перекинути одному досить масивний рюкзак. Ясна річ, що після того, як один зловив рюкзак, його човен почне рухатися у напрямку руху рюкзака, в той час як ваша - у протилежному. З точки зору стороннього спостерігача, човни почали відштовхуватися, а причиною цього стало якесь взаємодія, переносником якого виступив рюкзак. Ясна річ, що у фізиці все набагато складніше - частинки кидають один одному багато різних "рюкзаків", багато з яких або важче самої частинки, або взагалі не мають маси.

У 60-х роках минулого століття вченим вдалося об'єднати два з чотирьох фундаментальних взаємодій - електромагнітне і слабке - в одну дуже елегантну теорію. Головний її недолік полягав у тому, що вона не могла пояснити такий факт - чому у фотона (кванта електромагнітного поля) маси немає, а в W - і Z-бозонів (квант слабкої взаємодії) маса є? Спочатку фізики спробували підправити формули в лоб, додавши туди масу. Однак це призвело до виникнення дуже поганих нескінченних виразів. З-за цього вченим довелося придумувати щось більш тонке, якусь поправку, яка не ламала б всю теорію електрослабкої взаємодії до підстави, а лише трохи коректувала б її.

Так з'явився механізм Хіггса (його в 1965 році запропонував британський фізик-теоретик Пітер Хіггс), головну роль в якому грає однойменне поле. Взаємодія частинки з цим полем і визначає масу (яка виявляється у певному сенсі динамічним ефектом) - чим сильніше поле діє на частинку, тим маса, отже, більше. Фізики вживають для процесу, що відбувається термін спонтанне порушення симетрії електрослабкої взаємодії, тобто поле Хіггса в деякому сенсі добре ламає прекрасну математичну теорію, роблячи фізичну реальність не такий вже і симетричною. Зокрема, з-за цього W - і Z-бозони виявляються власниками маси. Так от, бозон Хіггса - це квант однойменного поля.

Виявилося, що цей сценарій вдало вписувався в модель електрослабкої взаємодії. За дослідження в цій області Шелдон Глешоу, Абдус Салам і Стівен Вайнберг у 1979 році отримали Нобелівську премію з фізики. До речі, сам придумав цей механізм Хіггс не удостоївся нагороди - йому довелося задовольнятися лише названим на честь нього бозоном. Тут, до речі, відразу слід зазначити, що хиггсовский механізм порушення симетрії - самий відомий і популярний, проте він не скасовує наявності альтернативних пояснень. Крім цього, строго кажучи, бозонів Хіггса може бути більше одного (наприклад, у деяких суперсиметричних теоріях, що розширюють Стандартну модель).

Як би те ні було, але пізніше до электрослабому взаємодії було додано сильне, і на початку 70-х років завершилося, по суті, формування того, що прийнято називати Стандартною моделлю. З тих пір протягом більш ніж 40 років фізики займалися тим, що експериментально перевіряли передбачення моделі. Треба сказати, що модель показала себе з найкращої сторони - майже всі передбачення збулися. Майже, тому що вченим так і не вдалося виявити бозон Хіггса (ну, і останнім часом з'явилися неприємності з нейтрино - модель не в змозі пояснити ненульову масу цих частинок - і осциляції, які, втім, вважаються дрібними). Труднощі з виявленням бозона пояснювалися дуже просто: з теорії не можна було розрахувати його масу, тому фізикам довелося звернутися до старих добрих експериментів.

Статистика і ще раз статистика

Невловимий бозон намагалися виявити ще на нещодавно закрився Тэватроне, однак безуспішно. Головна надія зараз, звичайно, на Великий адронний колайдер - найбільший у світі прискорювач елементарних частинок.

У БАК стикаються пучки протонів. При цьому утворюється лавина інших часток, що розлітаються в усі сторони, попутно розпадаючись на інші. Детектори коллайдера реєструють ті частинки, які їм вдається вловити, визначають їх тип, енергію і імпульс (для цього сигнал з детекторів піддається нетривиальному комп'ютерного аналізу). Наприклад, тільки по різниці енергії зареєстрованих частинок у момент зіткнення пучків протонів і можна визначити, скільки цієї самої енергії пішло на освіту нейтрино.

Так як в мікросвіті балом править ймовірність, то результати зіткнень, взагалі кажучи, не визначені однозначно. Тобто, щоб зареєструвати досить рідкісна подія, потрібно поставити багато експериментів, щоб ця подія повторилося досить велике число раз. При цьому сигнал від події повинен бути статистично значущим, тобто він повинен досить сильно відрізнятися від фонового шуму (оцінка рівня шуму детекторів - це окрема цікава і серйозна діяльність).

Справа ускладнюється тим, що, як вже говорилося вище, маса бозона Хіггса невідома. З-за цього вченим доводиться розбирати безліч варіантів утворення і розпаду такої частинки. Наприклад, якщо ця частка відносно легка, то вона може розпадатися на два фотона, якщо поважче на вже згадувані Z - і W - бозони. В рамках лекції 13 грудня наводилися результати, згідно з якими працюють з CMS вчені вивчали 8 різних варіантів освіти бозона Хіггса.

Нічого дивного, що при такому обсязі робіт аналізом даних з прискорювача займаються тисячі вчених по всьому світу.

Нові результати

Отже, першою 13 грудня виступала Фабіола Джианотти, яка представляє міжнародну колаборацію (саме так, а не просто групою, називають себе російськомовні учасники колективу), що працює з детектором Atlas. Всього в аналізі даних понад 500 трильйонів зіткнень пучків протонів взяло участь понад 2000 вчених.

Джианотти представила два основних результату. По-перше, з вірогідністю 95 відсотків вченим вдалося виключити всі можливі маси бозона Хіггса за межами проміжку від 115,5 до 131 гігаелектронвольт (у фізиці елементарних частинок масу і енергію вимірюють в одних і тих же величинах). Особливо впевнено Джиантотти говорила про масою понад 270 гігаелектронвольт, оскільки такий важкий бозон Хіггса повинен був розпадатися на W - і Z-бозони з наступним розпадом на лептони й нейтрино. За словами представника Atlas, чутливість детектора до такого роду подій дуже висока.

Другий результат, про який Джианотти говорила з великою обережністю - виявлення сигналу від бозона Хіггса, розпадається на фотони, в районі маси 126 гігаелектронвольт. При цьому вона підкреслила, що говорити про відкриття поки рано - вдалося домогтися статистичної значущості сигналу всього 2,3 сигма. Це і зрозуміло, зовсім недавно з'являлася інформація про виявлення сигналу для маси в 140 гігаелектронвольт, в той час як у новій статистикою ця маса виявилася виключеною. Тому вченим знадобиться ще деяку кількість даних.

За словами Джианотти, необхідна інформація може бути отримана вже у перші місяці роботи прискорювача в 2012 році. Справа в тому, що важливою характеристикою роботи коллайдера є світимість - кількість зіткнень частинок, що відбуваються за одиницю часу на одиниці площі поперечного перерізу пучка. Саме ця величина впливає на швидкість набору необхідної статистики. Світність вимірюється у см-2с-1.

Так от, коли колайдер знову включать (на зиму його вимикають за офіційною версією на обслуговування, за неофіційною - із-за високої вартості електроенергії в цей час року), його світність планують збільшити в чотири рази. Це дозволить досить швидко визначити, чи є сигнал в околиці 126 гигаэлектровольт значущим.

Після Джианотти виступав представник колаборації CMS Гвідо Тонеллі. Незважаючи на те, що над аналізом даних однойменного детектора трудиться понад 3,6 тисячі людей, його дані були ще менш однозначними, ніж у Джианотти. Єдине, що він зміг додати - його групі вдалося виключити маси від 127 до 600 гігаелектронвольт. Також несподівано в обох груп виявився якийсь сигнал в районі 115 гігаелектронвольт, який, втім, цілком може зникнути після появи додаткової статистики.

Замість висновку

Головним підсумком роботи вчених стало те, що для впевнених висновків їм потрібні ще дані. З одного боку, публіку це, можливо, розчарувало. З іншого боку, науці нікуди поспішати - все-таки мова йде про фундаментальні речі. Головне тільки, щоб саме відкриття супроводжувалося не меншою увагою з боку публіки. Все-таки приємно, коли люди відриваються від політики, спорту і фотографій з красивими дівчатами і звертаються (нехай і на п'ять хвилин) до науки.