Результаты семинара в Европейском центре ядерных исследований (CERN)

Бозон Хиггса снова ускользнул, но наследил

Результаты семинара, прошедшего 13 декабря нынешнего года в Европейском центре ядерных исследований (CERN), можно назвать парадоксальными. С одной стороны, все как обычно — ученые не смогли как обнаружить бозон Хиггса, так и доказать то, что его не существует. С другой стороны, были получены данные, говорящие о том, где именно надо его искать.

Фото:

Не знаю, как вам, а мне вся эта история с поисками бозона Хиггса уже давно напоминает сказку, где герой идет "туда — не знаю куда" для того, чтобы непременно отыскать "то — не знаю что". Согласитесь, сходство просто поразительное: и где (то есть, в каком интервале масс) искать этот бозон, никто не знает, и каковы его реальные свойства, тоже не известно. Хотя насчет последнего предполагается, что эта частица должна наделять массой все остальные — и тут тоже возникает параллель с тем самым "не знаю кем", который, как мы помним, умел создавать вещи из ничего.

Поэтому не удивительно, что последнего семинара в Европейском центре ядерных исследований (CERN) все ждали с таким же нетерпением, с каким дети ожидают развязки вышеупомянутой сказки. Однако чуда не произошло — ученым не удалось подтвердить обнаружение бозона Хиггса. Как и опровергнуть сам факт его существования. То есть пока он по-прежнему остается "не знаю чем".

Впрочем, конечно же, что-то про это таинственную частицу все-таки известно. Напомню, что впервые возможность ее существования предположил еще в 1965 году британский физик Питер Хиггс, когда пытался ответить на мучивший многих ученых вопрос — почему у фотона (кванта электромагнитного поля) массы нет, а у похожих на него W- и Z-бозонов (квант слабого взаимодействия) она все-таки есть? Хиггс предположил, что существует некое поле, при взаимодействии с которым элементарная частица может приобретать массу, причем чем сильнее действует это поле на частицу, тем ее масса, следовательно, больше. Так вот, бозон Хиггса и есть квант (то есть наименьшая единица) этого поля.

Впрочем, данное утверждение еще не говорит о том, что данный бозон обязательно существует на самом деле. Если следовать аналогиям со сказкой, оно равносильно приказу царя во что бы то ни стало найти "то — не знаю что". А для того чтобы понять реальную природу бозона Хиггса и, тем самым, доказать его существование, нужно измерить хоть какие-то его параметры, например, массу (так же, как герою сказки для того, чтобы понять, то ли "не знаю что" он нашел, достаточно было лишь попросить его исполнить свое желание).

Однако все-таки некий прогресс в поисках загадочный частицы был достигнут в этом году — теперь, по крайней мере, физики-экспериментаторы, знают "куда идти". Так, руководитель эксперимента ATLAS Фабиола Джанотти в своем выступлении отметила, что, согласно последним данным, бозон Хиггса отсутствует в диапазоне масс 131-453 ГэВ. Правда, это не было каким-то откровением, поскольку еще на летней конференции в Гренобле было отмечено, что его бесполезно искать в интервале масс выше 141 ГэВ. А выступивший после руководитель эксперимента CMS Гвидо Тонелли рассказал о том, что, по данным его группы, бозон Хиггса не может существовать в диапазоне от 127 до 600 ГэВ.

Итак, вроде бы опять все как обычно — ученые при всем честном народе бодро отчитались о том, где им не удалось найти бозон Хиггса (что очень похоже на сцену в сказке, где жена главного героя спрашивает зверей, птиц и прочих помощников о том, не видели ли они "то — не знаю что" и где именно не видели). Подобное уже неоднократно случалось, и вроде бы к этому все уже успели привыкнуть. Однако на нынешнем семинаре впервые всплыло нечто, весьма напоминающее тот самый волшебный клубок, который в конце концов и привел героя туда, куда надо.

Так вот, и Джанотти, и Тонелли сообщили о том, что их командам удалось зафиксировать сигналы, которые могут быть следами бозона Хиггса при энергии столкновений в 126 ГэВ. То есть это событие уловили одновременно оба детектора — и CMS, и ATLAS (сотрудникам последнего, правда, удалось также отследить слабый сигнал при 133 ГэВ, но CMS это не подтвердил).

Что же это за сигнал, который может свидетельствовать о присутствии таинственного бозона. Как мы помним, поскольку сам бозон существует крайненедолго, то его можно обнаружить лишь по продуктам распада. Таким, например, как "незапланированные" пары фотонов, или тау-лептов (последние куда легче ловятся, поскольку имеют большую массу, 1,77 ГэВ, в результате чего вероятность распада бозона Хиггса именно по такому сценарию самая высокая), а также пары W- и Z-бозонов. Правда, с ними тоже есть проблемы — и они весьма недолговечны, поэтому напрямую их зарегистрировать нельзя. Так что они также регистрируются через вероятные продукты распада — пары электронов, мюонов, а также сочетания электрона или мюона с нейтрино.

Так вот, тот самый сигнал, обнаруженный в районе 126 ГэВ, — это вариант, когда бозон Хиггса распадается на пару фотонов. Интересно, что еще также было сообщение о том, что вроде бы аналогичное явление наблюдалось и при значении энергии столкновений в 115 ГэВ, однако сами участники экспериментов признались, что вероятность подобного события в данном диапазоне достаточно низкая. Возможно, этот сигнал "исчезнет" при появлении дополнительной статистики.

Впрочем, и с сигналом, зарегистрированным при значении 126 ГэВ, тоже не все так просто. К сожалению, его статистическая значимость невелика — по данным ATLAS, она составляет 3,5 сигма, а по данным CMS — 2,6 или 1,9 сигма. Напомню, что греческой буквой сигма в теории вероятности и статистике обозначается такой параметр, как среднеквадратичное отклонение, показывающий рассеивания значений случайной величины относительно ее математического ожидания (то есть, проще говоря, показывает, насколько предположение соответствует реальности). Так вот, исходя из опыта исследования элементарных частиц, значения сигма, равного трем, уже достаточно, чтобы говорить о признаках существования частицы, но для того, чтобы говорить об однозначном ее открытии, необходим уровень достоверности не менее пяти сигма.

Получается, что даже сотрудникам ATLAS (об их коллегах с CMS и говорить нечего) не удалось доказать, что наблюдаемый ими сигнал говорит именно о распаде бозона Хиггса. Это означает лишь то, что число событий распада не сильно превышает естественный фон для таких событий, который был бы таким же, даже если бы никакого бозона Хиггса вообще не было. Тем не менее, получается, что сейчас ученые подошли к тому, что, по их данным, вероятность наблюдения и "не наблюдения" бозона Хиггса в данном интервале оказалась равной. А это, согласитесь, уже что-то — ведь прежде последняя вероятность была всегда намного больше.

Физик из Университета Калифорнии (Сан-Диего, США) Вивек Шарма весьма восторженно отреагировал на подобное сообщение. "Я считаю, мы очень приблизились к нему. Мы поймали первые манящие намеки, но пока что это, можно сказать, легкое дуновение ветерка или запах, а еще не само событие", — заметил ученый. Другие участники семинара были настроены более критически.

"Дать однозначный ответ на вопрос о том, был зарегистрирован бозон Хиггса или нет, пока невозможно. Нам понадобятся дополнительные данные, которые БАК начнет собирать в следующем, 2012, году", — именно такое заключение сделал Гвидо Тонелли в конце своего выступления. А директор CERN Рольф Хойфер под самый конец семинара подвел его итоги такими словами: "Это были предварительные результаты. Больше в этом году у нас не будет никаких данных. Итак, мы ничего не нашли и ничего не опровергли. Поздравляю всех с Рождеством!"

Действительно, новых данных уже не будет, ведь годовая программа протон-протонных столкновений на коллайдере была завершена еще в конце октября этого года, после чего установку переориентировали на эксперименты с ионами свинца. Однако и этот эксперимент закончился 7 декабря. Так что следующее включение БАК ожидается только в феврале 2012 года, а на обычный эксплуатационный режим он должен выйти со 2 апреля. Ну что же, видимо, придется запастись терпением.

Итак, можно сказать, год прошел не зря — физикам удалось вплотную подобраться к интервалу масс, в котором существование бозона Хиггса весьма вероятно. Не исключено, что, продолжив эксперименты именно в этом диапазоне, они смогут доказать существование этой таинственной частицы. То есть наконец-то найти это загадочное "то — не знаю что"…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"