Історія про те, як троє вчених майже знайшли бозон Хіггса, Наука та життя
Одного осіннього ранку 2009 року команда з трьох фізиків скупчилася навколо екрана комп'ютера в невеликому офісі з видом на Бродвей у Нью-Йорку. Вони одягли найкрасивіший одяг — навіть аспіранти були із запонками — і приготували пляшку шампанського. Одним клацанням мишки вони сподівалися викрити фундаментальну частинку, яка вислизала від фізиків десятки років: бозон Хіггса.
Звичайно, ці люди були не єдиними фізиками, що ганяються за бозоном Хіггса. У Женеві команда із сотень фізиків із машиною за 8 мільярдів доларів під назвою Великий адронний колайдер теж полювали на неї. Але невдовзі після першого запуску на ВАК стався збій, і він пішов на ремонт, відчинивши вікно для трьох хлопців із Нью-Йорка, яким вони хотіли скористатися.
Ключем їхньої стратегії був колайдер, який демонтували у 2001 році, щоб звільнити місце для потужнішого ВАК. За 10 000 доларів в еквіваленті комп'ютерного часу вони хотіли показати, що Великий електро-позитронний колайдер зробив десятки бозонів Хіггса, але ніхто не помітив цього.
«Перед нами тоді були два можливі світи, — говорив фізик Кайл Кранмер, лідер гурту. - В одному ми знаходимо Хіггса, і казка фізиків збувається. Ми могли поділити Нобелівську премію на трьох. В іншому Хіггс досі не виявлено, і замість того, щоб подолати ВАК, нам доводиться повертатися працювати на ВАК».
Кранмер провів роки, працюючи на обох колайдерах, починаючи як аспірант на Великому електрон-позитронному колайдері. Він входив у статистичну групу зі 100 осіб, які прочісували терабайти даних БЕПК у пошуках нових частинок. «Всі думали, що ми шукаємо дуже ретельно. Але наша думка була забарвлена ідеями, які були популярні на той час».
Через кілька років він зрозумів,що старі дані можуть виглядати зовсім інакше у світлі нової теорії.
І як детективи у пошуках доказів, група вчених вирішила довести, що Хіггс та деякі суперсиметричні партнери причетні до злочину і весь час ховалися за спинами роззяв.
Мрії про бозон Хіггса
В даний час бозон Хіггса розглядається як найважливіший компонент Стандартної моделі у фізиці, теорії, яка описує всі відомі частинки та їх взаємодії. Але в 60-ті роки, ще до визнання Стандартної моделі, Хіггс був частиною теоретичного виправлення радіоактивної проблеми.
Справа в тому, що іноді атом одного елемента раптово перетворюється на атом іншого елемента в процесі радіоактивного розпаду. Наприклад, атом вуглецю може розпадатись на атом азоту, випускаючи дві субатомні частинки світла. (Радіовуглецеве датування скам'янілостей - розумне використання цього процесу). Фізики намагаються описати розпад, використовуючи рівняння, але потрапляють у глухий кут — математика передбачає, що досить гарячий атом повинен розпадатися нескінченно швидко, що фізично неможливо.
Щоб виправити це, вони ввели теоретичний проміжний крок у процес розпаду, за участю досі небаченої частки, яка існує лише протягом трильйонної трильйонної частки секунди. При цьому ця частка - названа W-бозоном - повинна важити в 10 разів більше атома вуглецю, який починає процес. Тоді математика почне працювати.
Щоб пояснити химерно велику масу W-бозону, три групи фізиків незалежно одна від одної дійшли однієї ідеї: нове фізичне поле. Так само, як ваші ноги наливаються свинцем, коли ви марите по неглибокому дну моря, W-бозон здається важким, тому що проходить через те, що стало відомо як поле Хіггса (назване вчесть Пітера Хіггса, члена однієї із трьох команд). Хвилі, що піднімаються рухом у цій галузі, завдяки принципу корпускулярно-хвильового дуалізму, стають частинками бозонами Хіггса.
Їхнє рішення зводиться до наступного: радіоактивний розпад вимагає наявності важкого бозона Хіггса, бозон Хіггса вимагає поля Хіггса, а порушення в полі Хіггса виробляють бозони Хіггса. «Пояснення» радіоактивного розпаду за участю одного не знайденого поля та двох нерозкритих частинок може здатися смішним. Але фізики – теоретики з дуже гарною репутацією.
Брудна наука
Як дізнатися, що теоретична частка реальна? На той час, коли Кранмер досяг повноліття, вже склався встановлений порядок. Для доказу нових частинок ви стикаєтеся разом старі, добре відомі частинки. Сильно зіштовхуєте. Це працює, оскільки формула E=mc^2 означає, що енергію можна обміняти на матерію; іншими словами, енергія - це взаємозамінна валюта субатомного світу. Сконцентруйте достатньо енергії в одному місці - і з'являться навіть найекзотичніші і найважчі частки. Щоправда, вони миттєво вибухнуть. Єдиний спосіб з'ясувати, що там було це проаналізувати уламки частинок.
Сучасні прискорювачі частинок на кшталт ВЕПК і ВАК — своєрідні тоталітарні держави, заточені на тотальне стеження. Тисячі електронних датчиків, фоторецепторів та газових камер спостерігають за місцем зіткнення. Фізика елементарних частинок стала своєрідною судово-медичною експертизою.
Також це дуже брудна наука.
«Намагатися з'ясувати, що сталося в колайдері — це все одно, що намагатися з'ясувати, чим ваш собака пообідав у парку вчора, — каже Джессі Тайлер, фізик Массачусетського технологічного інституту, який перший розповів про підступиКранмер ресурсу Wired. — Ви можете з'ясувати це, але вам доведеться проштовхнутися через усі види дерьма заради цього».
Ситуація може бути ще гіршою. Щоб перейти від часток, які живуть досить довго, щоб їх можна було виявити, до короткоживучих і невідомих частинок, вам потрібно докладно знати кожен проміжний розпад - тобто описати всі хімічні реакції в шлунку собаки. Все ускладнюється також тим, що невеликі зміни в теорії, з якою ви працюєте, може вплинути на весь ланцюжок міркувань, внаслідок чого може змінитися взагалі все.
Проблема тонкого налаштування
Коли БЕПК ще працював, Стандартна модель використовувалася для інтерпретації його даних. Був зібраний арсенал частинок від чарівного до W-бозону, але Кранмер та інші не знайшли жодних ознак Хіггса. Зрозуміло, вони почали переживати: якщо бозон Хіггса не існував, яка частина решти Стандартної моделі була зручною вигадкою?
У цій моделі була принаймні ще одна проблема, крім Хіггса, що бракує: щоб речовина могла утворити планети і зірки; щоб фундаментальні сили були досить сильні, щоб утримувати речі разом, але досить слабкі, щоб не дати їм колапсувати зовсім, мала статися абсурдна, але вдала скасування (коли дві еквівалентні одиниці з протилежним знаком об'єднуються і утворюють нуль) в деяких основоположних формулах. Вона призвела до так званого «тонкого настроювання», а її шанси, на думку Фліпа Танедо з Каліфорнійського університету в Ірвіні, приблизно рівні тому, що в пеклі виживе сніжок. Наче кожна молекула розпаленого повітря проходить повз цей сніжок, не даючи йому розтанути, і все це завдяки певній випадковості.
Тому Кранмер дуже схвилювався, коли дізнався про новумоделі, яка могла б пояснити проблему тонкого налаштування та виявити присутність бозона Хіггса. Додаток до Стандартної моделі під назвою MSSM запропонував декілька нових фундаментальних частинок. Скасування, яке здавалося таким випадковим, пояснилося існуванням нових частинок. Ці нові частинки взаємодіяли з бозоном Хіггса, даючи йому прихований шлях до розпаду, який би пройшов непоміченим для БЕПК.
Якщо ця нова теорія виявилася б вірною, доказ бозона Хіггса, найімовірніше, був у старих даних БЕПК. І Кранмер мав потрібні інструменти для його пошуку: мав досвід роботи зі старим колайдером і двома амбітними учнями. Таким чином він послав свого аспіранта Джеймса Бічема для вилучення даних з магнітних стрічок, що лежать на складах за межами Женеви, і доручив Ітаю Явіну опрацювати деталі нової моделі. Ретельно розшифрувавши курний код FORTRAN у першому експерименті і видививши потрібну інформацію зі стрічок, вони повернули дані до життя.
Ось що хотіла побачити команда у даних ВЕПК.
По-перше, електрон і позитрон зіштовхуються один з одним, а їхня енергія перетворюється на матерію хіггсовського бозона. Потім Хіггс розпадається на дві альфа-частинки – передбачені суперсиметрією, але ще не помічені – які розлітаються у протилежних напрямках. Через час секунди кожна з двох альфа-частинок розпадається на дві тау-частинки. Кожна з чотирьох тау-часток розпадається на легші частки на кшталт електронів і півонії, які живуть досить довго, щоб потрапити до детектора.
У міру того, як легкі частинки проходили через безліч шарів детектора, збиралася докладна інформація про їхню траєкторію. Тау-частинка могла з'явитися у цих кілька таких траєкторій. Подібно до феєрверку, що летить у небо, тау-частинку можнабуло визначити по сяючих дугах, усіяних частинками ракети. Хіггс же, у свою чергу, виглядав би як сузір'я легких частинок, що вказують на чотири одночасні вибухи тау-частинок.
На жаль, майже напевно будуть хибні сигнали. Наприклад, якщо електрон і позитрон стикаються побіжно, вони можуть утворити кварки з частиною їхньої енергії. Кварк розпадається на півонії, імітуючи поведінку тау, що залишилися від Хіггса.
Щоб стверджувати, що знайдено справжнього Хіггса, а не самозванців, Бічему і Явіну треба було бути дуже обережними. Електроніка досить чутлива, щоб виміряти одну частинку, часто дає осічку, тому завжди є маса подій, які можуть бути відкинуті як шум. Імовірність помилкового підтвердження призводила до небезпеки встановлення чітких кордонів на основі даних БЕПК, і вченим потрібно було постійно все перевіряти ще раз. Але натомість вони вирішили створити дві симуляції ВЕПК. В одній зіткнення відбувалися у всесвіті, що підкоряється Стандартній моделі; в інший всесвіт слідував правилам MSSM. Після ретельного налаштування коду команда з'ясувала, що у них достатньо потужності, щоб продовжити: якби Хіггс народжувався в процесі роботи БЕПК, вони знайшли б набагато більше тау-подій, ніж могло бути.
Момент теоретичної істини
Коли підійшло до моменту істини, команда дуже нервувала. Явин майже не спав, перевіряючи і перевіряючи ще раз код. Пляшка шампанського була готова. Усього одне клацання мишки та кількість подій з чотирма тау на БЕПК висвітиться на екрані. Якщо Стандартна модель була правильною, цих подій мало бути близько шести, очікуване число для помилкових спрацьовувань. Якщо MSSM була правильною, їх було б близько 30, достатньо для успішного підтвердження бозона Хіггса.
«Я свою справу зробив,- сказав Кранмер. - Тепер слово за природою».
На екрані було лише два тау-квартети.
Якби невелика команда Кранмера знайшла бозон Хіггса до того, як це зробив дорогий ВАК, і скинула б Стандартну модель; якби то число було 32, а не 2, їхня історія виявилася б на перших шпальтах газет. Але натомість знову вистрілив науковий метод: теорія була ретельно розроблена, ретельно випробувана і виявилася хибною.
"Одним натисканням клавіші ми обнулили сотні теоретичних статей", - каже Бічем.
Через три роки величезна команда фізиків ВАК оголосила, що знайшла бозон Хіггса, який повністю узгоджується зі Стандартною моделлю. Це була впевнена перемога — для масивних інженерних проектів, міжнародних колаборацій, теоретиків, які вигадали поле Хіггса і цей бозон 50 років тому. Але стандартна модель, ймовірно, не стоятиме вічно. У неї, як і раніше, є проблеми з тонким настроюванням та інтеграцією загальної теорії відносності. Фізики сподіваються, що нові моделі усунуть ці проблеми. Питання, які?
«Є багато можливих методів роботи природи, – каже фізик Метт Страсслер, резидент Гарвардського університету. — Як тільки ви виходите за межі Стандартної моделі, є мільярд способів спробувати вирішити проблему тонкої настройки».
Кожну пропозицію потрібно перевірити на ділі, кожен експеримент неминуче вимагатиме місяців або багатьох років праці, навіть якщо ви спритно скористаєтеся старими даними. Адреналін підвищений аж до моменту істини: а що, якщо це буде новий закон фізики? Але більшість експериментів закінчується тим самим: не цього разу. Спробуйте ще.