Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь частице Бога и Новая физика, которая изменит мир

К сожалению, даже в этом случае есть другие явления, которые продуцируют события, идентичные искомым, и заглушают сигнал. События, вносящие свой вклад в фоновый шум, значительно более многочисленны, чем те, которые вызывает распад бозона Хиггса, но их распределение по массам сильно отличается. Мы тут не видим пиков, распределение везде регулярное, и число событий быстро убывает с ростом массы. Поиск бозона Хиггса подразумевает умение достаточно хорошо измерить это фоновое распределение, чтобы смочь выявить минимальные горбы, остающиеся от пиков, которые мы ищем.

Распад бозона Хиггса на пару Z-бозонов также сопровождается очень выразительными событиями. В этом случае в данных, которые мы регистрируем, появляются только четыре лептона. Каждый из Z-бозонов действительно распадается на пару электронов или мюонов; следовательно, мы можем получить только три различных комбинации: четыре электрона, четыре мюона или два электрона и два мюона. Разрешающая способность CMS при измерении электронов и мюонов прекрасна. В этих событиях не рождаются нейтрино, и полная энергия может быть измерена с точностью 1–2 %. Другими словами, мы можем реконструировать массу бозона Хиггса, из которого образовались эти четыре лептона, с исключительной точностью, и в этом случае присутствие бозона Хиггса также обнаруживается по пику в плотности распределения событий по массе. В противоположность тому, что происходит при распаде бозона Хиггса на два фотона, в этом случае фоновых шумов значительно меньше. В Стандартной модели события, в которых образуются четыре лептона, исключительно редки при энергиях ниже 150 ГэВ. К сожалению, при таких энергиях очень редки также события с участием бозона Хиггса. Во всей статистике, собранной в 2011 году, мы ожидали обнаружить только два или три таких события, но нужно было постараться не пропустить и одного, поскольку даже единственное событие может кардинально изменить ситуацию.

Фермионные каналы, то есть такие, в которых бозон Хиггса распадается на две струи b-кварков или на два тау-лептона, значительно сложнее всех прочих. Доля случаев, в которых они имеют место, высока, но результирующие распады бозона Хиггса практически идентичны огромному числу нормальных событий, которые замазывают сигнал и “мутят воду”. Эти каналы будут изучаться и станут важны уже после открытия бозона Хиггса, когда понадобится выяснить, нет ли каких‑то других аномалий, – в частности, связан ли бозон Хиггса с фермионами именно так, как предсказывает Стандартная модель.

Так выглядит принятая нами стратегия поиска бозона Хиггса. В области больших масс данных должно быть достаточно для получения хорошо видимого сигнала при комбинации всех каналов распада на пары W– и Z-бозонов. Если бозон Хиггса, напротив, окажется в области значительно более проблемной, со значениями массы меньше 150 ГэВ, то мы распознаем первые признаки его присутствия, регистрируя избыток событий в канале распада на пару W-бозонов, а в каналах распада на два фотона и на два Z-бозона в то же самое время появятся два ясно различимых пика при одном и том же значении массы.

Когда мы видим появление сигнала, то должны проверить, совместимы ли его интенсивность и вероятности различных каналов распада с теми, которые предсказывает теория для бозона Хиггса с такой же массой. Наконец, надо учитывать статистику, потому что каждая новая наблюдаемая нами картинка может оказаться не более чем случайной флуктуацией уже известных явлений, вносящих свой вклад в фоновый шум. В том, что действительно происходит нечто новое, мы будем уверены лишь тогда, когда сигнал окажется настолько силен, что вероятность для него оказаться результатом простой статистической флуктуации будет доведена до значения менее одной миллионной. До этого момента мы обязаны проявлять осмотрительность.

И снова контрастный душ

К июню 2011 года на LHC уже собрано более 1 fb^-1 данных. Целевое значение для всего года было достигнуто в первые три месяца. Теперь статистика позволяла нам изучать все самые интересные каналы, и, по мере накопления данных, становилось все более маловероятно, что бозон Хиггса прячется где‑то в области больших масс. В промежутке между 150 и 450 ГэВ мы уже достигли достаточной чувствительности, чтобы либо увидеть бозон, либо исключить его присутствие здесь. Но при бóльших значениях массы у нас не было значимого избытка событий. Все, что мы видели, объяснялось уже известными процессами Стандартной модели, так что теперь мы могли приступать к исключению присутствия бозона Хиггса в области от 150 до 200 ГэВ и в области от 300 до 450 ГэВ. Делать заключения для значений массы между 200 и 300 ГэВ, ниже 150 и выше 500 ГэВ мы пока не могли: чтобы говорить о чем‑то с уверенностью, нашей технике недоставало чувствительности. Нам требовалось больше данных.