В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Коллайдер работал на пределе своих возможностей. С каждой переделкой он, казалось, становился все менее похожим на хорошо отлаженный, точный инструмент и все более — на непредсказуемое дикое животное. Неожиданно он издавал рык страшной силы, а потом через минуту останавливался, будто устав. Внизу в туннеле LEP под действием излучения, испускаемого пучками, некоторые узлы машины даже начали спекаться, приобретая желто-коричневый оттенок ¹⁵⁷.

15 июня греческий физик Никое Константинидис вошел на внутренний сайт “Алефа” — одного из четырех больших детекторов коллайдера ЦЕРНа, — чтобы просмотреть последние результаты. Каждое утро детектор автоматически запускал компьютерную программу, которая обрабатывала столкновения предыдущего дня и выносила в отдельный список события, казавшиеся интересными. В то утро она обнаружила любопытное событие ¹⁵⁸. Константинидис решил его внимательно проанализировать. Итак, он увидел четыре отчетливых струи частиц, каждая из которых была порождена кварком, образовавшимся при столкновении. После еще нескольких проверок Константинидис определил, что два кварка образовались от распада частиц с массой около 91 ГэВ — это наверняка были Z-частицы. Два других кварка произошли от какой-то еще частицы с массой примерно 114 ГэВ — для Z-частицы она была слишком тяжелой. Константинидис показал результат своим коллегам. По их совету он провел еще несколько проверок. “Я смотрел на это событие, задавал себе вопросы, проверял. Так я провел полчаса, может быть, даже час. И чем больше я смотрел на данные, чем больше проверял, тем больше все это походило на рождение бозона Хиггса. И это было так красиво, так чудесно!” — рассказывал он.

В физике элементарных частиц успех приходит только к очень терпеливым людям. Детектор тогда действительно зарегистрировал нечто вроде последствий распада частицы Хиггса, но единичное мимолетное видение, каким бы прекрасным оно ни было, в физике не значит ничего. Вы должны регистрировать одно и то же событие снова и снова, чтобы убедиться, что это не случайность. Ведь в квантовом мире странные вещи случаются сплошь и рядом.

Правила объявления об открытиях в физике элементарных частиц таковы: перед тем как кричать “Эврика!”, бежать в лаборатории и хвастаться, вы должны быть абсолютно уверены, что ваша новая частица не есть проявление какого-то давно известного эффекта, который неожиданно возник и запутал результаты. Так когда вы можете быть абсолютно уверенными, что открытие произошло? А тогда, когда частица появляется регулярно и регистрируется четко и вероятность того, что это всего лишь флуктуация, менее единицы на несколько миллионов. Эту вероятность можно оценить, сравнивая события, которые вы зарегистрировали (сигнальные события), с большим количеством других, которые вы бы увидели, если бы частицы не существовали (фоном). Для определения степени уверенности в предполагаемом открытии физики используют статистическую величину, называемую статистической значимостью и обозначаемую греческой буквой . Если у вас есть отклонение сигнального события от фона, равное 3, вы можете заявить об “экспериментальном наблюдении” новой частицы, но квалифицировать открытие как настоящее можно только при значении  не менее 5. Это значит, что вероятность ошибки менее одного на несколько миллионов. Не существует никаких реальных ограничений на величину  сверху, любое ее увеличение означает повышение надежности результата.

В конце июня члены группы детектора “Алефа” собрались на обсуждение последних результатов. Константинидис с воодушевлением рассказал о событии, которое он увидел и проанализировал. Оно явно выделялось среди всех прочих столкновений. Событие случилось только один раз, но у слушателей появилась надежда — может быть, они наконец вышли на след бозона Хиггса?

Существует традиция секретности среди физиков, работающих на коллайдерах частиц. Каждая группа изучает свои собственные столкновения, проводит свой анализ и делает все возможное, чтобы сохранить свои открытия в тайне от других групп. Но в таких научных центрах, как ЦЕРН, слухи распространяются быстро. Прошло немного времени, и возбуждение, в котором пребывали все в команде “Алефа”, стало достоянием общественности. Патрик Жано выразил чувства многих ученых ЦЕРНа так: “Возникло ощущение, что мы наконец вознаграждены за многие годы ограничений и разочарований. Но если вы — ученый, вы знаете, что в науке правит статистика и результаты приходят и уходят. Вы говорите себе — спокойно, не теряем самообладания. Это наш шанс. Так давайте же используем его”.

Перед физиками “Алефа” встала сложная проблема. Единственное, что им было нужно, это время, а времени у них как раз и не было. Коллайдер LEP планировали закрыть в середине сентября, и оставалась только пара месяцев на то, чтобы еще раз попытаться увидеть сигналы, свидетельствующие о рождении бозона Хиггса.