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

Прекрасный подарок

Женева,

8 ноября 2011 г.

Когда с момента окончания run (как мы называем период “бега” ускорителя, то есть его работы) прошло несколько недель, персонал ускорителя буквально всех ошеломил. Физики и инженеры своей кропотливой работой привели LHC к такому состоянию, что всего за один день на нем производилось больше столкновений, чем за целый 2010 год. Начиная с лета, LHC стал функционировать, как швейцарские часы.

Весь 2011 год операторы выполняют совершенно фантастическую работу. Теперь в каждом сгустке по 150 млрд протонов, и тут есть чего пугаться: при такой высокой интенсивности минимальный сбой мог обернуться для ускорителя катастрофой.

Поэтому его постоянно пристально мониторят. Меры предосторожности совершенствуются день ото дня. Всякое отклонение от заданных параметров – даже самое незначительное – при диагностике детально изучается. Потребовались недели и месяцы непрерывной работы, кропотливой и методичной, выполнявшейся мелкими шажками, с небольшими, но ежедневными усовершенствованиями, с осторожными попытками мало-помалу увеличивать светимость, но в конце концов мы все‑таки добились своего.

У Стива Майрса на весь год я просил 5 fb^-1, и он всегда отмалчивался. Но затем, ничего не сказав, без всяких фанфар, он вдруг дал все 6 fb^-1. О таком уровне мы лишь мечтали, и теперь в наших данных стали проглядывать достойные внимания события. Мы ждали их с нетерпением; они концентрировались в области небольших масс, самой сложной, но и самой интересной для изучения. На протяжении месяцев ребята, занятые анализом, совершенствуют инструменты, улучшают разрешение, повышают эффективность и все лучше понимают процессы, влияющие на фоновые шумы. И сейчас мы можем видеть результаты этих чрезвычайных усилий. Я по очереди знакомлюсь с молодыми энтузиастами, тянущими на себе всю группу и упорно продвигающимися к цели. Мне хорошо с ними, и мы встречаемся ежедневно.

8 ноября – мой день рождения. Проходит очередное совещание одной из многих исследовательских групп по бозону Хиггса, и аналитики представляют на нем свои результаты. Именно тогда появился пик на значении 125 ГэВ. Ничего сверхъестественного, но все же что‑то. Сам по себе такой всплеск подобных событий ничего не значит. Но он находится на том самом месте, где возникло небольшое уплотнение очень редких событий, некоторые из которых были собраны другой аналитической группой.

Это он.

Я это чувствую, хотя пока и не уверен окончательно. Должно быть, так оно и происходило у наших предков, охотников-собирателей. Кому‑то из них интуиция подсказывала: вон в тех зарослях скрывается добыча. Ничто не шелохнется, кругом царит тишина, нигде нет никаких следов, но он кидает копье и убежден, что оно прилетит в цель.

Сегодня я знаю это точно: мне первому стало известно, что бозон Хиггса существует, и, думая об этом, я ощущаю легкое головокружение, делающее меня невесомым. Мы искали его долгие годы, и некоторые даже начали сомневаться в его существовании. Но вот же он, прямо здесь, в самом очевидном месте. Прятался, думая, что находится в безопасности, – ан нет!

Через несколько месяцев об этом узнают все на свете, и мир будет праздновать очередную победу науки. А сегодня меня окружают молодые люди, те самые, кто первым выделил слабые сигналы. Мы спорим, шутим и смеемся. Никто не говорит об открытии, никто не упоминает имени Хиггса, но наши глаза ярко сияют. Мы уже знаем, что “отправили наше копье точно в цель”, и этого знания достаточно, чтобы все были возбуждены и счастливы. Я получил ко дню рождения самый ценный подарок, о каком только мог мечтать.

Ускоренный бег охотников за бозонами

Чтобы в полной мере оценить работу, которая привела к одному из самых важных открытий последних десятилетий, надо облачиться в охотничье одеяние, взять в руки охотничье оружие и понять, как им пользоваться.

Охота на бозон Хиггса велась не вслепую. Фоторобот подозреваемого номер один в Стандартной модели очень детализирован. Прекрасно известны его характерные черты и все процессы, в которых он образуется. Нет проблем с тем, чтобы предсказать, сколько бозонов может себя обнаружить в столкновениях на LHC и на какие частицы они будут распадаться. Никого не пугает, что ищутся исключительно редкие события. Нам не привыкать разыскивать иголку в стоге сена. Сложность в том, что фоторобот заметно меняется в зависимости от заранее не известной нам массы, и потому нам приходится держать под рукой сотни различных фотороботов, каждый из которых соответствует той или иной гипотезе относительно массы. Получается, будто мы одновременно ищем сотни различных частиц. Поэтому не надо удивляться, что нам понадобилось привлечь к работе десятки исследовательских групп и сотни физиков.

Прежде всего предстояло рассмотреть различные реакции, в которых может появляться эта частица. Из таких чаще всего на LHC случается слияние двух глюонов – переносчиков сильного взаимодействия, при лобовом столкновении аннигилирующих с образованием одиночного бозона Хиггса. Чтобы исключить неожиданности, мы рассмотрели также и другие механизмы, не столь часто встречающиеся, но оставляющие исключительно характерные следы. Из наиболее интересных – образование одного бозона Хиггса в паре с W– или Z-бозоном, или образование бозона Хиггса в процессе аннигиляции пары W– или Z-бозонов[38].

Далее надо было рассмотреть различные варианты распада бозона Хиггса. Во всем диапазоне масс, который мы изучали, от 115 до 1000 ГэВ, бозон Хиггса может распадаться на пару W– или на пару Z-бозонов. Поэтому два эти канала распада, как мы их называем, фигурировали во всех наших исследованиях. При массе больше 350 ГэВ становится возможным распад на пару топ-кварков, но это очень редкий и с трудом поддающийся идентификации процесс. При массе меньше 160 ГэВ, наоборот, становится возможным использовать редчайший распад на два фотона или на фермионные пары: например, на пару тау-лептонов либо на струи, порождаемые парой b-кварков (b-кварки иногда называют bottom quark или beauty quark[39]).

Для каждой из этих надежных характеристик надо также рассмотреть изрядное число вторичных каналов. К примеру, занимаясь распадом бозона Хиггса на пару Z-бозонов, надо посмотреть, на что Z-бозоны распадутся дальше, – и тут обнаружится много вариаций. Не будем забывать, что не только бозон Хиггса, но и W– и Z-бозоны – нестабильные частицы, которые сразу распадаются на какие‑то еще. Так, сначала рассматривается случай, когда один Z-бозон распадается на два мюона и второй на два мюона, потом ищутся распады второго на два электрона, или на два тау-лептона, или на пару нейтрино, или на две струи – и так далее. Затем мы перейдем к случаю, когда первый Z-бозон распадается на два электрона, а второй на два мюона; потом – когда и второй на два электрона – и так далее. В общем, добраться таким образом до бозона Хиггса – это как сыграть в “Китайскую шкатулку”: его надо идентифицировать по продуктам распада частиц, на которые он распадается.

Когда выбран определенный канал распада для данного диапазона масс, ищутся сигналы, совместимые с присутствием бозона. Поиск начинается с гипотезы, что бозон Хиггса не существует, и он направлен на то, чтобы исключить его присутствие. Если для каких‑то значений масс это сделать не удается, то это уже первый признак, что с такой массой он может и существовать. Число событий, характеристики которых сопоставимы с искомым сигналом, сравниваются с числом событий, которые должны наблюдаться, если бозон Хиггса существует и если у него именно такая масса. И так, отрезок за отрезком, канал за каналом, исследуется весь диапазон.

Все компьютерные симуляции, проведенные до того, как 5 fb^-1 были достигнуты, показывали, что с такими данными у нас будет достаточная чувствительность, чтобы увидеть бозон Хиггса или исключить возможность его существования в диапазоне от 115 до нескольких сотен ГэВ. Как уже говорилось, диапазон между 115 и 150 ГэВ – самый сложный для исследования. Если бозон Хиггса скрывается здесь, то мы в лучшем случае увидим очень слабые сигналы, практически неразличимые на фоне шумов. Именно на этом диапазоне следует сконцентрировать все силы в непрерывном поиске все более точных методов анализа, чтобы получить данные по всем доступным каналам распада.

Здесь наиболее важны так называемые бозонные каналы, то есть те, в которых бозон Хиггса распадается на пару других бозонов – фотоны, W– или Z-бозоны. В случае, когда это пара W-бозонов, идентифицировать его относительно просто, потому что можно обнаружить в детекторах присутствие электронов и мюонов, образующихся в результате распада W-бозона. Коварство в том, что есть множество других реакций, не имеющих ничего общего с бозоном Хиггса, в которых также образуются пары лептонов с высокими энергиями и которые заглушают сигнал: выделить сигнал бозона Хиггса, распадающегося на пару W-бозонов, на фоне такого нормального шума – задача очень сложная. Кроме того, в этом канале очень низкое разрешение по массе. Дело в том, что распад W-бозонов на лептоны сопровождается нейтрино, которые остаются невидимыми для детекторов и улетают прочь, унося определенную долю выделившейся энергии, из‑за чего массу распадающейся частицы можно оценить только косвенно и приблизительно. В общем, распад на пару W-бозонов может дать нам понять, что что‑то происходит, но окончательного доказательства присутствия бозона Хиггса он нам не даст.

Чтобы проверить находку, надо получить сигналы в двух бозонных каналах с высоким разрешением: распад на два фотона и распад на пару Z-бозонов. В этих каналах есть возможность идентифицировать присутствие бозона Хиггса по появлению пиков в плотности распределения событий по массе – их избытка на вполне определенных отрезках.

Распад бозона Хиггса на фотоны сопровождается очень заметными событиями. Два фотона с высокими энергиями, которые излучаются в противоположных направлениях в плоскости, перпендикулярной пучку, очень легко обнаруживаются. И разрешающая способность калориметра CMS настолько высока, что энергия фотонов прекрасно измеряется. Если они возникли в результате распада бозона Хиггса, то дадут определить его массу с точностью до 1–2 %, а все сигналы соберутся в один очень узкий пик.

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.

И, тем не менее, в области ниже 150 ГэВ явно происходило что‑то любопытное. Интерес и удивление вызывал избыток событий в канале распада на два W-бозона. Однако все относились к этому со скепсисом, так как в каналах распада на два фотона или на четыре лептона ничего не было; впрочем, для каких‑то определенных предположений статистика была еще недостаточна.

После того как все было проверено, мы представили первые результаты на конгрессе Европейского физического общества, собравшегося в Гренобле в июле. Обнаруженный нами избыток не был значим и преимущественно проявлялся в канале распада с низким разрешением; тем не менее возник некоторый ажиотаж, ибо нечто похожее наблюдали и на ATLAS.

В точности, как и наши данные на CMS, результаты, полученные на ATLAS, исключили большие значения массы для бозона Хиггса, между 150 и 200 ГэВ и между 300 и 450 ГэВ. В них тоже присутствует избыток событий в канале распада на два W-бозона и на том же отрезке небольших значений масс, несмотря на то, что два эти результата заметно различаются. Интерес научного сообщества был до того высоким, а внимание прессы настолько настойчивым, что в мире стало шириться ожидание неминуемого открытия; в коллаборациях неостановимо нарастал оптимизм. Однако эти ожидания были абсолютно необоснованными, и мы всячески старались объяснять это как коллегам из коллабораций, так и журналистам. Время еще не пришло, чувствительность пока недостаточна, надо подождать, когда мы пройдем рубеж в 5 fb^-1, – лишь после этого можно будет сказать что‑то определенное и относительно области небольших масс. О верных признаках присутствия бозона Хиггса можно будет говорить только тогда, когда появятся – если вообще появятся! – какие‑то сигналы и в каналах с высоким разрешением. Но все наши усилия оказались напрасными. В газетах выходили статьи с заголовками “Хиггс: мы, кажется, у цели!” или “Интригующий избыток событий на уровне 140 ГэВ – возможно, именно там прячется давно разыскиваемый бозон”.

Впрочем, во всей этой какофонии была и одна радующая нота: стало ясно, что эксперименты на LHC заняли лидирующие позиции в гонке за бозоном Хиггса. Ученые с Тэватрона чувствовали наше дыхание на своих затылках. Данные, которые они представляли в Гренобле, год спустя после шокировавшего нас выступления в Париже, больше не были такими же интересными. Все знали, что если LHC не сбавит темп, Тэватрон соревнование проиграет.

После нашего выступления в Гренобле, вызвавшего взрыв энтузиазма, миновало всего несколько недель, когда все вдруг вмиг успокоилось. Сначала на ATLAS обнаружили небольшую ошибку в своем анализе: во время подготовки доклада на конференции один из источников фонового шума был сильно недооценен. При повторном проведении вычислений выяснилось, что избыток событий, вызвавший столько разговоров, стал значительно менее очевиден. При дальнейшем исследовании новых данных все и вовсе вернулось к нормальности. LHC продолжал работать полным ходом, и в последующие недели избыток событий при 140 ГэВ ослаб в обоих экспериментах до почти полного исчезновения.

Когда мы встретились в августе в Мумбае на Лептон-фотонной конференции[40] (в сезон проливных дождей, принесенных индийскими муссонами), оба эксперимента только и смогли, что меланхолически констатировать: избыток событий на малых массах, так всех впечатливший всего месяц назад, вместо того чтобы становиться заметнее и заметнее, утратил всякую значимость. Депрессивные муссоны смыли последние остатки энтузиазма. Наши эмоции еще раз прокатились на американских горках, но нам было не привыкать.

Как часто случается при переходе от энтузиазма к разочарованию, теперь превалировал пессимизм. Мы готовились к худшему: LHC ничего нам не даст, бозон Хиггса не существует. Почти все были уверены, что наши старания ни к чему не приведут. Мы окажемся очередными в длинном списке экспериментов, поставленных теми, кто напрасно рассчитывал бесстрашно взлететь к небесам. Рассуждения же вроде: “Доказать, что бозон Хиггса не существует, – это тоже важное научное открытие” – не слишком большое утешение. Хотя в физике, разумеется, очень важны и отрицательные результаты, доказывающие ложность той или иной теории. Не найти предсказанную теорией частицу – это не провал; напротив: ненахождение частицы налагает дополнительные ограничения на все известные модели, означает исключительно важный шаг познания, переключает внимание на пока еще не фальсифицированные теории или побуждает создавать новые.

К сожалению, каждый из нас понимал, что для LHC такой исход повлек бы очень серьезные последствия. Неудивительно, что Совет ЦЕРН сразу распорядился создать небольшую рабочую группу по выработке документа, объясняющего, насколько важно в научном плане исключение бозона Хиггса. И 16 сентября появился первый проект этого документа со странным заголовком “Научная значимость исключения бозона Хиггса в диапазоне масс между 114 и 600 ГэВ и наилучшие способы оповещения об этом”. В частности, нас очень озадачивала его вторая часть. Очевидно, Совет опасался, что могут возникнуть политические трения, которые вынудят некоторые страны в будущем уклоняться от амбициозных проектов, связанных с ускорителем. Или, хуже того, что какие‑то из двадцати стран, входящих в ЦЕРН, сократят свой ежегодный взнос на поддержку этой организации, лавинообразно увлекая за собой и других. Никакие красивые декларации не могли скрыть тот факт, что в годы экономического кризиса и всевозможных оптимизаций расходов, затронувших многие администрации, эта самая фиксированная сумма ежегодных платежей в швейцарских франках не то чтобы на ура воспринималась и некоторыми правительствами, и европейским общественным мнением.

Тем не менее невозможно было отрицать психологические последствия для нашего сообщества, годами пребывавшего в напряжении и уже не раз внезапно испытавшего на себе прелести контрастного душа. Каждый из нас понимал, что документ, поданный в Совет, корректен с научной точки зрения, но никто не мог бы убедить нас, что удовлетворение от открытия нового состояния материи сравнимо с удовлетворением от доказательства того, что его не существует.

Только нейтрино нам и не хватало!

Еще бы чуть‑чуть – и я бы умер. Кусок сэндвича, откушенный в спешке и в озлоблении, встал мне поперек горла. Мы с Серджо – на шестом этаже центрального здания, над генеральной дирекцией, у дверей зала, где проходила встреча с наиболее важными научными и финансовыми комитетами. У нас перерыв, чтобы перекусить и выпить кофе. Серджо отозвал меня в сторонку: “Готовится настоящая бомба. Надо еще провести некоторые проверки, но похоже, что в OPERA, эксперименте под руководством Антонио Эредитато, зарегистрировали нейтрино, распространяющиеся со скоростью больше скорости света. Уже несколько месяцев они все проверяют и перепроверяют, но эффект сохраняется. Еще немного – и будет официальное объявление. Пристегивайте ремни!”

OPERA – это эксперимент в подземной лаборатории, расположенной в Италии, в горах Гран-Сассо, примерно в 700 км от ЦЕРН. Задача эксперимента состоит в сборе доказательств осцилляций мюонного нейтрино в тау-нейтрино. Склонность нейтрино к самопроизвольным превращениям друг в друга уже была доказана для других поколений этого семейства, но пока еще никому не удавалось зарегистрировать события, которые собрались изучать в OPERA. Пучок мюонных нейтрино высокой интенсивности направляется из ЦЕРН через толщу земной коры и достигает Гран-Сассо. Нейтрино – легчайшие частицы, не участвующие ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях, могут беспрепятственно преодолевать тысячи километров горных пород. В OPERA регистрируют редкие взаимодействия этих частиц с детекторами в надежде на редчайшие случаи превращения по дороге мюонных нейтрино, испущенных в ЦЕРН, в тау-нейтрино.

В 2010 году в OPERA зарегистрировали первый такой случай и теперь продолжают собирать данные, чтобы зарегистрировать другие случаи. Попутно они измеряют время, за которое эти частицы достигают Гран-Сассо; собственно отсюда физики и сделали свой умопомрачительный вывод: нейтрино тратят на дорогу на 60 миллиардных долей секунды меньше, чем предсказано. Пустяк, казалось бы, но если все подтвердится, то придется признать, что нейтрино – хотя бы при определенных условиях – могут двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Результат ошеломительный и во всех отношениях неожиданный.

Моя первая реакция – раздражение. Только этого нам сейчас не хватало! Очередная медийная буря разразится в тот самый момент, когда мы должны сосредоточенно и спокойно работать. Вместо того чтобы тратить энергию на анализ новых данных, получаемых на LHC, и вникать во всевозможные тонкости, нам придется тратить время на расспросы журналистов, на телевизионные интервью, на изучение деталей проводимых экспериментов, чтобы не ляпнуть какую‑нибудь неточность.

А потом появился страх. Вот он, наихудший сценарий нашего будущего! На уровне инстинктов я, разумеется, не мог принять результаты этих экспериментов, и я был не одинок, когда сразу подумал о том, что допущена какая‑то ошибка. Со скепсисом отнеслось к полученным результатам подавляющее большинство исследователей. И дело было не только в некритическом доверии к специальной теории относительности – все ученые на самом деле осознают, что рано или поздно будет проведен некий эксперимент, который заставит нас отказаться даже от тех немногих истин, что кажутся сегодня гранитными.

Причина скептицизма заключалась в том, что скорость нейтрино уже не раз измерялась и никогда не превышала скорости света, причем даже на значительно бóльших расстояниях. Когда в 1987 году взорвалась сверхновая, было проведено много экспериментов с нейтрино, прибывших к нам от умирающей звезды, и нигде не наблюдалось никакой аномалии. Это правда, что в данном случае речь шла о совсем других энергиях, но исходить из того, что нейтрино, излученные звездой, почему‑то движутся медленнее, чем нейтрино от ЦЕРН, – это значит строить аргументацию на песке. А кроме того, будь это и правда так, подобная аномалия сильно сказалась бы на других величинах, уже измеренных с колоссальной точностью.

Страх, который я испытывал, был порожден кошмарной картиной, внезапно представшей перед моим внутренним взором. Вот отпразднуем мы сейчас это выдающееся открытие, сколько‑то месяцев ЦЕРН будет на щите, и все станут повторять: именно здесь самая важная в мире лаборатория, где делают эпохальные открытия и даже ставят под вопрос авторитет самого Эйнштейна. А потом, может быть, всего через несколько месяцев, выяснится, что все дело в допущенной ошибке, и тогда наступит печальный финал – потеря лица и глобальное недоверие. И тут вдруг, посреди всего этого, заявляемся мы со своим LHC и с невинным видом сообщаем: знаете, а мы открыли бозон Хиггса. Мне кажется, я уже слышу громкий хохот, которым будет встречено это наше известие. Так стоит ли вообще лезть во все это дерьмо? Что выигрывает ЦЕРН, связывая свою деятельность и свой престиж с результатами Эредитато? А ведь OPERA – это даже не один из экспериментов ЦЕРН!

Но фарш уже провернут. Эредитато представил свои результаты в центральной аудитории – в том историческом месте, откуда сообщалось о величайших открытиях, – и его доклад привлек к себе, как и ожидалось, планетарное внимание: сотни статей, десятки интервью, несчетное количество веб-сайтов. Даже я, хотя я тут никаким боком, получил десятки поздравлений по телефону и по электронной почте – по случаю нового замечательного результата ЦЕРН. И мне приходилось прикусывать себе язык, чтобы не сказать открытым текстом, что я по этому поводу думаю. Давая официальные комментарии, я изо всех сил пытался сохранять спокойствие: “Эксперимент интересный, но… необходимо тщательно проверить, прежде чем… нужны подтверждения в других экспериментах… бла-бла-бла”.

Недоумение еще больше возросло, когда выяснилось, что коллаборация в OPERA расколота до такой степени, что даже не все ее члены поставили свои подписи под публикацией. Это свидетельствовало о том, что во внутренних механизмах эксперимента не все функционировало так, как надо.

Как мы уже видели, когда в больших коллаборациях регистрируется некий неожиданный результат, сразу запускается процедура верификации и проверок, которая должна быть тем более глубокой и всесторонней, чем более резонансным и значимым в научном плане может оказаться предполагаемое открытие. Организовать процесс валидации[41], убедиться, что никакая мелочь не ускользнула от внимания, – главная задача ответственных лиц эксперимента. Без такого механизма внутренних проверок CMS каждый день открывал бы то экстраизмерения, то суперсимметричные частицы. В таких сложных устройствах достаточно пустяка, чтобы появился сигнал, похожий на те, которые могли бы опрокинуть всю картину мира. Это может быть и недостаточно откалиброванный детектор, и дефект в электрической цепи, и банальная электромагнитная помеха, и незамеченный шумовой фон, и забытый баг в одной из бесчисленных строчек кода… перечислять тут можно до бесконечности.

По сути, речь идет об энтропии. Есть тысячи разных способов произвести скверное вино, но лишь один (с незначительными вариациями) – дать жизнь настоящему “Сассикайя”. То же самое правило работает в физике. Не существует магического рецепта, который защитит тебя на все сто процентов, но достаточно пренебречь какой‑то одной из контрольных процедур – потому, что слишком торопишься, или потому, что тебя манит свет прожекторов, – и результат наверняка окажется катастрофическим. Поэтому нам требуются выдержка и хладнокровие. А самое главное – в таких решениях должны принимать участие все физики эксперимента. Ты обязан сразу обратиться к тысячам умных и компетентных экспертов, чтобы они искали в твоих рассуждениях не замеченные тобой слабые места.

Именно для этого как раз и нужна максимальная прозрачность внутри эксперимента. Все должны иметь полный доступ ко всей информации. Все должны осознавать свое право / свою обязанность нелицеприятно критиковать результат, полученный одной из аналитических групп. Все должны получить полный доступ к каждой детали проводимого исследования и быть в состоянии провести его заново. Если результат подразумевает резонансные последствия, ты должен обязательно обратиться ко многим независимым группам с просьбой воспроизвести его, используя абсолютно другие методы и программное обеспечение. Принципиально важно в этом процессе забыть об иерархиях и авторитетах. Много раз я видел в CMS совершенно юных студентов, которые одним простым вопросом разбивали результаты, представляемые известными профессорами.

Увы, приходится признать, что, несмотря на любые усилия, ошибки все равно происходят. От них не застрахованы никакие эксперименты, даже самые знаменитые. В 1985 году UA1, эксперимент, руководимый Руббиа, объявил об открытии топ-кварка с массой 40 ГэВ. Но UA2 не смог воспроизвести результат, и очень скоро оказалось, что Руббиа совершил ошибку; правда, полученная им незадолго до того Нобелевская премия защитила его от более тяжких последствий, чем краткосрочная потеря доверия. Ну, а о ложной тревоге на LEP по случаю несостоявшегося открытия бозона Хиггса на 115 ГэВ я уже говорил… и этот “скорбный список” можно продолжить.

Когда ты двигаешь вперед свои отряды для исследования новых территорий, то должен принимать в расчет вероятность где‑то споткнуться. Тебе надо признать, что среди сотни экспериментов за гранью возможного окажутся и такие, что дадут бессмысленный результат. Принцип научной достоверности – со времен Галилея требующий, чтобы, поставив тот же самый эксперимент в тех же самых условиях, всегда можно было проверить и перепроверить любой научный результат, а также чтобы независимые экспериментаторы пришли к тем же выводам, – целых 400 лет убедительно демонстрировал свою неизменную работоспособность. В истории с OPERA хватило нескольких месяцев, дабы стало ясно: этот принцип не был соблюден, полученный результат не был подтвержден в других экспериментах, и потому его сразу следовало отправить в архив – в качестве очередного наглядного примера допущенной ошибки. В чем тут была неправильность? В том, что происходило внутри коллаборации. Как стало известно вскоре после публичного сообщения о полученном результате, некоторые детали эксперимента скрывались даже от его участников. Никто не обращался к независимым группам исследователей для проверки экспериментальных процедур и повторения полученного результата иными методами. Спикер очень спешил объявить о громком открытии. Тем, кто пытался выразить сомнение и потребовать дополнительных проверок, затыкали рты, на них давили авторитетом, и потому они попросту не стали ставить свои подписи под статьей. Все эти грубые ошибки не позволили сразу обнаружить то, что вскрылось позднее, весной 2012 года: какое‑то дурацкое оптоволокно не было подсоединено должным образом, отчего измерение, вызвавшее такой ажиотаж, оказалось полной ерундой.

Что же касается LHC, то нам здорово повезло, что все это случилось весной, спустя несколько месяцев после того, как на декабрьском семинаре мы на весь мир объявили о первых свидетельствах присутствия бозона. Когда в OPERA признали свою ошибку, мы в ЦЕРН уже работали над открытием. Но ситуация все еще оставалась очень рискованной.

В конце концов за все ответил Эредитато; он, конечно, был виноват во многом, но расплачиваться ему пришлось и за то, в чем его вины не было. Он утратил доверие и был вынужден оставить свой пост, а те самые информационные каналы, которые совсем недавно пели ему осанну как новому Эйнштейну, принялись безжалостно его высмеивать. Все те, кто заскочил в вагон к “победителю”, в минуту его поражения и позора мгновенно испарились. ЦЕРН делал вид, что все идет по плану. Его сдержанное коммюнике сообщало, что в OPERA обнаружили дефекты в экспериментальном оборудовании, которые ставят под сомнение результаты, обнародованные несколькими месяцами ранее. Позже, вспоминая об этом эпизоде, Серджо Бертоллучи ядовито заметит: “Было ясно, что так оно и закончится. Разве в Италии хоть что‑то может произойти раньше положенного срока?”

Разумеется, то, когда именно и при каких обстоятельствах “взорвется нейтринная бомба”, определил случай. Но я не исключаю и вмешательства кого‑либо еще, кому понадобилось, чтобы ЦЕРН непременно расписался под сенсационными достижениями. Это непрерывное стремление к тому, чтобы всегда быть на первых полосах, – один из результатов чрезмерного внимания прессы после 2008 года. Я долго пытался понять, кто же принял решение о поддержке открытия OPERA со стороны ЦЕРН. Но, боюсь, мое любопытство так и останется неудовлетворенным.

Убейте этот сигнал

Пока внимание всего мира было приковано к нейтрино, мы упорно изучали новые данные. Стив продолжал увеличивать светимость ускорителя, и все шло наилучшим образом. Данные все прибывали и прибывали, однако, к сожалению, крутиться в полную силу шестеренкам нашего механизма мешали кое‑какие песчинки. Одна из них – это pile-up[42].

Для того, чтобы увеличить светимость, Стив увеличивал плотность протонов в каждом сгустке и улучшал фокусировку пучков. Все это приводило к хорошо известному для ускорителей типа LHC явлению, с которым мы, однако, не рассчитывали встретиться так скоро. На практике число столкновений для каждого пересечения пучков росло слишком быстро. От идеального случая, когда на каждое пересечение приходится по одному столкновению, мы пришли к ситуации, когда надо было реконструировать по 12 столкновений на пересечение, а иногда дело доходило и до совсем экстремальных 25 столкновений на пересечение. Из них от силы одно могло представлять какой‑то интерес, а во всех остальных отмечалась слишком низкая энергия. Но в каждом таком столкновении образовывались десятки частиц, запутывавших картину, которую нам предстояло изучать.

Эксперименты на LHC проектировались с учетом этого явления, но нам впервые пришлось с ним столкнуться в реальности, и никто не мог гарантировать, что готовые рецепты будут работать так, как задумывалось. В июле мы получили предупреждение и сразу же принялись за работу. Многие даже отказались от своего недельного отпуска в августе, чтобы в сентябре, когда начнется финальная суматоха, все было гарантированно готово. На бумаге предлагавшиеся инновативные идеи вроде бы работали очень хорошо, но мы готовились вмешаться, если что‑то пойдет не так. События могли оказаться настолько сложнее, чем предполагалось, что их не удастся записать на диск. Наш адский суперпроцессор, тот самый триггер, который на лету отбирает и реконструирует лишь многообещающие события, мог просто захлебнуться в потоке данных. Кроме того, надо было следить за тем, чтобы все расчеты в этих новых условиях давали достоверные результаты, а для этого требовалась подробная численная симуляция на компьютере миллиардов событий.

К счастью, рост оказался не лавинообразным, а вполне постепенным, так что у нас было время проводить проверки шаг за шагом, по мере необходимости приспосабливаясь к изменениям. Но сложность заключалась в том, что нам при этом нельзя было терять ни секунды. Сотни людей месяц за месяцем напряженно работали и всеми силами старались уменьшить затраты времени на реконструкцию треков, стремясь снизить путаницу в калориметрах и смягчить эффект pile-up при отборе электронов, фотонов и мюонов – наиболее важных частиц для выявления признаков бозона Хиггса.

Параллельно с этим следовало удостовериться в качестве новых данных; зачастую их надо было быстро отправлять на повторную обработку – в надежде воспользоваться результатом идеальной юстировки и калибровки. Мы не могли тратить месяцы на ожидание. У нас было всего несколько недель, чтобы провести полный анализ и понять: есть тут этот проклятый бозон или нет.

Оркестр звучит прекрасно во всех регистрах, дирижер может не слишком напрягаться. У него полное взаимопонимание с оркестрантами. Достаточно легкого взмаха дирижерской палочки или даже грозного взгляда – и группы инструментов в нужный момент подхватывают мелодию либо умолкают, а солисты виртуозно сменяют друг друга. Прежде мне никогда не доводилось видеть, чтобы такой большой и такой разношерстный коллектив работал столь слаженно, страстно и неутомимо, словно он и в самом деле был единым организмом.

И результаты не заставили себя ждать. Наиболее важная роль – у трех групп, занимающихся поисками бозона Хиггса в области небольших масс. В каждой работают сотни физиков, входящих в сеть подгрупп.

Та, которая занималась распадом бозона Хиггса на пару W-бозонов, обеспечивала рост чувствительности ускорителя. Я уже упоминал, что разрешающая способность в этом канале по массе была несопоставима с разрешающей способностью в распадах бозона Хиггса на два фотона или четыре лептона. Именно от этих групп зависел исход дела. Если никакого избытка распадов на два W-бозона не будет, то все усилия окажутся напрасными. Работая как проклятые, ребята из группы W смогли в итоге поднять чувствительность в этом канале и выдавали теперь информацию о происходящем в области небольших масс на уровне 120 ГэВ – то есть близко к порогу LEP, – в той самой области, которая еще несколько месяцев назад рассматривалась как непригодная к исследованию. Ради уверенности в надежности результата были организованы дополнительные независимые проверки. Три воинственно настроенные подгруппы сотрудничали и конкурировали друг с другом, стараясь превзойти соперников в надежности и убедительности результатов, которые будут опубликованы как достижение всей коллаборации.

Группа, искавшая бозон Хиггса в парах фотонов, знала, что находится в центре внимания, но также чувствовала и ответственность за получение надежных результатов. А значит, исследователям надо было предельно откалибровать электромагнитный калориметр и максимально учесть фоновые процессы. Сигналы от распада бозона Хиггса на два фотона очень заметны, но нужно распознать сотню таких событий на фоне десятков тысяч других, хотя они и выглядят очень похоже. Тут тоже требуется создавать независимые аналитические группы, которые станут использовать для идентификации тех же самых сигналов иные методы. Каждый результат, полученный одной из подгрупп, будет верифицирован, событие за событием, другими подгруппами, до тех пор, пока анализ в разных подгруппах не будет полностью синхронизирован. Всякое, даже мельчайшее, улучшение разрешающей способности может оказаться важным. Вот, скажем, подгруппа, занимающаяся откликом калориметра; каждый из 75 000 кристаллов анализируется, словно под микроскопом; изучается отклик каждого кристалла в зависимости от точки попадания частиц; проверяется, как отклик кристалла меняется с течением времени, – и делаются корректировки, учитывающие любые вариации условий, в которых протекают эксперименты. Другая подгруппа работает над тем, чтобы по информации о двух фотонах реконструировать координаты точки, откуда они были излучены, и сопоставить их с координатами места столкновения частиц. Еще одна подгруппа разделила все события на различные классы, приписав каждому определенный вес в зависимости от чистоты получаемого сигнала. И хотя таким образом достигается предельная чувствительность, процедура проверок становится исключительно сложной, особенно на этапе согласования результатов работы всех подгрупп.

Наконец, есть группа, занимающаяся распадом бозона Хиггса на четыре лептона. Тут тоже многое делается для изучения электронов и мюонов низких энергий и возможностей их идентифицировать в условиях возросшего pile-up последних месяцев. Это необходимо проделать при поиске бозона Хиггса в области небольших масс, поскольку мы знаем, что можем в лучшем случае рассчитывать на горстку полезных событий. Распад бозона Хиггса на пару Z-бозонов с последующим распадом каждого из них на пару электронов или пару мюонов – процесс очень ясный, потому что фон тут невелик, но эти события так редки, что мы не можем себе позволить пропустить ни одно из них. Очень кстати кто‑то обнаружил, что на основании предсказанных свойств бозона Хиггса можно улучшить выделение сигнала из фона, анализируя угловое распределение лептонов после распада. Как и в других группах, анализ тут проводят независимо и поэтапно – ради достижения лучшего результата.

Во всех группах есть молодые и очень молодые сотрудники, которые стремятся использовать наиболее инновационные методы анализа, принятые к использованию в физике относительно недавно и особенно эффективные при поиске слабых сигналов в наиболее запутанных ситуациях. Их называют многомерным анализом данных, так как в настоящее время для отбора наиболее интересных событий они используют всевозможные переменные. Однако мы в CMS пока не верим, что они пригодятся для поиска бозона Хиггса. В таких сложных методах анализа всегда есть риск утратить контроль над тем, что вы делаете. Но инновационные методы очень важны, так как дают нам возможность организовать дополнительную проверку происходящего.

В первых числах ноября охотники за бозоном Хиггса заметили новые странности. Группа, занимающаяся парами W-бозонов, увидела избыток интересных событий во всем диапазоне масс меньше 160 ГэВ; это могло быть первым указанием на то, что в этой области что‑то происходит, но мы уже пережили слишком много взлетов и падений, чтобы отнестись к новости с энтузиазмом. Более интересной выглядела ситуация с распадом бозона Хиггса на четыре лептона. Для масс меньше 130 ГэВ событий было явно больше ожидаемого. Но мы пока не понимали, что там творится. Были два события около 125 ГэВ и три около 119 ГэВ. Какая из зон была правильной? Или в обоих случаях речь шла о статистических флуктуациях, временных сгущениях событий, которым суждено рассосаться по мере накопления новых данных?

Все взгляды были прикованы к распаду бозона Хиггса на два фотона. Но группы пока не успели проанализировать полный объем данных, потому что анализ должен был проводиться синхронизированно и мы ожидали проведения новых калибровок. Поэтому 8 ноября, когда проходило очередное совещание группы, никто особо не волновался. За исключением меня, Вивека и еще пары участников встречи, большинство присутствующих не следило за тем, что происходит в других группах. Мы принимали участие во всех совещаниях и получали информацию из первых рук, а люди, входившие в ту или иную группу, были слишком поглощены собственной работой, чтобы вдаваться в то, чем заняты другие.

Когда в их результатах появляется пик на 125 ГэВ, лишь немногие понимают, что на самом деле происходит. Во-первых, сигнал слаб, во‑вторых, на 145 ГэВ есть еще один пик, так что вполне можно подумать, что мы видим всего лишь очередную статистическую флуктуацию. Но если бы кто‑то, подобно мне, просмотрел перед этим другие результаты, то у него бы наверняка тоже заколотилось сердце. Совещание шло обычным ходом: задавались вопросы, предлагались объяснения. Однако когда в тот же день я повстречал ребят из двух других групп первичного анализа – они как раз обменивались новостями, – мне не потребовалось много слов, чтобы описать ситуацию.

Приказ, отданный немедленно, звучал абсолютно ясно и обсуждению не подлежал: у вас есть две недели на то, чтобы убить этот сигнал. Сделайте все, чтобы его не было. Если же у вас это не получится, то я еще до конца месяца сообщу о нем генеральному директору.

Для CMS начались безумные дни бесконечных проверок, страха и острых конфликтов. Прочая же научная общественность, не имевшая отношения к LHC, сохраняла спокойствие и обсуждала новые горизонты, открывавшиеся в связи с тем, что, как теперь стало ясно, бозона Хиггса не существует.

Через неделю после моего дня рождения я был в Сорбонне, на одной из регулярных встреч физиков-теоретиков. Они яростно спорили, выбирая между различными моделями Новой физики, объясняющими отсутствие бозона Хиггса. Кое-кто, обладавший сомнительным чувством юмора, даже начал свое выступление с замечания, что Питеру уже больше восьмидесяти лет, и со слайда, на котором виднелся надгробный камень с надписью: “ХИГГС R. I. P.” (то есть “Да упокоится с миром” на латыни). Пока шли дискуссии, я все время отвлекался на свой мобильник, ожидая новостей из ЦЕРН. Легкая улыбка освещала мое лицо.