На прошлой неделе физики объявили миру долгожданную новость: на Большом адронном коллайдере в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) открыта новая элементарная частица, “похожая на бозон Хиггса”. Сенсационное заявление сделали руководители двух крупнейших экспериментов ЦЕРН — Джо Инканделла (эксперимент CMS) и Фабиолла Джанотти (ATLAS). Оглашение результатов происходило 4 июля в ходе специального семинара в ЦЕРН, предваряющего важнейшую конференцию года по физике частиц ICHEP-2012 в Мельбурне. Хотя справедливости ради стоит сказать, что днем раньше неподтвержденная информация об открытии просочилась в англоязычную прессу.
В России видеотрансляция церновского события, а также обсуждение его итогов проводились в Доме международных совещаний в Дубне, в рамках очередного заседания объединенного семинара “Физика на LHC”, уже более двух лет регулярно проводящегося под руководством главы коллаборации RDMS CMS Игоря Голутвина. Интересно, что первый семинар Голутвина проходил в день исторического запуска Большого адронного коллайдера 30 марта 2010 года.
Участники нынешнего дубнинского мероприятия собрались заранее и с большим волнением ожидали видеотрансляцию из зала заседаний ЦЕРН. Всем было понятно: этот день войдет в историю физики.
Волновались и участники семинара, находящиеся в Женеве. Перед его началом дубнинцев приветствовал физик-теоретик академик РАН Валерий Рубаков:
— Я ожидаю самых серьезных заявлений. Не исключено, что сегодня будет объявлено об открытии, которого все мы ожидали многие годы. Существует ли бозон Хиггса, или что-то другое стоит за нарушением симметрии — сегодня мы получим первые ответы на эти вопросы.
Прежний руководитель эксперимента CMS Гуидо Тонелли обратился к аудитории в Дубне с такими словами:
— Я чувствую себя сегодня одним из самых счастливых людей. Это очень важный день для физики, для коллаборации CMS. И без участия группы российских ученых (RDMS. — C.Б.) он был бы невозможен. Сегодня главная аудитория ЦЕРН полна людей, все парковки забиты — в ЦЕРН царит настоящий ажиотаж. Я думаю, нас ждет нечто захватывающее.
А затем камеры видеотрансляции переместились в конференц-зал Европейского центра ядерных исследований, где после короткого вступительного слова директора Рольфа Хойера прозвучали обстоятельные сообщения руководителей экспериментов CMS и ATLAS о предварительных результатах поиска бозона Хиггса.
Первым выступал Джо Инканделла. В его докладе говорилось, что в экспериментах на CMS наблюдается “превышение событий при значении массы приблизительно 125 ГэВ со статистической значимостью пять стандартных отклонений (5Ϭ) над ожидаемым фоном”. Такая точность (5Ϭ) означает ничтожную вероятность ошибки и позволяет говорить об открытии. Вероятность того, что наблюдаемый сигнал является флуктуацией фона, — единица на три миллиона. Самое значимое подтверждение наблюдается в двух конечных состояниях с наилучшим массовым разрешением: во-первых, в канале с двумя фотонами в конечном состоянии и, во-вторых, в канале с двумя парами заряженных лептонов (электроны или мюоны). По словам Инканделлы, физики интерпретируют это как рождение ранее не наблюдавшейся частицы с массой около 125 ГэВ.
Данные CMS также исключают существование бозона Хиггса Стандартной модели в диапазонах масс: 110-122,5 ГэВ и 127-600 ГэВ с уровнем статистической достоверности 95%. Меньшие значения масс были ранее исключены на предшественнике Большого адронного коллайдера — коллайдере LEP в ЦЕРН.
Для ответа на вопрос, обладает ли новая частица всеми свойствами бозона Хиггса, или же некоторые свойства не совпадают, что указывает на новую физику за пределами Стандартной модели, необходимо собрать больший объем данных. Джо Инканделла сообщил, что в ближайшее время LHC продолжит работу во “впечатляющем темпе” и к концу года CMS рассчитывает утроить общий объем набранной на сегодняшний день статистики. Тогда ученые смогут с уверенностью говорить о свойствах новой зарегистрированной частицы, а также расширить другие исследования, направленные на поиск новой физики.
Второй доклад сделала Фабиолла Джанотти. “Мы даже не мечтали о том, что поиск бозона Хиггса так ощутимо продвинется в столь короткие сроки, — отметила она. — Мы наблюдаем в наших данных явные признаки существования новой частицы на уровне пяти стандартных отклонений (5Ϭ) в области масс около 126 ГэВ. Выдающиеся рабочие характеристики ускорителя LHC и детектора ATLAS, а также огромные усилия многих людей привели нас к этому волнующему результату. Чуть больше времени потребуется для того, чтобы его закрепить и накопить достаточно данных для определения свойств новой частицы”.
Бозон Хиггса — нестабильная частица, живущая только мельчайшую долю секунды перед тем, как распасться на другие частицы. В эксперименте его можно наблюдать, регистрируя продукты распада. В Стандартной модели электрослабых взаимодействий предполагается, что бозон Хиггса распадается на различные комбинации частиц, или каналы (это зависит от массы бозона).
Коллаборация ATLAS изучила два взаимно дополняющих друг друга канала: распад бозона Хиггса либо на два фотона, либо на четыре лептона. В докладе Фабиоллы Джанотти говорилось, что “оба канала показали примерно одинаковое статистически значимое превышение событий — около массы 126 ГэВ”. При этом отклонение от фона — такое же, как и в эксперименте CMS: на уровне пяти стандартных отклонений (5Ϭ).
После выступлений руководителей двух экспериментов, подтверждающих результаты друг друга, все стало на свои места: в ЦЕРН открыта новая частица, удивительно “похожая” на теоретически предсказанный бозон Хиггса! Физики ликовали, но были осторожны в своих высказываниях и не торопились однозначно признать ее той самой “божественной частицей”, которая таит в себе ответы на многие вопросы мироздания.
Академик Валерий Рубаков честно признался, что теоретики пребывают в некотором смущении: “Сегодня экспериментальная физика сделала огромный рывок, она явно обгоняет теорию. Теоретики не смогли предсказать массу бозона Хиггса. Теперь, если все подтвердится, предстоит разобраться со свойствами новой частицы, с тем, как именно происходит нарушение электрослабой симметрии. Это задача ближайших десятилетий”.
Комментируя историческое заявление ЦЕРН, Игорь Голутвин пояснил, что, прежде чем называть новую частицу бозоном Хиггса, нужно измерить ее спин, то есть собственный момент импульса. Если спин окажется нулевым, можно будет сказать, что мы имеем дело с “хиггсом”, если ненулевым — тогда это не “хиггс”, а что-то совсем новое.
Об этом загадочном “новом” физики говорят с огромным интересом — гораздо большим, чем когда заходит речь о бозоне Хиггса. Объяснение простое — Стандартная модель слишком уж “стандартна” и далеко не все объясняет. Выход за ее пределы дает шанс разобраться со структурой материи, причинами возникновения темной энергии и многими другими непонятными сегодня явлениями.
И все же бозон Хиггса, на “поимку” которого ушли годы, продолжает оставаться в центре внимания ученых. За два дня до объявления об открытии новой частицы в ЦЕРН в американской Фермилаб состоялся научный семинар экспериментов D0 и CDF, на котором также сообщались результаты поисков бозона Хиггса. В частности, было сказано, что в ходе анализа 500 триллионов событий протон-антипротонных взаимодействий при энергии 2 ТэВ в системе центра масс на предмет поиска бозона Хиггса, отвечающего в Стандартной модели за образование масс элементарных частиц, обнаружен значительный избыток событий в области масс 115-135 ГэВ/с2 по сравнению с тем, что можно было ожидать при отсутствии бозона Хиггса. Вероятность, что этот эффект является статистической флуктуацией, по мнению физиков Фермилаб, составляет менее одной пятисотой. Характеристики этих событий согласуются с теми, которые можно было бы ожидать для процессов с рождением бозона Хиггса. Таким образом, полученные в экспериментах D0 и CDF результаты подтверждают механизм образования масс частиц в Стандартной модели, предложенный Петером Хиггсом около 50 лет назад, считают американские ученые, которые уже завершают обработку данных, собранных на остановленном без малого год назад Тэватроне.
У Большого адронного коллайдера иная судьба. В следующем году ожидается его остановка примерно на полтора года. Во время этого длительного перерыва будет происходить подготовка церновской машины к переходу на полную энергию (14 ТэВ на два пучка) и полную светимость. Последующий запуск коллайдера на проектную мощность позволит детально изучить свойства найденной частицы, в частности, уточнить ее массу и определить вероятности распада по различным каналам. Огромный интерес также представляет и поиск других, не входящих в Стандартную модель, гипотетических частиц, предсказываемых некоторыми теориями.
Светлана Беляева
Фото Николая СТЕПАНЕНКОВА
Нет комментариев