Открыт массовый сезон охоты на бозон Хиггса…

Такое в науке что-то не припомню - физики-профессионалы впервые призвали всех - буквально все человечество - оторваться от будничных занятий и принять участие в охоте на знаменитую «божью частичку» - бозон Хиггса. Они убеждены, что в этом году она уже от них не уйдет. Ату ее! Ату!..

В общем, в физике 2012 год обещает быть веселым. Перед Новым годом в Институте физики НАНУ собралось множество специалистов-физиков, чтобы послушать сообщение профессора Зиновьева и лично расспросить, что происходит на коллайдере в ЦЕРН под Женевой. Коллеги допрашивали Геннадия Михайловича с пристрастием больше двух часов. Договорились встретиться еще…

Профессор Геннадий ЗИНОВЬЕВ - один из руководителей коллаборации ALICE в ЦЕРНе вынужден ежемесячно летать на совещания в Женеву. Перед Новым годом он вернулся из очередного «вахтового» вылета. Мы задали ему несколько вопросов.

- Геннадий Михайлович, насколько помнится, вы, как и многие другие ученые, например, Стивен Хокинг, всегда были скептически настроены по отношению к бозону Хиггса. Однако похоже, что в этом году его могут найти. Ажиотаж по этому поводу совершенно вселенский. Не так ли?

- Могут. Но все-таки могут и не найти. Хотя, исходя из моих личных представлений о физическом мире, хотелось бы, чтобы его не нашли. Но…

13 декабря в ЦЕРНе руководители научных коллабораций ATLAS и CMS доложили результаты анализа последних данных, собранных этими детекторами. В ЦЕРНе всегда стремятся организовывать подобные научные мероприятия максимально демократично. Вот и в этот раз была проведена видеотрансляция докладов в прямом эфире ЦЕРН и в Интернете. Мне пришлось быть в это время в Женеве, и я пришел на семинар. Однако попасть на него мне так просто не удалось, хотя я пришел за пятнадцать минут до начала. Снаружи уже стояло человек сто молодежи. Но охранники уже никого не пускали в амфитеатр. Народу внутри было очень много, хотя первые два ряда были свободны. Как мне сказал мой коллега, не последний человек в ЦЕРНе: «Это места не для нас с тобой». - «А что кого-то позвали?» - «Сам сейчас увидишь…»

Вскоре мы могли наблюдать, как места в этих рядах заняли европейские нобелевские лауреаты. Приехали все старые директора ЦЕРНа. Пригласили влиятельных людей, имеющих отношение к ЦЕРН и физике.

Мы сели у компьютера и посмотрели все с удобством и удовольствием. Все транслировалось в полном объеме, так что смотреть можно было где-угодно. Выступления были очень энергичными и очень обнадеживающими. Руководители коллабораций абсолютно серьезно и уверенно обещали, что в следующем, 2012 году вопрос будет решен - либо бозон Хиггса есть и тогда утверждаем, что его открыли, либо его нет, и все эксцессы (нерегулярности), которые мы видели в поведении кривых, вполне могут оказаться просто флуктуациями.

- Подозреваем, что для многих читателей словосочетание «бозон Хиггса» мало о чем говорит. Можно объяснить «для пешехода», что они означают?

- Думаю, даже не всем физикам они говорят о многом. Это очень специфическая область науки, связанная с красивыми физическими явлениями. Простейшую суть попробую объяснить с помощью образа с двумя лодками на воде, который я где-то прочитал. Итак, в каждой лодке сидит по человеку. Один бросает в другую лодку рюкзак с грузом. Там его ловит коллега и из-за этого лодки начинают двигаться в противоположных направлениях. То есть рюкзак стал переносчиком взаимодействия.

Поскольку одним из первых еще в 1965 году этих возможных специфических переносчиков взаимодействия теоретически заметил британский физик-теоретик Хиггс, то их назвали бозонами Хиггса. В микромире микрочастицы перебрасываются друг с другом гораздо большим числом самых разнообразных «рюкзаков». Причем некоторые из таких переносчиков оказываются значительно тяжелее самой исходной частицы, а некоторые вообще не имееют массы, так что и «отдачи» от них ожидать не следует.

До того с легкой подачи самого А.Эйнштейна, одержимого идеей объединения четырех физических взаимодействий, теоретики смогли очень изящно объединить два из них - электромагнитное и слабое. Позже к электрослабому взаимодействию не без успеха стали добавлять и сильное, пытаясь фактически завершить формирование Стандартной модели микромира.

И вот уже почти полвека физики с успехом проверяют предсказания модели. Почти все сбывается, кроме главного - ученым не удается обнаружить сам бозон Хиггса. Его не обнаружили на недавно закрывшемся в США Тэватроне. Это усилило скепсис по отношению к божьей частице. Теперь все надежды связывают с более мощным БАК в ЦЕРН.

На упомянутом семинаре в декабре в Женеве определенно появился кое-какой свет в конце тоннеля. Ученые рассказали о нескольких разных вариантах обнаружения (каналах распада) бозона Хиггса, которые являются наиболее многообещающими. Фабиола Джианотти - руководитель международной коллаборации ATLAS сообщила, что в анализе данных более чем 500 триллионов столкновений пучков протонов приняло участие более 2000 ученых!

Основным результатом работы такого гигантского коллектива явилось то, что с вероятностью в 95% можно исключить все возможные массы бозона Хиггса за пределами интервала от 115,5 до 131 ГэВ (гигаэлектронвольт). Этот результат Джианотти преподнесла все же с некоторой осторожностью и подчеркнула, что скорее всего она сможет рассказать обо всех деталях, когда будет получена дополнительная информация в первые месяцы работы ускорителя в 2012 году.

Во время рождественских каникул физики не собираются сидеть сложа руки. Когда БАК снова включат, его светимость будет увеличена в четыре раза. Предполагают, что этого будет достаточно, чтобы быстро определить то, о чем так осторожно говорила Джианотти, - является ли сигнал в области 124 - 126 ГэВ значимым, т.е. «поймали» ли мы бозон Хиггса.

Выступавший следующим руководитель коллаборации CMS Гвидо Тонелли смог добавить к сообщению Джианотти несколько иной интервал для массы бозона Хиггса - 115 - 127 ГэВ, но, что особенно важно, заметные эксцессы появляются как раз в этой области масс в пяти (!) независимых каналах. В его коллаборации над анализом данных с одноименного детектора трудится тоже более двух тысяч человек, которые в другой методике изучают также разнообразные каналы распада бозона Хиггса. Таким образом главный вывод - нужны еще данные. Похоже, что нынешний год станет годом фантастической гонки на важнейшем направлении науки. Приз за открытие уж слишком велик!..

- Что в ЦЕРН производит на вас наибольшее впечатление?

- На БАК за год сделали очень много. Самое серьезное, что на меня производит наиболее сильное впечатление, - это то, как работает сам ускоритель, как он отлажен. Машина построена гениально. Проектная мощность его по светимости 10 в тридцать четвертой степени обратных квадратных сантиметров и обратных сек. И уже сейчас она практически достигнута, и машина работает исключительно устойчиво. Видя, каких это размеров агрегат, трудно было поверить, что все это будет работать при такой светимости с такой надежностью…

Еще поражает исключительно продуманная и, как оказалось, правильная организация компьютинга. То, что заранее предвидели и создали ГРИД - систему распределенных вычислений, это еще одно гениальное прозрение и достижение. Там петабайты информации с результатами измерений и их обработки.

Как-то я проводил экскурсию для одного из чиновников, который был уверен, что он все знает про ГРИД. Он был в шоке, когда увидел «бесконечные ряды» шкафов в компьютерном центре ЦЕРНа. Тем не менее сегодня уже не хватает мощности для вычислений! Чувствуется нехватка рабочих рук. Замысел Бога может оказаться не по зубам людям, так как среди них может оказаться слишком мало физиков...

Но есть и надежда - огромное количество молодежи, которая стремится здесь работать. А ведь боялись, что молодежь не пойдет в ЦЕРН. Идет и еще как, хотя нехватка рабочих рук все равно ощущается.

- Что из достигнутого в 2011 году отметили бы в первую очередь?

- Хронологически прежде всего хотелось бы отметить работы с антиводородом, о которых сообщалось в начале года. Исследователям удалось удержать антиматерию на некоторое время. До сих пор ее создавали, но удерждать не могли. Это означает, что ученые видят путь и знают, что надо делать.

Есть ли нарушения так называемой СР-симметрии? Есть. В распадах очарованных мезонов два месяца назад коллаборацией LHCb было четко отмечено - СР нарушена, эффект существует.

Ну a ATLAS сказал, что они не видят суперсиметричных партнеров (одна из сверхзадач для БАК) , если бы они были, то их должны были бы увидеть сразу. Эта область энергии, где они должны были появиться, уже достигнута.

А что касается бозона Хиггса, то хотя пока его не увидели, но набрали (и наберут в ближайшее время, как говорят руководители ATLAS и CMS) уже такое количество событий, которое позволит сделать надежные утверждения, поскольку ищут его в разных методиках. И совершенно по-разному.

АTLAS увидел, что есть какой-то эксцесс в интервале масс где-то между 116 и 132 ГэВ. А CMS видит такой эксцесс в интервале от 115 до 127 ГэВ. Это уже очень здорово. Как я уже говорил, установлена «подозрительная» область в районе 125 ГэВ, здесь те и другие видят некоторую нерегулярность в поведении кривых, причем в разных каналах распада Хиггса. Независимые измерения перекрываются в этой области!

- А если открытие не подтвердится?

- Конечно, если ничего не откроем, человечество будет наверняка обижено на нас. И тогда, я подозреваю, с бюджетами скорее всего начнутся трудности. Если откроем - будет замечательно. Надо открыть! А в общем складывается странная картина, потому что в принципе за создание Стандартной модели дали Нобелевскую премию. Но центрального объекта этой модели - бозона Хиггса - никто не видел. Дали как бы авансом. Так что если не откроют, будет плохо для теории. Сама модель дала очень много и концепция очень красивая. Но если Хиггса, как мы его понимаем сегодня, не будет, тогда возможно придется опереться не на такие скалярные, бесструктурные объекты, а на структурные образования. Это следующий шаг и может быть он позволит продвинуться в понимании природы даже темной материи.

- В этой работе принимают участие украинские ученые?

- Да, харьковские физики участвуют в «охоте» на Хиггса в коллаборации CMS, киевские физики активно трудятся над поиском кварк-глюонной плазмы в ALICE. На стадии создания детекторов вклад украинцев был достаточно заметным. Так, украинские ученые и харьковские инженеры работали над созданием трех из четырех детекторов для БАК: CMS, LHCb и ALICE. В особенности высоко их вклад был оценен в коллаборации ALICE, где уникальная технология харьковских инженеров из института приборостроения позволила создать очень элегантную, высокотехнологичную и эффективную внутреннюю трековую систему. Ceгодня специалисты из Института прикладной физики (г. Сумы) начинают активно работать в ЦЕРНе над новым поколением коллайдеров.

- Вернемся к результатам прошедшего года в ЦЕРНе.

- Самый шокирующий результат, который был получен в ЦЕРНе в 2011 году, конечно, связан с экспериментом ОPERA. Эта коллаборация заявила, что скорость у нейтрино может быть больше скорости света. Это - ошеломляюще!

Физики очень долго не сообщали об этих сенсационных результатах. Они опасаются систематической ошибки. Поэтому решили прежде всего проверить результат со всех сторон.

Коллайдер к этому эксперименту не имеет отношения. Исходный пучок протонов обеспечивает SPS-ускоритель, который делает предварительное ускорение для БАК. Это старый работяга - суперпротонный синхротрон, который дает пучок с энергией 400 ГэВ. Этот пучок отводится в специальный тоннель, где есть графитовая мишень, при столкновении с которой ускоренные протоны рождают вторичный пучок, состоящий из К-мезонов и Пи-мезонов. Эти мезоны распадаются на лету, производя мюоны и мюонные нейтрино в эвакуационном тоннеле, который выстроен в сторону Италии и смотрит на Гран-Сассо. Пучок мюонных нейтрино в конечном итоге имеет энергию порядка 17 ГэВ и путешествует в Гран-Сассо сквозь земную поверхность.

Интересно, что исходно эксперимент ОPERA был придуман для того, чтобы изучать осцилляции нейтрино. Считалось, что нейтрино, как и фотон, не имеет массы. Но оказалось, что нейтрино все-таки имеет массу. Правда, очень маленькую - где-то на уровне меньше 2 эВ (электрон-вольт). Это почти ноль, но тем не менее не ноль. А это ведет к тому, что нейтрино - суперпозиция трех массивных состояний, и они могут переходить друг в друга. В эксперименте как раз и хотели проверить, как мюонные нейтрино переходят в другие виды нейтрино.

В коллаборации ОPERA сделали хороший пучок мюонных нейтрино и успешно работали, чтобы зафиксировать вот эти самые осцилляции в Гран-Сассо. Пускали мюонный пучок из ЦЕРНа, а в Гран-Сассо приходил пучок тау-нейтрино. Эти все превращения были предсказаны теорией, так что это не стало сенсацией. И тогда исследователи решили без всякой задней мысли посчитать скорость распространения нейтрино. Вот здесь и произошло удивительное.

Детектор ОPERA расположен в подземной галерее и состоит из двух огромных (массой 625 тонн каждая) одинаковых стенок, за ними - магнитные мюонные спектрометры. Стенки заполнены 256 горизонтальными и вертикальними сцинтиляционными балками (стрипами). Этот детектор как раз и используется для измерения «времени прибытия» нейтрино. В России в Боксане есть такая же подземная галерея. Даже лучше приспособленная для такого эксперимента. И в Украине в Солотвино есть вполне подходящая соляная шахта. Но сил провести подобный експеримент самостоятельно у нас просто нет.

Когда експеримент ОPERA стали воплощать в жизнь, начались поиски сцинтиляционных материалов, в частности, упомянутых стрипов, чтобы сделать очень качественные детекторы. Чтобы все было на необходимом уровне, они должны быть сделаны экструзионным способом. Это сложная технология и тонкая работа.

Совершенно случайно в Страсбурге (Франция), где работали наши партнеры по коллаборации ALICE, с которыми в то время мы тесно взаимодействовали, я узнал об интересах ОPERA и предложил им обратить внимание на Институт сцинтилляционных материалов в Харькове. Этот институт под руководством Б.Гринева уже заработал прекрасную репутацию в ЦЕРНе, производя первоклассные пластики и кристаллы для разных коллабораций.

Последовавший контакт оказался очень плодотворным. Важнейший элемент детектора ОPERA - экструзионные стрипы сделан харьковскими специалистами. От первой до последней балки.

Результаты эксперимента, обнаружившего наличие у нейтрино скоростей, превышающих скорость света, многим казались и кажутся скандальными. Попробуй скажи, что ты обнаружил скорость, превышующую скорость света! Сомнения коллектива ОPERA можно понять. Недавний пример с высокотемпературной плазмой дал хороший урок всем исследователям. Вывод: сто раз отмерять, пока поделишься с коллегами. Иначе можно потерять репутацию. И все-таки работа появилась примерно со 150 соавторами. Правда, среди них нет ни одного украинского специалиста!

Сейчас все перепроверяется, устраняются систематические ошибки. Осторожность дошла до того, что авторы призывают все человечество - буквально каждого пешехода - думать над этим. Но самое важное - не- обходимо сделать подобный эксперимент, который подтвердил бы полученный ОPERA результат.

- Приз за открытие столь велик, что наверняка на помощь ОPERA бросились ученые из других стран…

- Я думаю, что первым повторит опыт коллаборация BOREXINO, которая расположена в той же шахте, либо коллаборация MINOS, которая лучше других к этому готова. Если найдут что-то подобное, то бум будет очень серьезный.

Почти на следующий день, когда это было объявлено, Нобелевский лауреат Шелдон Глэшоу - создатель Стандартной модели - написал в своей работе, что в принципе этого не может быть, потому что, если нейтрино летят со скоростью, превышающей скорость света, они будут быстро терять энергию за счет излучения електрон-позитронных пар, и никогда с соответствующей энергией не придут в Гран-Сассо. То есть не может прийти нейтрино такими ливнями в Гран-Сассо. Это просто может означать, что по пути происходят какие-то неконтролируемые процессы, которые и приводят к тому, что все это рождается в том виде, в каком они регистрируются. И никакого отношения к тому, что нейтрино распространяются со скоростью выше скорости света, объявленные результаты не имеют.

Начался буквально информационный взрыв. За неделю было написано около 50 работ на эту тему!

- А почему соавторы не учли вклада украинцев?

- А зачем кого-то еще брать в конкуренты на славу? Представьте себе, что это все подтвердится. Это будет означать, что сделано величайшее открытие. Зачем лишние соавторы?

Теперь я на каждом шагу в ЦЕРН, даже на лекции для школьных учителей в Женеве, говорю об этом. Там российский физик очень хорошо рассказывал про ОPERA, но я был в бешенстве - ни одного слова о роли украинцев. Мне пришлось вмешаться. Я выступил и добавил, что центральным элементом детектора являются экструзионные балки, а затем спросил докладчика: «Вы знаете, что это было разработано и произведено в Украине от первой до последней балки?» - «Да, я забыл сказать. Виноват...» - извинился докладчик.

Если это открытие подтвердится, то физику практически придется придумывать заново. Я в это не очень верю. Хотя проделана очень тонкая работа, измерение в принципе напоминает тончайшую работу секундометриста на стадионе при регистрации рекорда на стометровке. Надо измерить расстояние и время, затем определить скорость.

Физики ОPERA очень много работали с метрологическими учреждениями Швейцарии, Германии и Италии над измерением всех расстояний, фигурирующих в эксперименте. Работали топографы. Так что, кажется, здесь все более-менее надежно. Для измерения времени использовались GPS и метод триангуляции в тоннеле. Точность измерения времени наносекундная, а расстояний - до двух сантиметров. Для синхронизации в Женеве и Гран-Сассо использовались атомные часы. Внешне все (точнее, многое) кажется безупречным, однако первое время почти каждый день приносил новые вопросы. И на некоторые из них четкого ответа нет до сих пор. Надо учесть также, что еще далеко не все детали этого эксперимента опубликованы.

Через месяц я был на встрече с директором ЦЕРНа, и в этот день появилось сообщение о новых измерениях ОPERA. На заданный ему вопрос о новых результатах директор ЦЕРНа сообщил, что первые измерения подтвердились полностью. В ОPERA уверены, что систематической ошибки у них нет.

Тем не менее, я лично к этому отношусь скептически, но если все это в конце концов подтвердится, то мало не покажется…