Н. Никитин

Время искать Хиггс

Опубликовано в phys.web.ru

Содержание

Предисловие переводчика

    Ниже приводится литературный перевод статьи Гордона Фрейзера (Gordon Fraser) "Season of Higgs and melodrama", напечатанной в международном журнале по физике высоких энергий "CERN Courier" Vol.41, N2, pp.24-26 (March 2001). В статье очень кратко и четко излагается почти детективная история неоткрытия бозона Хиггса на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP - Large Electron Positron Collider), который в течение 11 лет (с 13-ого ноября 1989 г. по 2-е ноября 2000 г.) функционировал в Европейской лаборатории физики элементарных частиц - CERNе - крупнейшем в Европе и одном из самых крупных в мире международном центре по изучению физики микромира. Поскольку статья расчитана на специалистов по экспериментальной физике высоких энергий, то для ее понимания более широкими кругами физиков, включая студентов, необходимо предоставить некоторые дополнительные сведения, которые содержатся в "Предисловии переводчика".
    Сокращение CERN поизошло от первого названия данного научного центра, которое по-французски звучит как Conseil Europeacuteen pour la Recherche Nucleacuteaire - Европейская организация ядерных исследований. Впоследствии французское слово Conseil было заменено на более "космополитичное" Organisation. Начиная с середины 70-х годов XX-ого века CERN сосредоточил основные усилия на исследованиях в области экспериментальной и теоретической физики элементарных частиц. В следствии этого, потерявшее актуальность первоначальное название изменено на новое, адекватно отражающее современный научный статус CERNа: Laboratoire Europeacuteenne pour la Physique des Particules - Европейская лаборатория физики элементарных частиц, однако старое и известное во всем мире сокращение CERN осталось в качестве второго официального названия лаборатории. Нынешним генеральным директором CERNa является известный итальянский физик-теоретик Лучано Майани (Luciano Maiani) - один из авторов знаменитого ГИМ-механизма сокращения расходимостей в диаграммах типа "квадратик", который привел к предсказанию существования четвертого, так называемого очарованного, кварка (c-кварка).
    В настоящее время официальными членами CERNa являются Австрия, Бельгия, Болгария, Великобритания, Венгрия, Дания, Германия, Греция, Испания, Италия, Нидерланды, Норвегия, Польша, Португалия, Словакия, Финляндия, Франция, Чехия, Швейцария и Швеция. Статус наблюдателей имеют Израиль, Россия, США, Турция, Япония, Европейская комиссия и ЮНЕСКО. По неофициальной статистике больше всего в CERNe работает итальянцев, на втором месте идут немцы, а на третьем россияне. Последние несколько лет огромную заинтересованность в совместной работе с CERNом проявляют Индия, Китай и Пакистан.
    Проект электрон-позитронного коллайдера LEP - один из самых удачных с технической точки зрения проектов CERNа за всю историю существования Лаборатории. LEP размещен в кольцевом тоннеле длинной 26 километров 659 метров, проходящем на глубине от 50-ти до 175-и метров (в зависимости от рельефа местности) по территории двух сопредельных государств: Швейцарии и Франции. Это самый большой кольцевой электрон-позитронный коллайдер в мире. И вряд ли когда-нибудь будет создан коллайдер большего диаметра. LEP планировался как фабрика одиночных Z0-бозонов и машина для рождения пар W+W--бозонов. Предполагалось, что в первые годы эксплуатации LEPa суммарная энергия сталкивающихся e+e--пучков в системе центра масс должна быть подобрана таким образом, чтобы оказаться примерно равной массе Z0-бозона. Тогда, вследствие резонансного эффекта, вероятность рождения данной частицы возростает в тысячи раз по сравнению с вероятностью рождения этой же частицы при энергиях, скажем, в два или даже десять раз больших, чем масса Z0. Пары W+W--бозонов могут рождаться при энергии примерно в два раза большей, чем энергия, необходимая для резонансного рождения Z0-бозона. Это связано с тем, что массы нейтрального и заряженных переносчиков электрослабого взаимодействия примерно равны. Пары W-бозонов рождаются нерезонансно. С 1989-го по 1995-й год LEP работал в режиме фабрики Z0-бозонов, а с 1995-го до момента закрытия как машина для рождения пар W±-бозонов, причем энергия сталкивающихся e+e--пучков постоянно увеличивалась. Рекорд был установлен в конце 2000-го года во время "погони" за бозоном Хиггса, о чем подробно будет рассказано в статье Г.Фрейзера, и составил 209 ГэВ в системе центра масс сталкивающихся частиц, то есть по 104.5 ГэВ-а на каждый из пучков.
    Столкновение электронного и позитронного пучков на LEPе происходит в четырех специальных точках. Вокруг каждой из таких точек построены гиганские детекторы для регистрации продуктов столкновения. Анализом данных с детекторов ускорителя LEP занимаются четыре независимых коллаборации, в которые входят ученые из многих стран: ALEPH (Apparatus for LEP Physics), L3 (читается как "эль три"), DELPHI (Detector with Lepton, Photon and Hadron Identification) и OPAL (an Omni Purpose Apparatus for LEP). Все детекторы LEPa являются так называемыми составными 4$\pi$-детекторами, то есть они охватывают всю область вокруг точки пересечения пучков и сами состоят из специализированных подсистем для определения характеристик и идентификации продуктов e+e--столкновений. По совокупной информации от всех подсистем при помощи сложных компьютерных програм восстановления, последующего отбора и анализа событий формируется полная картина результатов взаимодействия электронов и позитронов при высоких энергиях.
    На LEPе с недоступной раннее точностью измерены значения масс и времен жизни переносчиков слабого взаимодействия W± и Z0-бозонов. Это важно для прецизионной проверки предсказаний Стандартной Модели (СМ) - так называется теория взаимодействия элементарных частиц, включающая в себя теорию электрослабых взаимодействий Глэшоу-Вайнберга-Салама и калибровочную теорию сильных взаимодействий Квантовую хромодинамику (КХД) - и установления верхнего ограничения на массу бозона Хиггса. Измерена ширина распада Z0-бозона на нейтрино и антинейтрино. Ее знание дает экспериментальное ограничение на количество различных типов легких нейтрино (то есть нейтрино, масса которых не превосходит половину массы Z0-бозона), что, в свою очередь, напрямую связано с количеством поколений фундаметальных кварков и лептонов. Найдено, что число таких поколений равно N = 2.9841 + 0.0083. Это означает, что современной науке известны все поколения фундаментальных частиц, которые возможно получить на работающих в настоящее время ускорителях. Если существует гипотетическое четвертое поколение кварков и лептонов, то массы частиц этого поколения должны во много раз превосходить массу Z0-бозона. Экспериментально измерены сечение аннигиляции e+, e--пары в адроны, изменение с энергией константы сильного взаимодействия альфаs, получены новые результаты относительно свойств адронов, содержащих b-кварк. Эти результаты LEPа дали новый импульс для развития теории сильных взаимодействий. Кроме того, найдено огромное число новых экспериментальных ограничений на параметры теорий, содержащих возможные расширения СМ. И это далеко не полный перечень экспериментальных достижений LEPа.
    Однако LEP не выполнил задачу-максимум, которую ставят перед каждым новым ускорителем его создатели. За все 11 лет работы на LEPе не было открыто ни одной новой элементарной частицы, не было найдено ни одного существенного отклонения от теоретических предсказаний СМ. То есть LEP с высокой степенью точности только подтвердил господствующие теоретические представления в физике элементарных частиц, чем продолжил уже более чем 25-ти летнюю традицию предшествующих ускорительных и неускорительных экспериментов при высоких энергиях.
    Стандартная Модель взаимодействия элементарных частиц является одновременно и величайшим достижением физики второй половины XX века и ее величайшим проклятием. С 1973 года - со времени экспериментального открытия нейтральных слабых токов на пузырьковой камере Гаргамель в CERNe - все эксперименты в области физики элементарных частиц либо подтверждали теоретические предсказания СМ либо новые экспериментальные знания требовали косметических изменений в лагранжиане СМ. В 1974-ом году С.Тинг (в настоящее время нобелевский лауреат по физике 1976-го года Сэмюэл Тинг является одним из руководителей коллаборации L3) в Брукхейвене, США и Б.Рихтер в Стенфорде, США открыли $J/\psi$ частицу со скрытым очарованием - невозбужденное состояние c-системы. Таким образом был найден очарованный кварк, необходимый для корректного теоретико-полевого описания электрослабых взаимодействий. Масса c-кварка хорошо согласовалась с теоретическими ожиданиями. Открытие первоначально не предусмотренных теорией тау-лептона (1975 г.) и b-кварка (1977 г.), как ни странно, только укрепило позиции СМ, поскольку существование третьего поколения фундаментальных частиц позволило естественным образом ввести в СМ механизм нарушения комбинированной зарядовой и пространственной симметрии (CP-симметрии) в распадах K-мезонов за счет возникновения комплексной фазы в унитарной 3х3 матрице смешивания кварковых токов (так называемой матрице Каббибо-Кобаяши-Маскава) и предсказать новые СР-несохраняющие распады, например, в системах нейтральных B-мезонов. Помимо этого, СМ предсказала существование еще одного сверхтяжелого кварка (t-кварка) c электрическим зарядом +2/3 заряда протона и нового нейтрино, отвечающего тау-лептону. t-кварк открыт в 1995 году во FNALе (Национальная ускорительная лаборатория им. Э.Ферми, США) на ускорителе Tevatron, а эксперименты, доказывающие, что тау-нейтрино отличается от электронного и мюонного, выполнены в 2000-ом году. На рубеже XX-го и XXI-го веков в полном согласии с предсказаниями СМ обнаружены СР-нарушающие распады нейтральных B-мезонов (эксперименты BaBar, США и Belle, Япония). К этому впечатляющему перечню экспериментальных подтверждений СМ следует добавить открытие в 1983 году на протон-антипротонном коллайдере SpantipS (CERN) заряженных и нейтральных переносчиков слабого взаимодействия W± и Z0-бозонов, все свойства которых находятся в полном соответствии с теоретическими предсказаниями СМ. Даже сообщение летом 2001 года Нейтринной обсерваторией Садбери об открытии нейтринных осцилляций не должно существенно подорвать безграничное господство СМ. Путем давно известных минимальных изменений лагранжиан СМ можно модифицировать таким образом, что в него будут входить массивные нейтрино.
Так выглядит CERN c высоты птичьего полета. На переднем плане хорошо виден 40-ой корпус. Это "штаб-квартира" физиков, связанных с Большим адронным коллайдером LHC, пуск которого планируется осуществить во второй половине 2006-го года.

    Таким образом, уже более четверти века экспериментальная физика элементарных частиц не может вырваться за пределы СМ. За это время теоретики осознали, что СМ не является фундаментальной моделью элементарных частиц. В лучшем случае она способна играть роль низкоэнергетической асимптотики более фундаметальных моделей, в качестве которых могут выступать, например, теории суперсимметрии (SUSY), Великого объединения (GUT) или теория суперструн и бран. Под выражением "низкоэнергетическая ассимптотика" следует понимать следующее: теоретики полагают, что при энергиях порядка 1016 ГэВ и выше все известные взаимодействия сливаются в одно универсальное взаимодействие. В настоящее же время на ускорителях доступна для экспериментальной проверки только область энергий до 103 ГэВ. На будущих ускорителях, например таких, как строящийся в настоящее время в CERNe Большой адронный коллайдер (LHC - Large Hadron Collider), будут доступны энергии чуть выше, чем 104 ГэВ. Эти величины, хотя они практически предельны для современной ускорительной техники и вряд ли будут существенно превышены в первой половине XXI-го века, представляют, как видно, низкоэнергетический предел для взаимодействий, протекающих на масштабах энергий выше 1016 ГэВ.
    Чем же СМ не удовлетворяет физиков? Во-первых, СМ содержит около двадцати свободных параметров (массы фундаментальных частиц, константы взаимодействий, вакуумные средние, элементы параметризации матрицы Каббибо-Кобаяши-Маскава и, возможно, недиагональные элементы массовой матрицы для нейтрино). Во-вторых, в СМ проведено последовательное объединение только электромагнитного и слабого взаимодействий, которые можно рассматривать как различные грани универсального электрослабого взаимодействия. Универсальность обоих взаимодействий проявляется начиная с энергий порядка масс W± и Z0-бозонов. Сильное взаимодействие рассматривается как независимое, а гравитация вообще не входит в теоретическую схему СМ. В-третьих, СМ не дает ответа на вопрос о происхождении иерархии масс наблюдаемых элементарных частиц, количестве поколений фундаментальных фермионов, размерности нашего пространства-времени и механизме барионной асимметрии Вселенной.
    Рассмотрим подробнее механизм генерации масс элементарных частиц в СМ. Помимо полей, отвечающих трем фундаментальным взаимодействиям (электромагнитному, сильному и слабому), в СМ предполагается существование еще одного поля, которое практически не отделимо от пустого пространства и не совпадает с гравитационным полем. Его принято называть полем Хиггса. Считается, что все пространство заполнено этим полем и что все фундаментальные частицы (лептоны, кварки и калибровочные бозоны) приобретают массу в результате взаимодействия с полем Хиггса. Те частицы, которые сильно взаимодействуют с полем Хиггса являются тяжелыми, а слабовзаимодействующие - легкими. Приближенно можно сказать, что этот эффект напоминает движение тела в вязкой жидкости, когда оно за счет взаимодействия с жидкостью приобретает эффективную массу, большую реальной массы тела. Другой пример аналогии - электрон в кристалле. Из-за электромагнитного взаимодействия с атомами кристаллической решетки электрон приобретает эффективную массу, отличную от массы свободного электрона. Пусть читателя не обманывает простота аналогий. На самом деле все обстоит гораздо сложнее и непонятнее. Например, СМ не может объяснить, почему одни частицы сильно взаимодействуют с полем Хиггса, а другие слабо.
    В силу корпускулярно-волнового дуализма полю Хиггса должна соответствовать по крайней мере одна частица - квант этого поля, называемая бозоном Хиггса или, для краткости, просто Хиггсом. Бозон - потому, что спин кванта поля Хиггса должен быть равен нулю, то есть частицы Хиггса подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Хиггс - имя собственное. Оно принадлежит английскому физику-теоретику Питеру В. Хиггсу (Peter W. Higgs), который в 1964-ом году предложил механизм генерации масс калибровочных бозонов при помощи процедуры спонтанного нарушения локальной симметрии исходного лагранжиана взаимодействия (P.W.Higgs, Broken Symmetries, Massless Particless and Gauge Fields, Physics Letters 12 N 2 (1964) 132-133; Peter W.Higgs, Broken Symmetries and Masses of Gauge Bosons, Physical Review Letters 13 N 16 (1964) 508-509; Peter W.Higgs, Spontaneous Symmetry Breakdown without Massless Bosons, Physical Review 145 N 4 (1966) 1156-1163). Как непременный продукт такой генерации возникает частица Хиггса. На этот счет доказана строгая математическая теорема. Вопрос о том, почему механизм Хиггса стал основным для генерации масс фундаментальных частиц в СМ, существенно выходит за рамки данного предисловия. Читателю лишь важно знать, что без этого механизма вся конструкция СМ принципиально не может иметь места. Для получения более подробной информации по данному вопросу заинтересованному читателю рекомендуется обратиться к книгам из списка литературы, приведенного перед статьей Г.Фрейзера.
    До сих пор бозон (или бозоны) Хиггса экспериментально не найдены. Без доказательства его (их) существования СМ не может считаться окончательно подтвержденной. Существуют достаточно жесткие экспериментальные ограничения на массу нейтрального бозона Хиггса как снизу, так и сверху. Нижнее ограничение на массу Хиггса получено в экспериментах на LEPe (о чем будет рассказано в статье Г.Фрейзера и послесловии переводчика) и составляет на лето 2001 года MH > 114.4 ГэВ на 95% уровне достоверности. Ограничение сверху получается из анализа вклада бозона Хиггса в различные измеренные на эксперименте параметры СМ (так называемый глобальный фит СМ) и составляет MH < 196 ГэВ на 95% уровне достоверности. Согласно данным LEPa, опубликованным в ноябре 2000-ого года в самый разгар споров о возможном продлении времени работы электрон-позитронного коллайдера на 2001-й год, ожидалось, что масса бозона Хиггса лежит в районе ГэВ, а потому бозон Хиггса может быть открыт на LEPe в течении года. По прошествии десяти месяцев со времени остановки LEPa, физическое сообщество переосмыслило многие прежние достаточно скоропалительные результаты и теперь склоняется к мысли, что предсказания относительно массы бозона Хиггса в районе 115 ГэВ, скорее всего, были ошибочными.
    Кратко опишем, как пытались искать бозон Хиггса на LEPe. Если предположить, что СМ верна в своем минимальном варианте, то существует всего один (нейтральный) бозон Хиггса. В этом случае основной реакцией для детектирования частицы Хиггса должна стать реакция аннигиляции электрон-позитронной пары в виртуальный Z0-бозон, который, в свою очередь, излучает Хиггс (H), то есть:

e+e------>Z0----->Z0H.

Выражение для сечения данной реакции легко получить стандартными методами квантовой теории поля. Оно имеет следующий вид

где GF = (1.16639+0.00001)*10-5 ГэВ-2 - константа Ферми, определяющая силу слабого взаимодействия, s-квадрат суммарной энергии e+e--пары в системе центра масс сталкивающихся пучков, ae = -1 и ve = -1 + 4 - слабые заряды электрона, ~=0.23 - квадрат синуса угла Вайнберга,
λ = λ(1,,)  и λ(a,b,c) = a2 + b2 + c2 - 2ab - 2bc - 2ac.

Кроме излучения Хиггса Z-бозоном, возможна реакция слияния пары W+W--бозонов в Хиггс. Эта реакция идет следующим образом. Электрон излучает W--бозон и электронное нейтрино nu1.gif (59 bytes)e, а позитрон - W+-бозон и электронное антинейтрино aneutrino.gif (63 bytes)e. Следующим шагом виртуальная пара W+W- переходит в нейтральный бозон Хиггса:

e+e------>nu1.gif (59 bytes)eaneutrino.gif (63 bytes)eW+W------>nu1.gif (59 bytes)eaneutrino.gif (63 bytes)eH.

    Однако сечение реакции излучения Хиггса много больше сечения реакции слияния, так что основной упор экспериментаторы LEPa делали на детектирование первой из двух реакций.
    При энергии вблизи порога образования пары Z0H, Z-бозон и бозон Хиггса лежат практически на массовой поверхности, то есть для них, в отличие от виртуальных частиц, выполняется хорошо известное соотношение между массой покоя (m), энергией (E) и импульсом (vecp) релятивистской частицы: m2 = E2 - p2. Бозон Хиггса и Z-бозон являются нестабильными частицами, а потому очень быстро распадаются. В области доступных LEPу энергий наиболее вероятен расспад бозона Хиггса на пару прелестных кварка и антикварка, то есть H----->bantib.gif (69 bytes). Каждый из прелестных кварков затем образует адронную струю, то есть превращается в компактную группу адронов с суммарными квантовыми числами и импульсом, равными квантовым числам и импульсу породившего их кварка. Z-бозон может распадаться по трем каналам: на кварк-антикварковую пару, на лептон-антилептонную пару и на нейтрино-антинейтрино. В зависимости от типа распада Z-бозона следующим образом классифицируют каналы поиска бозона Хиггса: четырехструйный канал, то есть канал распада H----->bantib.gif (69 bytes), Z0----->qantq; канал с так называемой "потерянной энергией", то есть когда H----->bantib.gif (69 bytes), а Z0----->nu1.gif (59 bytes)aneutrino.gif (63 bytes), поскольку нейтрино всех сортов не регистрируются детекторами LEPa, и "лептонный" канал: H----->bantib.gif (69 bytes), Z0----->l+l-.
    Учитывая все вышесказанное, нетрудно понять, почему когда в 1999-ом году на LEPe появилась относительно реальная возможность обнаружения бозона Хиггса, руководство LEPa стало всеми возможными и невозможными способами добиваться продолжения эксперимента сверх отведенных сроков в ущерб следующему грандиозному эксперименту CERNa - созданию протонного суперколлайдера LHC на энергию 14 ТэВ, предназначенному для поиска бозона Хиггса и возможных проявлений суперсимметрии. Как все происходило и чем закончилось? Об этом можно узнать из приведенной ниже статьи Гордона Фрейзера. Приятного чтения!

Литература для дополнительного чтения на русском языке

  1. К.Н.Мухин, "Экспериментальная ядерная физика", кн.2 "Физика элементарных частиц", М. "Энергоатомиздат", 1993 г.
  2. Д.Перкинс, "Введение в физику высоких энергий", М. "Энергоатомиздат", 1991 г.
  3. Г.В.Клапдор-Клайнгротхаус, А.Штаудт, "Неускорительная физика элементарных частиц", М. "Наука", 1997 г.
  4. Г.В.Клапдор-Клайнгротхаус, К.Цюбер, "Астрофизика элементарных частиц", М. "Редакция журнала УФН", 2000 г.
  5. Т.-П.Ченг, Л.-Ф.Ли, "Калибровочные теории в физике эл. частиц", М. "Мир", 1987 г.
  6. Л.Б.Окунь, "Лептоны и кварки", М. "Наука", 1990 г.

Гордон Фрейзер

Мелодрама под названием "Время искать Хиггс"

    В прошлом году в CERNe был завершен эксперимент на Большом электрон-позитронном коллайдере LEP. Окончание эксперимента оказалось весьма мучительным и сопряженным с большими спорами. Это связано с тем, что в эксперименте, по всей видимости, были обнаружены следы долгожданного бозона Хиггса - единственного недостающего компонента в современной картине физики элементарных частиц.
    "Сезон туманов и спелых фруктов", так написал английский поэт Джон Китc (1795-1821) в своей широко известной оде "Осени". Осень 2000-ого года в CERNе проходила совершенно иначе.
    В течение последних месяцев 2000-ого года "CERN Courier" давал информацию об экспериментальных достижениях на электрон-позитронном коллайдере LEP, а именно о том, что энергия ускорителя доведена до беспрецедентно высокого уровня, не предусмотренного проектом. Это объяснялось тем, что в преддверии окончательного завершения экспериментов на LEPе были получены некоторые весьма интригующие доказательства существования долгожданного бозона Хиггса - частицы, которая краеугольным камнем лежит в основании современной теории элементарных частиц.
    Согласно плану, работа ускорителя LEP должна была завершиться в сентябре 2000 года. Однако она была продлена на шесть недель для того, чтобы увеличить статистику событий, которые можно рассматривать как кандидаты в бозоны Хиггса (так называемые шесть недель "stay of Higgs execution"). За отведенное время были найдены дополнительные кандидаты в бозоны Хиггса, но этого оказалось не достаточно для того, чтобы утверждать об открытии. В связи с тем, что к тому времени сильно поджимали сроки начала работ по ускорителю LHC (который должен быть смонтирован в том же 27-и километровом тоннеле, в котором находится LEP), было принято решение о закрытии LEPa.

Краткая предыстория

    27-и километровое накопительное кольцо LEP в CERNe первоначально строилось с целью проведения экспериментов по прецизионному измерению параметров Z-бозона (электрически нейтрального переносчика слабого взаимодействия, открытого на протон-антипротонном коллайдере в CERNе в 1983-м году). Поэтому, когда LEP начал работу в 1989 году, электронный и позитронный пучки ускорителя имели энергию около 45 ГэВ каждый (Н.Н.: напомним, что масса Z0-бозона равна примерно 91 ГэВ).
    Тем не менее, с самого начала LEP предназначался для гораздо большего, чем просто изучение свойств Z-бозонов. Еще до того, как проект ускорителя был формально одобрен в 1981-ом году, в рамках долгосрочной программы исследований началась разработка сверхпроводящих радиочастотных резонаторов, которые были призваны увеличить энергию каждого из пучков примерно до 100 ГэВ. Это давало возможность изучать физические процессы далеко от порога рождения Z-бозона.
    К 1996-му году все необходимые технологии были разработаны и LEP обзавелся новыми ускоряющими резонаторами. К 1998-му году на ускоритель было поставлено 272 резонатора, что позволило довести энергию столкновения (то есть суммарную энергию пучков в системе центра масс) до 189 ГэВ. Такая энергия более чем достаточна для того, чтобы получать W-бозоны, которые являются электрически заряженными партнерами Z-бозона (при электрон-позитронных столкновениях возможно рождение только пар W+W--бозонов).
    К началу сеанса (Н.Н.: по-английски этот термин обозначается словом "run", которое давно и прочно вошло в жаргон отечественных физиков, однако при переводе я предпочитаю использовать более устоявшийся термин, который, впрочем, тоже относится к жаргону) 1999-го года были установлены 16 дополнительных ускоряющих резонаторов, что привело к увеличению энергии сталкивающихся пучков до 192 ГэВ. Cуперрезонаторы полностью отвечали своему названию и скоро стали создавать ускоряющий градиент электромагнитного поля больший, чем первоначально запланированные 6 МэВ/м. В сентябре 1999-го года энергия каждого из сталкивающихся пучков LEPa была впервые доведена до 100 ГэВ.
    В конечном счете, целью повышения энергии сталкивающихся пучков являлись поиски единственного недостающего звена Стандартной Модели - бозона Хиггса. При помощи этой частицы реализуется нарушене фундаментальной электрослабой симметрии. Это приводит к тому, что хорошо нам известное из повседневной жизни электромагнитное взаимодействие на первый взгляд абсолютно не похожее на слабое взаимодействие, точно так же как свет вроде бы не имеет ничего общего с ядерным бета-распадом. Именно так думали физики на протяжении большей части XX-го столетия, пока не была осознана фундаментальная связь между электромагнитным и слабым взаимодействиями.
    Бозон Хиггса наделяет частицы массами так, что переносчик электромагнитного взаимодействия фотон остается безмассовым и может перемещаться на какие угодно расстояния, в то время как слабое взаимодействие передается при помощи массивных частиц, что ограничивает радиус этого взаимодействия субъядерными масштабами. К сожалению, электрослабая теория не дает однозначных предсказаний относительно свойств бозона Хиггса.
    Тем не менее, поиски Хиггса не являлись абсолютно бесперспективными. Можно было провести совместный анализ всех параметров электрослабой модели (Н.Н.: некоторые измеренные на опыте параметры Стандартной Модели, такие, например, как масса t-кварка или различные асимметрии, на уровне однопетлевых поправок связаны с массой бозона Хиггса). Поскольку эти параметры измерялись со всевозрастающей точностью, то область, в которой мог прятаться бозон Хиггса постепенно сужалась.
    Так в 1999-м году стало ясно, что LEP достиг энергий, при которых с большой долей вероятности может быть открыт бозон Хиггса. Рабочая группа, состоящая из представителей четырех LEPовских экспериментов ALEPHa, DELPHI, L3 и OPALa, с огромным энтузиазмом взялась за тщательное исследование новых данных.
    При взаимной аннигиляции электрона и позитрона бозон Хиггса может рождаться совместно с Z-бозоном. На подобную возможность еще в 1976-м году в серии пророческих статей обратили внимание CERNовские теоретики Джон Эллис (John Ellis), Мари Гайар (Mary K Gaillard) и Димитрий Нанопулос (Dimitry Nanopoulos).
    Шекспир писал: "Слух есть труба, в которую дуют догадка, зависть, предположение". Осенью 1999-го слухи о возможном открытии бозона Хиггса распространялись по коридорам CERNa и в сети Интернет. Пресс-служба CERNa начала, особо это не афишируя, собирать материал для объявления об обнаружении бозона Хиггса.
    CERNовские физики сообщают о своих экспериментальных достижениях на специальных собраниях. В данном случае это были заседания LEP Experiments Committee (Н.Н.: Английское LEP Experiments Committee можно перевести как "Комитет экспериментов LEPа", но в тексте я оставлю английский вариант, поскольку употребление русского перевода хорошо знакомого любому физику-элементарщику словосочетания буквально режет слух.). Как правило, они проходят несколько раз в год. Собрания обычно открываются сообщениями группы, которая ответственна за состояние ускорителя. Затем идут доклады представителей каждого из четырех экспериментов. В этих докладах сообщается о новых исследованиях и открытиях.
    На собрание, проходившее 9-го ноября 1999-го года, явилось особенно много народа, что было обусловлено слухами относительно возможного наблюдения бозона Хиггса. Тем не менее, вопреки ожиданиям, никаких сообщений об открытии бозона Хиггса представлено не было.

Демонтаж детекторов LEPa. В верхнем ряду: маленький человек атакует гиганский ALEPH (слева), детектор L3 перед демонтажем (справа). В нижнем ряду: идет демонтаж детекторов DELPHY (слева) и OPAL (справа).

Хиггс где-то рядом

    LEP начал 2000-й год с большого успеха. На некоторых медных резонаторах старой конструкции удалось немного поднять ускоряющее напряжение, так что стало возможным достичь энергии 104 ГэВ на каждый пучок. Охота на Хиггса возобновилась с новой силой.
    Обычно сухие и скучные открытые заседания LEP Experiments Committee преобрели небывалую популярность, так что надо было приходить очень рано, чтобы занять хорошее место в самой большой 500-местной аудитории CERNa. Заседания также транслировались по сети, однако трансляции не могли уловить сильное возбуждение аудитории (Н.Н.: истинная правда, как непосредственный свидетель тех заседаний могу утверждать, что полустатичная картинка с плохим разрешением, которая шла по внутренней интернет-трансляции совершенно не способна передать странное внутреннее напряжение зала; так, видимо, в древности люди жаждали увидеть чудо, сотворенное на их глазах шаманом или пророком, а не увидев, съедали наглого самозванца, обманувшего их лучшие ожидания).
    Несмотря на новую волну слухов, и на собрании в июле 2000-ого года не последовало более определенных сообщений, хотя область, в которой можно было бы найти Хиггс, сузилась. Поэтому LEPовский сеанс 2000-ого года решено было продлить на несколько недель до 1-ого октября (Н.Н.: согласно первоначальному плану, работу LEPа предполагалось завершить в конце лета 2000-ого года).
    1-го августа на самой представительной международной конференции по физике высоких энергий в г.Осака, Япония (Н.Н.: речь идет о Рочестерской конференции 2000-го года) аудитория жаждала услышать об открытии бозона Хиггса. Однако, Питер Иго-Кеменес (Peter Igo-Kemenes) из Гейдельберга, который делал обзорный доклад о новой физике на электрон-позитронных коллайдерах, сообщил только, что бозон Хиггса с массой меньше 113 ГэВ не обнаружен.
    Несолоно хлебавши, делегаты разъехались из Осаки по своим институтам. Вместе с ними расползлись и слухи о Хиггсе. 5-го сентября в CERNe состоялся специальный семинар, на котором Рабочая группа LEPa по поиску бозона Хиггса (LEP Higgs Working Group - Н.Н.: как и в случае c LEP Experiments Committee, далее в тексте я буду использовать английское название) представила итоговый доклад. Целью этого доклада являлось объединение данных по поиску бозона Хиггса со всех экспериментов в общую картину.
    Общий тон семинара был задан первым докладом коллаборации ALEPH. ALEPH сообщил о том, что у них имеются три события с кандидатами в бозоны Хиггса при массе 114 ГэВ, в то время как ожидаемый фон при такой энергии составляет всего 0.3 события. Это большой сигнал, даже очень большой. Таким образом впервые было представлено доказательство существования бозона Хиггса. Структура событий, которые были получены при электрон-позитронных столкновениях, состояла из четырех адронных струй, носивших отпечаток существования короткоживущих частиц, содержащих тяжелые b-кварки, которые, как ожидалось, образовались при распаде бозона Хиггса.
    Коллаборация DELPI также имела два подобных случая. Оба оставшихся эксперимента (Н.Н.: то есть L3 и OPAL) не представили сколько-нибудь ясных доказательств. Несмотря на шаткость и неопределенность представленных результатов, Крис Талли (Chris Tulli) из LEP Higgs Working Group смог утверждать, что "бозон Хиггса появился на горизонте". Это высказывание было немедленно подхвачено средствами массовой информации. LEPу решили выделить дополнительное время для уточнения представленных результатов, продлив сеанс работы ускорителя до 2-го ноября.

События с кандидатами в бозоны Хиггса. Одно из четырехструйных событий ALEPH-a (слева) и событие с потерянной энергией на L3 (справа). Для четырехструйного события пара красной и желтой струй соответствуют распаду бозона Хиггса на bantib.gif (69 bytes), а пара синей и зеленой соответствует расспаду Z0 на кварк-антикварковую пару.

В погоне за открытием

    Следующей ареной для представления результатов поиска бозона Хиггса стал официальный праздник LEPa, который проходил с 9-го по 11-е октября и изначально должен был быть приурочен к окончанию 11-летней работы ускорителя. Параллельно празднованию проходило собрание LEP Experiments Committee. Несмотря на то, что за прошедший месяц была набрана дополнительная статистика, ситуация практически не изменилась. Коллаборации L3 и OPAL сообщили о том, что они не добились успеха как в поисках бозона Хиггса в канале с четырьмя адронными струями, так и в других каналах.

На правом рисунке:"Действительно ли на LEPe наблюдают рождение бозона Хиггса?". Представлены ожидаемые по результатам компьютерного моделирования сигнальные (зеленый цвет) и фоновые (желтый цвет) события. Черные точки - экспериментальные данные. По оси абсцисс отложен десятичный логарифм удесятеренного отношения сигнала к фону (s/b). По оси ординат - соответствующие числа событий. Видно, что полученные на эксперименте события лучше соответствуют кривой сигнала, чем кривой фона. На рисунке справа: начало демонтажа электрон-позитронного коллайдера LEP.

    По прошествии шести дополнительных недель работы LEPa, 3-го ноября 2000-го года состоялось очередное собрание LEP Experiments Committee, которое было гораздо более напряженным, чем предыдущие. ALEPH представил три старых четырехструйных события, но ни одного из новых данных, что привело изначально большой сигнал к более ожидаемой величине.
    После переобработки данных с новыми калибровками треков события коллаборации DELPHI практически исчезли. Однако коллаборация L3 представила одного кандидата в бозоны Хиггса в канале с двумя адронными струями и потерянной энергией, которая, возможно, соответствует двум нейтрино. OPAL же вяло продемонстрировал несколько не очень надежных кандидатов в бозоны Хиггса в четырехструйном канале. От имени LEP Higgs Working Group Питер Иго-Кеменес представил несколько убедительных объяснений этим путаным доказательствам.
    Как бы компенсируя слабые научные результаты, взметнулся мощный поток спекуляций вокруг открытия бозона Хиггса.
    Поскольку все CERNовские ускорители не работают в зимний период (Н.Н.: зимой в Европе сильно повышается плата за электроэнергию, а бютжет CERNa хоть и огромен, но не безграничен, так что зима в CERNe - это время затишья, а лето, напротив, жаркая рабочая пора; все не как у нас!), то коллаборации LEPa с энтузиазмом стали проталкивать идею продолжения сеанса работы ускорителя в 2001-ом году за счет переноса сроков строительства адронного коллайдера нового поколения LHC на более отдаленное время.
    Одновременно коллаборация L3 провела в CERNe минисеминар, на котором выступил Крис Талли из Принстона, один из активнейших участников острой конфронтации между группой, ратовавшей за продолжение работы LEPa, и CERNовским руководством, которое, после совещаний с консультативными комитетами (advisory committees), настаивало на том, чтобы все силы CERNa были сконцентрированы на строительстве LHC.
    В целом, можно сказать, что данные дополнительных шести недель работы LEPa незначительно увеличили достоверность обнаружения бозона Хиггса. Рискуя испортить свою репутацию, коллаборации ALEPH и L3 представили для публикации статьи с сообщениями о возможном обнаружении бозона Хиггса (статьи опубликованы в Physics Letters B495, p.1-17 и Physics Letters B495, p.18-25 соответственно).
    Вопреки настойчивому, даже беспардонному давлению с целью обеспечить продолжение работы ускорителя LEP в 2001-ом году и придя к соглашению со всеми важнейшими научными структурами CERNa - LEP Experiments Committee, Research Board (Советом по научным исследованиям) и Scientific Policy Committee (Комитетом по научной политике) - Высший совет CERNa (CERN's governing council) принял решение удовлетворить просьбу руководства CERNa о закрытии ускорителя LEP и концентрации всех усилий на строительстве нового коллайдера LHC для достижения наибольшего прогресса в области обнаружения бозона Хиггса. Таким образом, со 2-го ноября LEP был окончательно остановлен.
    Правильным ли было решение об обеспечении "зеленой улицы" для строительства LHC и остановке LEPa, возможно, в шаге от открытия бозона Хиггса? Только будущее может дать ответ на этот вопрос.

Послесловие переводчика

    Статья Гордона Фрейзера нуждается не только в предисловии, но и некотором послесловии. Необходимо кратко рассказать читателям, что же произошло нового в вопросе о возможном открытии бозона Хиггса после 3-го ноября 2000-го года.
    Ситуация с обнаружением бозона Хиггса на 3-е ноября 2000-го года была следующая. Установлена нижняя граница на массу бозона Хиггса MH > 113.5 ГэВ. Помимо этого у двух экспериментальных групп ALEPH и L3 имеется ряд кандидатов в бозоны Хиггса, данные о которых представлены в таблице.

Сводная таблица числа ожидаемых фоновых событий, ожидаемых сигнальных сообытий и реально измеренных кандидатов в бозоны Хиггса по трем исследуемым каналам на 3-е ноября 2000-го года.
Каналы Фон Сигнал Число кандидатов Стат. значимость Эксперимент
четыре струи 0.93 1.60 3 3.4sigma ALEPH
потерянная энергия 0.30 0.46 1 1.7sigma L3
лептоны 0.35 0.68 0 - -

Из таблицы видно что, были зарегистрированы четыре события, при ожидаемом фоне всего 1.58 события. То есть более чем двухкратное превышение сигнала над ожидаемым по результатам компьютерного моделирования фоном, что с учетом дополнительного и не рассматриваемого в данной заметке канала распада бозона Хиггса на tau+tau--пару дает превышение сигнала над фоном в 2.9 стандартных отклонения (так называемые 2.9sigma, где sigma обозначает одно стандартное отклонение). Заметим, что если бы отклонение привышало 3sigma, то по правилам LEPa можно было бы говорить об экспериментальном наблюдении бозона Хиггса, а если бы данное отклонение превышало 5sigma, то речь могла бы идти об открытии бозона Хиггса на LEPe. Однако, как видно из приведенных выше данных, статистики оказалось недостаточно даже для заявления о наблюдении бозона Хиггса.
    Тут можно вспомнить относительно недавний аналогичный случай, когда первоначально многообещающие результаты на уровне чуть менее 3sigma после набора дополнительной статистики благополучно рассеялись. Лет пять назад поползли слухи об открытии в DESY (научно-исследовательский ускорительный центр, расположенный в Гамбурге, Германия) лептокварков - гипотетических тяжелых частиц, имеющих одновременно свойства как лептонов, так и кварков. Сразу посыпался град теоретических работ, пытавшихся на основе скудных предварительных экспериментальных данных определить основные характеристики лептокварков и дать предсказания относительно возможности наблюдения этих гипотетических частиц на других ускорителях. Тогда тоже было порядка пяти кандидатов в лептокварки, и сигнал от них существенно превышал ожидаемый фон. Но прошло несколько лет, была собрана новая статистика, дополнительных событий с лептокварками не обнаружили, а "сигнал от лептокварков" блогополучно поглотился фоном. Лептокварковый бум сошел на нет.
    Кроме того, стоит заметить, что у многих в CERNe легитимность обнародованных событий с кандидатами в бозоны Хиггса вызывают целый ряд вопросов. Так мне рассказывали (вот они, те самые слухи, которые так часто поминает в своей статье Гордон Фрейзер!), что событие с потерянной энергией, которое было найдено коллаборацией L3 и представлено на ноябрьском заседании LEP Experiments Committee, впоследствии не подтвердилось при более корректной и сложной процедуре обработки экспериментальных данных. Но этот отрицательный результат, что называется, замяли.
    За прошедшее с ноября 2000-го года время ситуация с возможным обнаружением бозона Хиггса на LEPe только ухудшилась. На июль 2001 года нижняя экспериментальная граница на массу бозона Хиггса возросла с 113.5 ГэВ до 114.4 ГэВ. Наиболее вероятное значение для массы Хиггса составляет MH = 115.5 ГэВ, однако превышение сигнала над фоном упало всего до 2sigma. Это прежде всего связано с уменьшением почти в два раза ожидаемого превышения сигнала над фоном для события с "потерянной энергией", которое было представленно коллаборацией L3, после проведения более корректной процедуры выделения бозона Хиггса. У ALEPHa превышение сигнала над фоном для трех четырехструйных событий после переобработки тоже снизилось, но всего на 10%.
    На мой взгляд приведенные выше новые данные однозначно свидетельствуют, что наблюдение бозона Хиггса на LEPe было миражом, вызванным большим желанием во чтобы то ни стало экспериментально обнаружить так долго неуловимую, но чрезвычайно важную для построения стройной концепции физики микромира частицу Хиггса. Даже относительно недавняя история науки знает множество аналогичных примеров. О лептокварках говорилось выше. Кроме этого, несколько раз экспериментаторы "открывали" легкий t-кварк с массой порядка 10-40 ГэВ и "измеряли" массу нейтрино большую, чем 15 эВ. Но по прошествии некоторого времени ситуация возвращалась на круги своя, а громогласные сенсационные открытия превращались в тихие закрытия.
    Наиболее адекватно ситуация с возможным открытием бозона Хиггса на LEPe отражена в шуточном рисунке одного из сотрудников коллаборации ALEPH Клауса Групена (Claus Grupen). Но, как известно, в каждой шутке есть доля правды.
    Вы считаете это доказательством существования бозона Хиггса?
Несомненно! Как следует из приведенного графика, бозон Хиггса имеет нулевое время жизни и бесконечно большую ширину распада.
    Если на LEPe бозон Хиггса открыть не смогли, то на каких других установках и когда следует ожидать открытия неуловимого Хиггса? Без всяких сомнений, если бозон Хиггса существует в природе, то его должны открыть на LHC в CERNe. Однако Большой адронный коллайдер вступит в строй не раннее, чем в конце 2006-го года, а первые реальные результаты пойдут еще позднее.
    Определенный шанс открыть частицу Хиггса, если она либо достаточно легкая, то есть ее масса не более 120 ГэВ, либо достаточно тяжелая, то есть тяжелее примерно 170 ГэВ, появляется у протон-антипротонного ускорителя Tevatron (FNAL, США), на котором 1-го марта 2001-го года начался новый сеанс набора данных (Run II). Сеанс продлится пять лет. Как заявил один из руководителей коллаборации CDF (The Collider Detector at Fermilab - эта коллаборация вместе с коллаборацией D0 регистрирует и обрабатывает данные от столкновении протонов и антипротонов на коллайдере Tevatron при энергии соударения чуть меньше 2 ТэВ) Франко Бедески (Franco Bedeschi), если предсказания физиков LEPa верны и бозон Хиггса действительно имеет массу около 115 ГэВ, то к концу сеанса на Tevatron-e может быть получено до 3000 кандидатов в бозоны Хиггса. Правда пока набор данных по настоящему еще не начался. Вплоть до сентября 2001-го года идет наладочная и калибровочная работа, которая является стандартной подготовкой к проведению длительного сеанса на любом современном ускорителе.

    При написании предисловия и послесловия использовались материалы журнала "CERN Courier" и доклады LEP Higgs Working Group, опубликованные в электронных базах данных по физике высоких энергий в Интернет. Для заинтересованных читателей возможно рекомендовать заметку:
P.Teixeira-Dias "The SM Higgs Boson Search at LEP: Combined Results", hep-ex/0108002,
в которой содержатся самые последние данные и ссылки на важнейшие предыдущие сообщения.

Задачи о бозоне Хиггса

    В заключение кажется уместным привести несколько задач, которые могут оказаться полезны студентам физических ВУЗов для лучшего понимания круга вопросов, связанных с бозоном Хиггса. Возможно, эти задачи окажутся полезны и преподавателям, особенно при чтении курсов общей физики и физики элементарных частиц.
    Заранее стоит предупредить, что ответы на большую часть задач НЕ содержатся в тексте статьи, но в рекомендуемой выше литературе эти ответы либо указания на них можно найти.

  1. Каким образом можно экспериментально доказать, что бозон Хиггса является скаляром, то есть определить спин частицы Хиггса и ее пространственную четность?
  2. При каких условиях бозон Хиггса может непосредственно взаимодействовать с нейтрино?
  3. Найти порог реакции e+e------>Z0H. Определить максимальную массу бозона Хиггса, которую еще можно было бы получить на LEPe, если максимальная энергия сталкивающихся пучков в системе центра масс лептонной пары составляет E = 209 ГэВ? Чем обусловлено различие полученного вами результата и экспериментального ограничения на минимально возможную массу бозона Хиггса: MH > 114.4 ГэВ на 95% уровне достоверности?
  4. Порог гипотетической реакции e+e------>гамма----->гаммаH равен точно массе бозона Хиггса. Почему эта реакция не может быть использована для получения бозона Хиггса на LEPe?
  5. Фотон не имеет массы, следовательно бозон Хиггса не может взаимодействовать с фотоном напрямую (не в этом ли решение предыдущей задачи и только ли в этом?). Почему же тогда во многих экспериментах нейтральный бозон Хиггса предполагают искать по распаду на два фотона?
  6. Нарисуйте фейнмановские диаграммы, отвечающие данному распаду, оцените ширину распада.
  7. Фотон - переносчик электромагнитного взаимодействия, а потому он обязан взаимодействовать со всеми заряженными частицами. Во многих расширениях СМ в дополнение к нейтральному неизбежно появляются заряженные бозоны Хиггса. Таким образом фотон неприменно обязан взаимодействовать с заряженными бозонами Хиггса. С другой стороны известно, что взаимодействие частиц с бозоном Хиггса создает массу частиц. Но фотон не имеет массы. Как разрешить получившееся противоречие?
  8. Оценить по порядку величины отношения сечений реакций
    e+e------>Z0----->Z0H и e+e------>νeaneutrino.gif (63 bytes)eW+W------>νeaneutrino.gif (63 bytes)eH при энергиях LEPa.
  9. С какой частицей бозон Хиггса взаимодействует сильнее: с положительно заряженным протоном, масса которого чуть меньше 1 ГэВ-а, или с отрицательно заряженным мюоном, масса которого несколько больше 105 МэВ?

Примечание. Задача совсем не так нелепа, как это может показаться на первый взгляд.

Н.Никитин

На головную страницу

Рейтинг@Mail.ru