Профессор Гвидо Эмилио Тонелли, получивший престижную премию Мильнера в области фундаментальных проблем физики и работающий на сегодняшний день в ЦЕРНе, коллаборации CMS, представил в ФИАНе свой доклад «Об открытии бозона, подобного Хиггсу, с помощью CMS детектора на Большом адронном коллайдере». В ходе доклада профессор Тонелли рассказал также о прошлом, настоящем и будущем поисков новой физики в рамках работы коллабораций CMS и ATLAS. 

    Большой Адронный Коллайдер (БАК) – самый крупный в мире ускоритель заряженных частиц длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Первый официальный запуск коллайдера состоялся в 2007 году. Суть процесса работы коллайдера состоит в столкновении пучков протонов и ядер высокой энергии, которые разгоняются во встречных направлениях до скорости, близкой к скорости света. Столкновение происходит в четырех точках, оснащенных специальными детекторами, фиксирующими процессы, происходящие во время столкновения. Одним из таких детекторов является детектор CMS. На каждом из детекторов работают коллаборации ученых, крупнейшей из которых является коллаборация CMS. В CMS насчитывается около 3000 физиков из разных стран, в том числе сотрудники ФИАН, которые принимают активное участие в исследованиях. Детекторы способны увидеть до 600 млн. «событий», происходящих во время столкновения частиц. На основе анализа таких событий коллаборациями CMS и ATLAS и было зафиксировано существование бозона, по своим свойствам схожего с предсказанным бозоном Хиггса.

    Изначально идея строительства БАК была продиктована необходимостью экспериментальной проверки существующей Стандартной Модели частиц, поиска суперсимметрии и понимания новой физики. Однако Стандартная Модель не может объяснить большое число явлений, имеющих место во Вселенной. Например, темная материя не может быть описана Стандартной Моделью. На сегодняшний день предложено несколько теорий, которые объясняют суть основных явлений во Вселенной и претендуют на новую физику. Наиболее известная из них, благодаря широкой популяризации в СМИ, теория струн. Подтвердить или опровергнуть данные теории призваны результаты, которые ученые надеются получить в будущем с помощью БАК.

    Приоритетной задачей экспериментального подтверждения Стандартной Модели с самого начала был поиск бозона Хиггса – элементарной скалярной частицы, наличие которой теоретически предположил П. Хиггс в 1964 году. Доказательство существования бозона Хиггса завершает построение Стандартной Модели и открывает перспективы следующего уровня исследований микромира.

    В ходе своего доклада профессор Г. Тонелли рассказал об истории экспериментов по поиску бозона Хиггса в рамках совместной работы коллабораций CMS и ATLAS.

    «В июле 2010 года стартовал проект, который окрестили «Миссия невыполнима»: открыть бозон Хиггса или исключить его навсегда. Почему «Миссия невыполнима»? Потому что после ужасного происшествия на БАК в 2010 году при энергии 7 ТэВ, когда одно из звеньев ускорителя было буквально разорвано на мелкие части, никто всерьез не верил в успех поиска бозона Хиггса до того, как БАК снова не будет собран по кусочкам, чтобы запустить его на новую величину – 14 ТэВ. Если бы не невероятные усилия, предпринятые за последние два года, не было бы ни этого открытия, ни сегодняшней встречи, ни моего доклада. В 2010 году мы начали все практически с нуля: новые идеи, совершенно новые подходы, очень агрессивный и современный инструмент анализа...» – рассказал профессор Г. Тонелли.

    И вот, в июле 2012 года CMS и ATLAS официально объявили о том, что в ходе исследований наблюдается превышение событий при значении массы 125 ГэВ, и есть достаточно веские основания интерпретировать это как открытие новой частицы, возможно являющейся бозоном Хиггса. Наиболее значимое подтверждение ученые получили в ходе наблюдений в канале с двумя фотонами в конечном состоянии и в канале с двумя парами заряженных лептонов. В Стандартной Модели изначально предполагалось, что бозон Хиггса должен быть скрыт в области низких масс, на которые и были направлены экспериментальные исследования. Новая частица оказалась самым тяжелым из известных бозонов и, что очень важно, была зафиксирована двумя детекторами с уровнем статистической значимости в 5 стандартных отклонений. Такой уровень статистической значимости является основанием для официального научного заявления об открытии.

 

    Открытие новой частицы, таким образом, произошло при энергии столкновения протонов всего лишь в 7...8 ТэВ. Все это стало возможным, благодаря превосходной работе детекторов и сотням молодых талантливых физиков, которые приняли вызов и совершили буквально чудо. Период с января по июль 2012 года по праву был назван «7 месяцев, которые изменили физику навсегда».

    Особенно важным аспектом публичных обсуждений стал вопрос соответствия новой открытой частицы Стандартной Модели и бозону Хиггса.

    «В шутку про неопределенную пока ситуацию с новым бозоном мы говорим: «Он ходит как утка и крякает как утка». То есть, новая частица похожа по характеристикам на предсказанные для бозона Хиггса, однако... нам потребуются еще дополнительные исследования, чтобы понять, что там происходит, и не выходят ли свойства новой частицы за рамки Стандартной Модели», – пояснил профессор Г. Тонелли.

 

    Несмотря на необходимость получения дополнительных данных, бозон Хиггса практически уже получил неоспоримые подтверждения своего существования. Однако сегодняшний триумф Стандартной Модели все еще является достаточно призрачным и проблематичным на пути познания Вселенной. Несмотря на достигнутый успех в подтверждении Стандартной Модели, мы знаем, что она никак не объясняет множество очень важных явлений: темную материю, темную энергию, механизм космической инфляции, объединение сил гравитации и его роль, массы нейтрино и их иерархию, асимметрию материи и антиматерии, лептогенезиз и бариогенезис и другие.

    Приоткрыть новые тайны ученые надеются в будущем. Уже намечены пути дальнейшей модернизации БАК. Так, в 2015 году планируется запустить БАК с энергией столкновения протонов до 13 ТэВ и интегральной светимостью в 100 фбн⁻¹. После следующей модернизации в 2018 году новый этап набора данных состоится в период с 2019 до 2021 года, когда планируется достижение светимости в 300 фбн⁻¹. А после последнего планируемого на сегодняшний день этапа модернизации, с 2023 по 2030 годы предполагается достижение светимости в 3000 фбн⁻¹, что с позиции сегодняшнего дня является фантастической величиной.

    Вот как прокомментировал доклад Тонелли главный научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук Игорь Михайлович Дремин: «Тонелли обладает талантом не только физика, но и популизатора науки. Его двухчасовой доклад был образцом изложения сложных физических и технических проблем в общедоступной форме. В то время, когда велись поиски бозона Хиггса, Тонелли был лидером коллаборации CMS и основным инициатором и участником этих поисков. Поэтому их грандиозный успех непосредственно связан с его именем. Как это часто бывает в науке, новое научное открытие не только разрешает какую-то проблему, но и вызывает множество новых вопросов, часть из которых упомянуты выше. Над ответами на них и предстоит работать в дальнейшем».

    Результаты будущих экспериментов могут полностью перевернуть представления человечества о сути вещей и Вселенной. Современная физика, как наука, подошла к этапу необходимости дальнейшего развития, которое невозможно без новых экспериментальных практических данных. Открытие бозона Хиггса только на один маленький шаг приближает нас к пониманию новой физики и впереди еще бесконечное количество новых и сложных загадок.

Е. Барчугова, АНИ «ФИАН-Информ»

21.03.2013