Пару месяцев назад в НГУ была лекция физика-теоретика и замечательного популяризатора науки Игоря Иванова о последних достижениях Большого адронного коллайдера в поиске Новой физики. Она мне напомнила одну курьёзную и поучительную историю, как раз связанную с коллайдером и этой самой Новой физикой. Расскажу-ка я её вам, чтобы вы знали, что "не только люди искусства могут быть нежными фиалками" (*Крысенок*).

Но сперва надо объяснить, что это за Новая физика такая и что вообще изучают на коллайдерах. Физические законы, которым подчиняются разные объекты, зависят от масштаба этих самых объектов. Мы, если можно так выразиться, живём в макромире (а вместе с нами и живые клетки, и планеты со звёздами, и всё, что создано руками человека). Движение и взаимодействие макрообъектов, если их скорости не шибко большие, описывается ньютоновской (или классической) механикой: если мы знаем начальное положение и скорости объектов, а также действующие на них силы, то мы можем предсказать, где окажутся объекты в любой момент времени. Наша Солнечная система с хорошей точностью является классической: затмения Луны и Солнца, а также появления комет просчитаны на тысячи лет вперёд (а расчётами положения небесных тел люди вообще веками занимаются). Для большей точности, конечно, приходится учитывать эффекты теории относительности, а для некоторых явлений они абсолютно важны (например, прецессию (поворот) перигелия Меркурия смогли объяснить только в рамках общей теории относительности), но в целом даже Солнце не обладает достаточно сильным гравитационным полем, чтобы нельзя было пользоваться классической механикой. Итак, особенность классических объектов — предсказуемость: бывает, что уравнения движения слишком сложны, чтобы мы решили их точно, и приходится пользоваться приближёнными методами, но мы знаем, что точное решение существует, даже если мы не умеем его вычислять.
Микромир, то есть мир атомов, молекул и элементарных частиц, живёт по квантовым законам. Квантовый мир, в отличие от классического, вероятностен по своей природе: мы не можем рассчитать траекторию движения электрона в атоме, и не потому что плохо измеряем параметры электрона и не потому что плохо решаем уравнения, а потому что такова природа электрона. Мы можем только вычислить вероятность обнаружить электрон в том или ином месте при следующем измерении. Неудивительно, что зарождавшаяся квантовая механика вызвала немалое сопротивление со стороны научного сообщества (сам Эйнштейн восклицал: "Бог не играет в кости!"). Но мир таков, какой он есть — нравится нам это или нет.
Итак, когда в Большом адронном коллайдере сталкиваются два протона, мы не знаем заранее, что с ними произойдёт: в какие частицы они превратятся, под какими углами и с какими импульсами эти частицы полетят. Мы можем говорить только о том, с какой вероятностью произойдёт рождение того или иного набора частиц, причём вариантов очень много. Вероятности получить в результате определённые частицы с определёнными энергиями и углами вылета можно рассчитать в рамках той или иной теории, а потом сравнить с экспериментальными данными.
Сейчас расскажу об одной полезной величине, которая будет упоминаться дольше по сюжету. Соотношение между энергией, импульсом и массой частицы выглядит так: E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2, где m — масса, p — импульс, E — энергия, c — скорость света. Предположим, у нас есть две частицы (можно и больше, но остановимся на двух). Если мы сложим их энергии, импульсы и подставим в формулу, то получим что-то вроде их общей массы (эту величину называют инвариантной массой). Теперь построим диаграмму: сколько родилось пар частиц с одной и той же инвариантной массой. Такой график очень информативен: например, если была частица, которая развалилась в эти две частицы, то в распределении по инвариантной массе будет пик в районе массы этой первоначальной частицы. Вот картинка из моей бакалаврской работы, показывающая распределение по инвариантной массе протона и антипротона. Видно четыре пика, соответствующие четырём частицам.



А теперь про саму Новую физику. Вот Стандартная модель элементарных частиц: есть три поколения кварков и лептонов — "строительных кирпичиков" вещества, есть четыре взаимодействия — сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное, причём первые три описываются квантовой теорией поля, есть механизм Хиггса, описывающий, как частицы приобрели массу (а фотон не приобрёл). И все результаты коллайдерных экспериментов прекрасно укладываются в рамки предсказаний Стандартной модели (или отклонения слишком малы, чтобы делать выводы). А зачем нам ещё какие-то теории, скажете вы, если эта хорошо работает? А затем, что есть вещи, которые Стандартная модель не описывает. Вот один пример: тёмная материя. Сейчас понятно, что в таблице ниже частиц тёмной материи нет. Есть несколько теорий, в которых есть кандидаты на роль тёмной материи, но ни одна из них пока не подтвердилась (а может, среди них и нет правильной). Существуют и другие факты, свидетельствующие о том, что Стандартная модель не полна. Собственно, частицы и взаимодействия за пределами Стандартной модели и называют Новой физикой, именно для её поисков и был построен Большой адронный коллайдер. До сих пор эти поиски были бесплодными, и не будет преувеличением сказать, что физики (в особенности теоретики) фрустрированы этой неудачей и готовы хвататься за любой намёк на отклонения от Стандартной модели. Здесь моё затянувшееся введение заканчивается, и я перехожу к рассказу о том, к чему приводит жажда до сенсаций.



15 декабря 2015 года на ежегодном семинаре в CERNе коллаборации ATLAS и CMS (двух универсальных детекторов, установленных на Большом адронном коллайдере) представили результаты анализа свежей порции данных. Самым примечательным в них был пик в распределении по инвариантной массе двух фотонов в районе 750 ГэВ, причём видели его обе коллаборации, что уже серьёзно. Посмотрите на картинку ниже: слева — данные ATLAS, справа — CMS. Цветная кривая обозначает, как бы выглядело распределение в рамках Стандартной модели. Что бы там не родилось, было ясно: это нечто электрически нейтрально, но связано с фотонами (возможно, с помощью другой, заряженной частицы), кроме того, не наблюдались его распады на другие частицы.



В общем, это что-то неожиданное и загадочное, и теоретики набросились на него, как голодные собаки — на кость. Сразу после семинара (!) было опубликовано 10 статей с объяснениями природы пика (нет, это не теоретики так быстро пишут, просто слухи ходили ещё неделю назад). В течение двух недель количество статей перевалило за сотню. И это притом, что ATLAS и CMS даже не опубликовали официальные статьи с анализом (это произошло только в июне 2016 года). К тому же было не исключено, что пик был просто случайностью, что на самом деле никакой новой частицы нет. И вычисленная статистическая значимость этого пика была слишком маленькой, чтобы можно было говорить об открытии. Нужно было, чтобы детекторы собрали больше данных — тогда, если пик настоящий, его статистическая значимость вырастет. Мир физики элементарных частиц замер в тревожном ожидании. А статьи всё публиковались — до августа 2016 года их вышло под пять сотен. Какие гипотезы только не выдвигались: что это новая частица, что это несколько частиц с близкими массами, что это связанное состояние новых частиц, что это новый бозон Хиггса. Мой знакомый теоретик даже выдвигал гипотезу, что это связанное состояние двух магнитных монополей, прости Тзинч. Каждый спешил опубликовать своё исследование, ведь если пик подтвердиться, то первому, кто его объяснил, вся слава и достанется. В 2016 году даже вышла первоапрельская статья о том, что теоретики по поведению напоминают колонию микробов или молекулы в газе.

Итак, 5 августа 2016 года на конференции ICHEP 2016 представители экспериментов ATLAS и CMS представили результаты анализа большей статистики. Желающих послушать было столько, что в аудиторию не помещались... И, как вы думаете, каковы были результаты? Да, двухфотонный пик как языком слизало. Посмотрите на графики ниже — никакого намёка.



Сообществу теоретиков пришлось пройти через все стадии принятия неизбежного. Кто-то отшучивался (и стебался над докладчиками, которые должны были на той же конференции рассказывать о теоретических исследованиях уже не существующей частицы). Кто-то злился (ещё бы: профессора уже аспирантов набрали, им гранты грезились, а тут такой облом!). Некоторые так расстроились, что уходили из физики элементарных частиц насовсем. Не сообщалось о том, что кто-то решил заодно и уйти из жизни, и на том спасибо. Как бы то ни было, надо жить дальше и искать дальше.
В конце приведу цитату, которая мне понравилась: "Я говорил так раньше и я скажу это снова: теоретическая физика кажется в основном фанфиком по Вселенной". А выводы из этой истории делайте сами.