С фронта элементарных частиц время от времени поступают рапорты об обнаружении — или же о безуспешном поиске — разных редких процессов. Вот и на днях прошло сообщение об окончательном открытии сверхредкого распада мезонов, за которым физики охотились несколько десятилетий.
Разные редкие вещи встречаются и в других разделах науки — кто-то находит редкие минералы, кто-то — редких животных, где-то наблюдаются редкие атмосферные явления. Каждая такая единичная находка ценна и при внимательном изучении дает много информации. Но в микромире охота за «редкостями» имеет совсем иной смысл — ведь причина редкости тут другая.
В мире макроскопических, даже уточним, механических явлений царит воспроизводимость. Мы настолько к этому привыкли, что с трудом представляем, как может быть иначе. Солнце не мечется по небу, а восходит и заходит с завидной регулярностью. Брошенный камень летит по параболе, скорректированной сопротивлением воздуха, и падает туда, куда должен. Велосипедист спокойно едет под горку, не опасаясь, что велосипед вдруг телепортируется вбок или подпрыгнет вверх на метр. Мы знаем, что так было всегда, и мы уверены, что так будет и дальше. В более общей формулировке, если два эксперимента поставлены в совершенно одинаковых условиях, они приведут к одинаковым результатам. То же редкое атмосферное явление бывает редким, потому что оно зависит от одновременного выполнения множества условий. Но если условия повторятся точь-в-точь, то и само явление снова будет наблюдаться.
В микромире всё устроено по-другому. Поведение элементарных частиц — вероятностное, оно зависит от игры случая, игры непредсказуемой и непросчитываемой в каждом конкретном эксперименте. Вы можете столкнуть два протона в коллайдере в абсолютно идентичных условиях — а результат этих столкновений будет разный, и нет никакой возможности его предсказать в каждом конкретном случае. И это не потому, что мы плохо умеем считать, а потому что таковы законы природы. Всё, что доступно теоретическому расчету — это вероятность того или иного результата из всего набора разрешенных возможностей. Именно этим занимаются теоретики, и именно это измеряют экспериментаторы, когда они хотят проверить теоретические предположения об устройстве мира.
Редкие процессы с элементарными частицами — это просто процессы с очень маленькой вероятностью. Создадите вы для них максимально благоприятные условия или нет, они всё равно будут очень редки. А вот почему эти процессы идут так неохотно — и есть самый главный вопрос в этой науке, и именно ради него физики тратят столько усилий. Про этот вопрос и про некоторые ответы на него мы поговорим позже, а пока что давайте прикинем, какие масштабы «редкости» нормальны в физике частиц, а какие — нет.
Коллайдерная лотерея
Простейшее определение вероятности опирается на простой подсчет событий.
Вы повторяете эксперимент в одинаковых условиях раз и подсчитываете, сколько раз, , он дал интересующий нас результат. Тогда вероятность события получается . Как и всякое экспериментальное измерение, эта вероятность может меняться от раза к разу и у нее есть тоже своя погрешность.
Нас здесь интересуют редкие события. Из этой простой формулы видно, докуда на шкале редкости может «достать» -кратный эксперимент. Если из попыток у нас в одном-единственном случае получился нужный результат, то его вероятность мы оцениваем в = 1/. Это самый редкий тип событий, который мы можем уловить в таком эксперименте. Если бы мы не зарегистрировали ни одного события, мы бы не смогли оценить вероятность даже приблизительно. Мы бы даже не знали, нулевая она или ненулевая. Единственное, что такой отрицательный эксперимент нам бы дал, это оценку сверху на вероятность: даже если этот процесс и происходит, то с вероятностью заметно меньше = 1/. (Тут есть целая методология, как правильно устанавливать верхнюю границу, но мы, конечно, в эти тонкости пускаться не будем).
Самый важный для нас вывод таков: если мы хотим уловить как можно более редкие процессы, нам надо максимально увеличивать количество попыток в надежде, что рано или поздно хоть одно событие нужного типа произойдет. Все усилия техников и экспериментаторов, готовящих к работе новые коллайдеры, направлены на достижение этой цели, нацелены на повышение числа .
Возьмем для примера Большой адронный коллайдер, LHC. Какие вероятности тут считаются рутинными, а какие — предметом тщательных поисков? В LHC происходит около ста миллионов протон-протонных столкновений в секунду. Хорошо смазанный и отлаженный коллайдер работает в таком режиме несколько месяцев в году. Это дает примерно квадриллион (1015) столкновений в год. Каждое столкновение приводит к созданию какого-то набора частиц, разлетающихся в разные стороны. Иногда это что-то интересное, но как правило — не очень. Вот небольшая подборка разных частиц и примерная вероятность их рождения в протонном столкновении на LHC.
Иными словами, за время работы коллайдера было произведено около триллиона B-мезонов, миллионы топ-кварков (это самые тяжелые из известных частиц), сотни тысяч хиггсовских бозонов, тысяча событий совместного рождения топ-кварковых пар вместе с Хиггсом, и несколько сот событий парного рождения хиггсовских бозонов. Однако сравнение этих чисел со словами в последней колонке таблицы вас может удивить. Как же так получилось, что свойства хиггсовского бозона измерены лишь в общих чертах? Неужели физикам не хватило сотен тысяч бозонов для его детального изучения? И почему это парное рождение хиггсовских бозонов вообще осталось без внимания, куда пропали сотни рожденных пар?
Ответ в том, что физикам приходится не только отлавливать нужные события, но и отсеивать ненужные. Их физики называют «фоном», фоновыми процессами, мешающими разглядеть что-то по-настоящему важное и редкое. Этих фоновых событий — огромное число, и многие из них вполне напоминают искомые процессы. Борьба с фоном — это ключевой этап «битвы за информацию», которую физики ведут ежедневно при изучении результатов столкновения (подробнее про методы анализа данных см. в статье Анатомия одной новости).
Вот и получается, что, хоть коллайдер породил сотни тысяч хиггсовских бозонов, большинство из них родились впустую. Они распались так, что детектор не смог опознать в мешанине частиц «подпись» бозона Хиггса. А доступными для измерения оказались лишь редкие варианты распада с самым слабым фоном и с вероятностью меньше процента. Про рождение сразу двух бозонов Хиггса и говорить нечего: ведь для того, чтобы этот процесс поймать, надо, чтобы каждый из двух бозонов распался подходящим способом. За всё время работы коллайдера такая комбинация редких процессов — сначала рождение двух бозонов, а потом удачный распад каждого из них, — не случился ни разу.
В общем, эксперименты на LHC напоминают этакую «коллайдерную лотерею». Для того, чтобы извлечь из протонных столкновений полезную информацию, требуется совпадение сразу нескольких «счастливых номеров»: интересные частицы должны родиться, они должны распасться не совсем скучным образом, и этот распад должен не потеряться на фоне не относящихся к делу событий. На счастье физиков, эта коллайдерая лотерея проводится не один и не два, а многие триллионы сеансов. Так что в конечном счете физикам всё же достается какой-то научный выигрыш. Но им, конечно, всегда хочется чего-то большего, и вся работа экспериментаторов — это, по сути, борьба за новые «лотерейные призы».
Фотография: CDF