С высоты птичьего полета

В сентябре ожидается долгожданный пуск Большого адронного коллайдера – БАКа. Коллайдер, это ускоритель, в котором два пучка частиц бегут навстречу друг другу. Большой адронный коллайдер отличается от других, существующих коллайдеров высокой энергией, до которой в нём ускоряются протоны: она в семь раз выше энергии коллайдера в американском Фермилабе, который до сих пор держит рекорд.

БАК расположен в Европейском центре физики элементарных частиц ЦЕРН возле Женевы в долине реки Роны, текущей между Альпами и французской Юрой. На фотографии можно увидеть с птичьего полета главную площадку ЦЕРНа. С поверхности БАК не виден, - он находится в подземном тоннеле на глубине более 50 метров. В тоннеле расположены четыре шахты, на дне которых построены детекторы. С их помощью будут изучаться реакции столкновения протонов. Эти детекторы: ALICE, ATLAS, CMS и LHCb.

БАК строился более 10 лет усилиями многих стран, в том числе и России. Этот исполин поражает воображение рекордными параметрами. В кольцевом тоннеле длиной в 27 км тянется цепь более чем из 2000 сверхпроводящих магнитов, поля которых удерживают протоны на орбите. Такое количество сверхпроводящих магнитов, притом таких размеров, никогда раньше нигде не создавалось. Магниты сложные, ибо по ним рядом друг с другом расположены две вакуумные трубы, по которым и несутся протоны, пересекаясь только в четырёх точках, вокруг которых построены детекторы. Летят протоны практически со скоростью света, так что на один оборот протону требуется 1/10 миллисекунды, а за час он проделывает этот путь 36 миллионов раз, покрыв 7-кратное расстояние от земли до солнца. Чтобы не дать протону столкнуться с каким-нибудь атомом и выйти из игры, ему нужно обеспечить такой вакуум, какой в природе существует только в межпланетном пространстве. А объём полостей труб без

туннель БАК

малого 100 кубических метров. Отдельная задача – охлаждение магнитов до температуры сверхпроводимости. Для этого используется сверхтекучий гелий.

В цепи магнитов есть отрезки с тёплыми магнитами. В них расположены специальные устройства для очистки пучков от заблудившихся по сторонам протонов. При этом может возникнуть радиация, вредная для сверхпроводящих магнитов, хотя и безобидная для тёплых. Более половины тёплых магнитов – один из вкладов России в создание БАКа.

Но коллайдер – это только пол дела. Смысл коллайдера заключается в том, что протонам встречных пучков дают сталкиваться, чтобы изучать происходящие при этом реакции.

Что же такое «детектор»? Не плохой пример детектора –человек. Человеческий глаз чувствителен к лучам света в некотором диапазоне частот. Проходящий через зрачок и сфокусированный хрусталиком свет падает на сетчатку, состоящую из 100 миллионов светочувствительных ячеек, превращающих свет в электрические импульсы, которые  нервами передаются для дальнейшей обработки в мозг. Кожа человека чувствительна к лучам другого диапазона – к инфракрасным. Сигналы от кожи тоже поступают в мозг, но их обработка более грубая; однако опытом жизни эта информация «откалибрована»: мы можем с неплохой точностью определить окружающую температуру.

Также в общих чертах устроены и детекторы на БАКе. Они состоят из многих компонент, каждая из которых чувствительна к определенному виду лучей. Опыт, накопленный за столетие с открытия радиоактивности и рентгеновских лучей, позволяет строить детектор так, чтобы он мог отличать электроны от протонов, пи-мезонов, мюонов, фотонов и прочих частиц, которых известно большое множество, и более того – измерять их энергию (что аналогично различению глазом разных цветов радуги). Частиц же, рождающихся при каждом столкновении протонов в БАКе, может быть очень много – десятки. Поэтому компоненты детекторов, как сетчатка глаза, состоят из многих ячеек, причем их количество сопоставимо с количеством колбочек и палочек сетчатки: оно тоже исчисляется миллионами. И как от сетчатки сигналы передаются в мозг, так и от каждой ячейки детектора по кабелю сигналы, в конечном счете, поступают для обработки в компьютер. Но вот разительное отличие: если вся информация от сетчатки обрабатывается мозгом только одного человека, то обработка данных от детекторов БАКа будет обрабатываться тысячами физиков на тысячах компьютеров, рассредоточенных по всей земле.

Важная особенность детекторов та, что они чувствительны не постоянно, а только кратковременно. Это нужно для того, чтобы детектор мог отличать каждое «событие», то есть результат столкновения двух протонов, от другого «события». В этом отношении принцип детектора можно уподобить карточному домику. Надо столько-то времени, чтобы карточный домик построить (привести детектор в готовность), затем бабочка крылышком заденет (два протона столкнутся, порождая «событие») - и домик разваливается (детектор от «события» срабатывает), а затем мы снова строим домик (детектор приводится в готовность к следующему «событию»). Существенное отличие во времени, которое требуется для постройки домика и приведения в готовность детектора: детектор может принять новое «событие» через два десятка наносекунд. Соответственно пучки протонов идут не сплошным потоком, а «пачками», и настраивается коллайдер так, чтобы две «пачки» встречались в центре детектора, и чтобы между двумя встречами пачек детектор успевал приготовиться к следующему «событию». Для этого «пачки» идут друг за другом на расстоянии 25 наносекунд – именно в наносекундах мы исчисляем расстояние, так как это более удобно, чем исчисление в метрах. А пересчитать при желании не трудно, зная, что свет за наносекунду пробегает 30 см.

Детектор ALICE

Длина каждой «пачки» около 8 см, а число протонов в ней приблизительно 10¹¹. Много это или мало? Представить себе такое число нельзя, даже человеческого слова на него нет. Но можно помочь тем, чтобы сопоставить с чем-нибудь знакомым, например с граммом водорода (не каждый день мы держим в руках грамм водорода, но представить его легче, чем 10¹¹). В грамме водорода 6•10²³ молекул водорода, а в каждой молекуле два протона – (кроме электронов, которые нас сейчас не интересуют, и которые обдираются с протонов в самом начале образования пучка). Итак, у нас в каждом пучке грубым счетом 3000 пачек, так что в обоих пучках вместе взятых 6•10¹⁴ протонов, и это составляет 1/2000000000 долю грамма.

Но пора упомянуть ещё одну поражающую воображение особенность БАКа. До сих пор я давал впечатление, что при каждой встрече двух «пачек» протонов происходит одно столкновение протона из одной «пачки» с протоном из встречной. Это – устаревшая картина: так настраивались коллайдеры в прошлом. В БАКе при каждой встрече «пачек» будет происходить в среднем 20 протон-протонных столкновений. Это оправдано тем, что подавляющее большинство столкновений приводит только к образованию ливней частиц, летящих, грубо говоря, в направлении пучков. Такие столкновения называются «мягкими». А «жесткие» столкновения значительно более редкие, и именно они представляют интерес для физиков. Характерной же особенностью «жестких» столкновений является то, что в них рождаются частицы, вылетающие поперёк пучков. Тем не менее, распутать всю информацию от 20 столкновений и быть уверенным, какая пара протонов привела к «жесткому» событию, это задача весьма требовательная к умению физиков.

Что же мы надеемся увидеть на БАКе, чего раньше не видели? При такой постановке вопроса стоит вспомнить, что же мы знаем о материи на сегодняшний день.

На фундаментальном уровне материя состоит из кварков и лептонов. Кварков и лептонов в природе существует по 6 видов. К каждому из них есть античастица: античастица электрона – позитрон, протона - антипротон и так далее. 3 лептона заряженных, а три – нейтральных: их называют нейтринами. Заряженные лептоны могут взаимодействовать между собой и другими частицами посредством обмена фотонов – частицами света – и так называемыми промежуточными бозонами W⁺, W^- и Z⁰, носителями слабого взаимодействия. Кварки носят заряд, и поэтому тоже могут обмениваться фотонами, принимают участие в слабых взаимодействиях через промежуточные бозоны, а, кроме того, взаимодействуют с другими кварками и через обмен глюонами, носителями сильных взаимодействий. Все же частицы, состоящие из кварков, называются адронами. Все исследованные на сегодняшний день взаимодействия частиц количественно описываются Стандартной моделью. Стандартная модель отлично работает, если предположить, что массы частиц равны нулю. Чтобы она могла работать и для частиц с ненулевой массой, в теорию была введена ещё одна частица – бозон Хиггса (по имени шотландского теоретика Питера Хиггса, который её предложил для придания частицам массы). На реальное существование бозона Хиггса есть косвенные указания, но их недостаточно: для полной уверенности нужно прямое доказательство. Не говоря уже о том, что есть несколько разных вариантов бозона Хиггса, которые следует изучить. Чуть ли не главная цель БАКа – это его открытие и всестороннее изучение.

Стандартная модель уже почти 40 лет выдерживает испытания. Есть одно указание явлений выходящих за её рамки: ненулевая масса нейтрино. Однако, поскольку все массы частиц в Стандартной модели берутся из эксперимента и закладываются «вручную», то это вопрос спорный, имеет ли принципиальное значение ненулевая масса нейтрино. Однако теоретики за годы экспериментальной проверки Стандартной модели наработали несколько теоретических построений выходящих за пределы Стандартной модели, которые ждут своей проверки. Одна такая гипотеза – суперсимметрия или SUSY. Если верна эта гипотеза, то к каждой известной частице должен существовать суперсимметричный партнер: на каждый кварк ожидается по «скварку» и т.д., и эти «счастицы», если только они реально есть, должны быть обнаружены на БАКе, а их необнаружение похоронит полюбившуюся многим теоретикам SUSY.

модуль детектора ATLAS

Эти и многие другие вопросы будут изучаться в экспериментах ALICE, ATLAS и CMS. Российские физики из нашего института и из ряда других институтов страны участвуют во всех этих экспериментах, создавая части детекторов и готовясь к обработке экспериментальных данных.

Скоро 80 лет с открытия первой античастицы – позитрона, но с антиматерией до сих пор связана глубокая загадка. Действительно, по представлению начала нашей Вселенной Великим взрывом, разумно предположить, что возникло столько же антиматерии, сколько и материи, и спрашивается, куда же девалась вся антиматерия, которой в природе нет: когда в столкновениях частиц она зарождается, то очень быстро и исчезает. До начала 60-х годов 20-го столетия считалось, что антиматерия точное зеркальное отображение материи. Но в 64-м году в распадах К-мезонов было обнаружено маленькое отклонение от этого правила, а на пороге нынешнего столетия такое нарушение было обнаружено и в системе В-мезонов, значительно более тяжёлых, чем К-мезоны. Эксперимент LHCb будет полностью работать над более глубоким изучением этой проблемы, и в этом тоже участвуют физики нашего института.

Ещё один вопрос, который будет изучаться на БАКе, уже вплотную подходит к самому началу Вселенной, к моменту Великого взрыва, когда ещё не было ни протонов, ни нейтронов, а была только кварк-глюонная плазма (КГП). Её изучением будет заниматься детектор ALICE. В надежде получить КГП на БАКе будут использованы пучки ядер свинца. Физики из нашего института и группа физиков НИИФ им. В.А. Фока СПбГУ принимают деятельное участие в этом эксперименте, как созданием ответственных частей детектора, так и подготовкой к обработке опытных данных.

В.Б. Шлиппе

 в.н.с. ПИЯФ им. Б.П. Константинова РАН.

Отдел теоретической физики.