 |
||||||||||||||||
Приближается к концу первый год работы Большого адронного коллайдера (БАК), и можно подвести некоторые итоги. Самый главный результат первого года работы БАК, это то, что и сам БАК и все детекторы надёжно работают. Большой адронный коллайдер – ускорительно-накопительная установка, в которой
два пучка протонов движутся в противоположных направлениях по кольцам
вакуумных труб, расположенных рядом друг с другом в сильных магнитных
полях сверхпроводящих магнитов. Эта кольцевая установка протяжённостью
Самый большой из детекторов, АТЛАС, выше пятиэтажного здания,
и другие ненамного ему уступают. Чтобы
создать БАК и детекторы, потребовались усилия почти всех стран мира
– образец международного сотрудничества. Очень значительный и неотъемлемый
вклад в это начинание внесла Россия. Гатчинские физики с 1997 года участвуют
во всех больших экспериментах БАК: ALICE, ATLAS, CMS и LHCb. Физиками ПИЯФ были
созданы мюонные системы для экспериментов
Запуск БАК состоялся 23-го ноября 2009 года. Первое
время он работал при полной энергии 450 ГэВ; это энергия, при которой
пучки вводятся в БАК из «Супер-протонного-Синхротрона»
SpS. Затем состоялся сеанс с ускорением протонов до
1180 ГэВ; этот короткий сеанс послужил проверке ускорительной системы
БАК и проверке готовности детекторов производить измерения при рекордно
высокой энергии. А 31 марта 2010 начался сеанс набора статистики при
3500 ГэВ или 3,5 ТэВ, как мы предпочитаем говорить, то есть 7 ТэВ в системе центра масс двух сталкивающихся протонов. Чтобы
представить себе энергию протона в 7 ТэВ,
стоит вспомнить, что энергия покоящегося протона равна 0,94 ГэВ, то есть приблизительно 1/1000 ТэВ, а скорость 7 ТэВ-ного протона
равна 0,99999999 скорости света. Пучки протонов идут не непрерывным потоком, а «сгустками»
длиной в несколько сантиметров,
летящих на расстоянии порядка
От числа сгустков зависит «светимость» коллайдера:
чем больше сгустков, тем больше светимость, а чем больше светимость,
тем чаще происходят столкновения протонов встречных пучков. При столкновении
двух протонов высокой энергии может произойти огромное число разных
реакций, причем каждая реакция будет идти с определённой вероятностью.
Мерой вероятности реакций принято считать «эффективное сечение взаимодействия»
или просто «сечение», которое измеряется в квадратных сантиметрах, а
для удобства пользуются малыми долями квадратного сантиметра: пикобарном
(= 10-34 см2) или фемтобарном = 1/1000 пикобарна.
Светимость измеряется в см-2 сек-1 или соответственно
в обратных фемтобарнах
в секунду, а число событий реакции равно произведению сечения на светимость.
Таким образом, если сечение некоторой реакции равно 1 пикобарну
(пб), а светимость коллайдера
равна 1 пб-1 сек-1, то в среднем будет происходить
эта реакция один раз в секунду, а за номинальный год работы коллайдера
– приблизительно 10 миллионов секунд – 10 миллионов событий. Много ли
это? Ответ на этот вопрос неоднозачный; он
зависит от того, насколько нам удастся отличить от интересующих нас
событий те «фоновые» события, которые маскируют искомую нами реакцию.
Полное сечение протон-протонных
столкновений при энергии БАК, т.е. в настоящее время 7 Тэв,
равно приблизительно 100 миллибарнам, а, например,
сечение рождения W-бозона
порядка 1 нанобарна, т.е. одна стомиллионная
доля полного сечения. Это означает, что только в одном из ста миллионов
столкновений двух протонов родится W-бозон.
Еще в миллион раз реже родится бозон Хиггса, -- тот самый бозон, обнаружение которого, пожалуй, самый
желанный результат работы БАК. Это,
разумеется, при условии, что мы правильно понимаем бозон Хиггса,
- это понимание основано на косвенных указаниях на его существование.
Надо помнить, что в первые несколько месяцев
работы БАК и думать нечего об открытии бозона Хиггса. За короткое время работы БАК была увеличена не только энергия, но и светимость, которую увеличили более чем в 100 000 раз, причем это было достигнуто путём увеличения числа протонов в сгустках, увеличения числа сгустков в пучках, и уменьшения поперечных размеров пучков. В таком режиме БАК будет работать до конца октября, а затем предполагается переход на пучки ядер свинца. Первая
статья с результатами БАК
была опубликована группой ALICE в ноябре 2009 года
под длинным названием «First proton-proton collisions at the LHC as observed
with the ALICE detector: measurement of the charged particle pseudorapidity distribution density at √s = 900 GeV». Величина «pseudorapidity», а на русском
языке – псевдобыстрота, является мерой угла,
под которым частицы вылетают по отношению к направлению пучка. Распределение
по быстроте плотности заряженных частиц, измеренное в первую очередь
группой ALICE, - одна из важнейших характеристик взаимодействия
элементарных частиц. Вскоре последовали публикации и других экспериментальных
групп, а на международной конференции
по физике элементарных частиц, состоявшейся в июле 2010 в Париже, группы
ALICE, ATLAS, CMS и LHCb представили десятки
докладов, охвативших все стороны их исследований. Показаны были результаты
измерений хорошо известных величин, как например измерения масс разных
частиц. Полученные на БАК результаты совпадают с ранее известными результатами,
что доказывает надёжность работы экспериментальных установок и правильность
методов обработки опытных данных. Кроме того, в этих работах группы
БАК вышли на новую область энергии, и сравнивать можно было только с
предсказаниями, полученными экстраполяцией моделей, работающих при более
низких энергиях. Неудивительно, что были получены некоторые отклонения
новых данных от предсказаний. Эти отклонения не коснулись, однако, принципиальной
правильности теории, а всего лишь численных неточностей, которые увеличиваются
при экстраполяции.
Интересный результат группы CMS -- примеры событий, в которых можно предположить
рождение топ-кварков или, как говорят, «события-кандидаты»
на рождение топ-кварка. Их удалось получить
за несколько недель с начала работы БАК, что поразительно, если вспомнить,
сколько лет в 90-е годы потребовалось на открытие топ-кварка физикам, работавшим
на американском «Теватроне» в лаборатории
им. Энрико Ферми. Такому успеху послужила
в 3½ раза большая энергия БАК по сравнению с Теватроном,
а кроме того знание свойств топ-кварка
и годы подготовки методов обработки экспериментальных данных. Экспериментальные
группы тоже показали на Парижской конференции результаты поисков «новой
физики», т.е. физики за пределами стандартной модели, которую теоретики
разрабатывали последние десятилетия. Частицы «новой физики» не были
обнаружены, но были получены более жёсткие ограничения на их массы,
чем в экспериментах Теватрона. Конечно, никто не ожидал сенсационных открытий
за такой короткий срок. Важно было отработать всю цепочку от набора
данных через их обработку и до результатов, причем, данные, полученные
при 900 ГэВ в системе центра масс, можно сравнивать с
данными групп UA1
и UA2,
полученными в 80-е годы на протон-антипротонном
SpS
коллайдере; данные,
полученные при энергии 2.36 ТэВ, сравнимы
с результатами Теватрона, энергия которого
около 2 ТэВ, а основной массив данных, полученных
при 7 ТэВ, можно сравнивать только с предсказаниями. Интересный – потому что неожиданный -- результат был недавно
получен группой CMS,
а именно -- корреляции пар частиц, летящих в одном направлении по азимуту,
но в разные направления по полярному углу по отношению к пучку или,
как говорят физики, с разными «псевдобыстротами».
События, в которых наблюдались такие корреляции, характеризуются большой
множественностью частиц -- свыше 110 рождённых
в столкновении частиц. Надо уточнить: вообще, корреляции пар частиц,
рождённых в одном столкновении двух протонов, давно хорошо известны
и поняты. Это, в первую очередь, пары частиц, летящих почти параллельно
друг другу: это пары частиц одной струи, в которую превратился кварк,
вылетающий из центра столкновения. Во-вторых, наблюдаются более размытые
корреляции пар частиц, летящих более или менее в противоположных направлениях:
это можно понять, как частицы двух струй от пары кварк-антикварк, причем, размыта эта корреляция за счёт того,
что кварк и антикварк летят не точно в противоположных
направлениях, и что продукты фрагментации кварков разлетаются, как шрапнель.
Новым для протон-протонных столкновений в
наблюдении CMS
было то, что увидели избыток пар частиц, летящих в одном направлении
по азимуту, но под большим полярным углом относительно друг друга. Подобного
рода корреляции до сих пор наблюдались только в столкновениях тяжёлых
ядер на релятивистском ионном коллайдере RHIC в Брукхейвенской
лаборатории; их появление в протон-протонных
столкновениях было неожиданностью. На сегодняшний день предложено несколько
объяснений этому явлению, но остаётся неясным, какое из них правильное. Однако корреляции, увиденные в эксперименте CMS, вряд ли проявление той «новой физики»,
ради которой БАК был создан. Чтобы можно было увидеть «новую физику»,
надо будет набрать ещё значительно большую
статистику. Это понятно хотя бы из того, что «новая физика» ожидается
в реакциях с эффективным сечением порядка фемтобарнов,
то есть тысячной доли пикобарнов, и, чтобы зарегистрировать одно событие такого
рода, нужно набрать в 100 раз большую светимость, чем набрана до сих пор.
Вполне возможно, что при энергии 7 ТэВ новая
физика вообще ещё не проявится, и нужно будет дождаться следующего сеанса,
когда энергия БАК будет доведена до расчётного значения 14 ТэВ. В.Б.
Шлиппе.
|
||||||||||||||||
