Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ДЕТЕКТОРЫ ATLAS И CMS

ДЕТЕКТОРЫ ATLAS И CMS

Мы проследили путь протонов в БАКе от атомов водорода, из которых они извлекаются, через ускорение до высоких энергий в 27–километровом кольце. Два полностью параллельных луча никогда не пересекутся; то же можно сказать и о двух пучках протонов, движущихся в противоположных направлениях внутри специальных тонких трубок. Поэтому в нескольких точках кольца дипольные магниты отклоняют протонные пучки от их неизменного кольцевого маршрута, а квадрупольные магниты фокусируют их таким образом, что протоны двух пучков встречаются и взаимодействуют в пределах области меньше 30 микрон в поперечнике. Точки в центре каждого детектора, где происходят протон–протонные столкновения, известны как точки взаимодействия.

Экспериментальные установки (на рис. 33 изображено устройство детектора CMS) располагаются концентрически вокруг каждой из этих точек, чтобы улавливать и регистрировать многочисленные частицы, которые рождаются при частых столкновениях протонов. Детекторы имеют цилиндрическую форму — ведь, несмотря на то что пучки протонов движутся с равной скоростью в противоположных направлениях, в столкновениях, как правило, проявляется и продольное движение в обоих направлениях. Вообще, поскольку размер отдельного протона много меньше поперечных размеров пучка, большая часть протонов вообще не участвует в столкновениях, а продолжает лететь дальше по трубке, лишь слегка отклонившись от своего пути. Интерес для ученых представляют лишь те редкие события, в которых отдельные протоны сталкиваются лоб в лоб.

Это означает, что хотя большинство частиц продолжает двигаться вдоль направления пучка, потенциально интересные события порождают настоящий дождь частиц, разлетающихся преимущественно в поперечном направлении. Цилиндрические детекторы сконструированы таким образом, чтобы улавливать максимальное число продуктов взаимодействия, учитывая и разлет частиц вдоль направления движения пучка. Детектор CMS располагается возле одной из точек столкновения протонов под землей — возле Сэсси во Франции, недалеко от границы со Швейцарией, а точка взаимодействия детектора ATLAS лежит под швейцарским городом Мэйрин — совсем рядом с основным комплексом CERN (на рис. 34 вы можете видеть условное изображение частиц, разлетающихся после столкновения и проходящих сквозь разрез детектора ATLAS).

РИС. 33. Компьютерное изображение устройства CMS с показом отдельных компонентов. (Графика печатается с разрешения CERN и проекта CMS.)

Частицы Стандартной модели характеризуются массой, спином и характером взаимодействий, в которых они участвуют. Что бы ни возникало в итоге в результате столкновений, и та и другая экспериментальная установка распознают все при помощи известных сил и взаимодействий Стандартной модели. Иной возможности у нас нет. Частицы без соответствующих зарядов покинули бы область взаимодействия, не оставив за собой следа.

Но, когда детектор регистрирует взаимодействия из арсенала Стандартной модели, он может разобраться в них и «понять», что произошло. Именно это и должны делать обе экспериментальные установки. И CMS, и ATLAS измеряют энергию и импульс фотонов, электронов, мюонов, тау–лептонов и, наконец, частиц, участвующих в сильном взаимодействии, которые вовлекаются в потоки плотно сгруппированных частиц, летящих в одном направлении. Детекторы, установленные вокруг точки взаимодействия, должны измерять энергию или заряд и таким образом идентифицировать частицы. Чтобы не утонуть в море информации, они снабжены сложнейшими компьютеризированными устройствами, программным обеспечением и электроникой. Экспериментаторы распознают заряженные частицы, потому что те взаимодействуют с другими, известными нам заряженными частицами. Они регистрируют также все объекты, которые участвуют в сильном взаимодействии.

РИС. 34. Условное изображение события в детекторе ATLAS. Показан разлетающийся в поперечных направлениях дождь частиц, пронизывающих по пути слои детектора. (Обратите внимание: человек внизу помогает представить масштаб установки, но на самом деле, когда в детекторе находятся люди, столкновений не бывает.) Хорошо видны характерные тороидальные магниты. (Фото печатается с разрешения Европейского центра ядерных исследований и руководства проекта ATLAS.)

Все компоненты детектора, по существу, отслеживают перенос заряда — те электроны, что возникают при взаимодействии частиц с материалом детектора. Иногда в веществе возникает ливень частиц — множество электронов и фотонов, а иногда вещество просто ионизируется и регистрируется заряд. Но в любом случае чувствительные элементы регистрируют сигнал и посылают его в компьютеры для обработки и анализа.

Магниты также представляют собой принципиально важную часть обоих детекторов. Они необходимы для измерения как знака зарядов, так и импульсов заряженных частиц. Электрически заряженные частицы в магнитном поле отклоняются от прямой, причем радиус изгиба траектории зависит от скорости движения частицы. Чем больше импульс частицы, тем прямее она движется, а частицы с противоположными зарядами отклоняются в противоположные стороны. Частицы в БАКе обладают огромной энергией (и импульсом), поэтому экспериментальным установкам нужны очень сильные магниты, иначе не удастся заметить и измерить еле заметную кривизну треков энергичных заряженных частиц.

Установка под названием «Компактный мюонный соленоид» (Compact Muon Solenoid, CMS) — меньшая из двух главных универсальных детекторов БАКа, зато более тяжелая; ее ошеломляющая масса достигает 12 500 т. «Компактные» размеры таковы: 21 м в длину и 15 м в диаметре. Это чуть меньше, чем размеры ATLAS, и все же достаточно, чтобы полностью занять теннисный корт.

Отличительная особенность CMS — сильное магнитное поле напряженностью 4 Тл, на которое намекает слово «соленоид» в названии. Соленоид во внутренней части детектора представляет собой цилиндрическую катушку диаметром 6 м из сверхпроводящего кабеля. Ярмо магнита, проходящее через наружную часть детектора, также производит сильное впечатление — и, кстати говоря, составляет значительную часть его громадной массы. Железа в нем больше, чем в парижской Эйфелевой башне.

Обратите внимание также на слово «мюонный» в названии установки (по крайней мере, меня оно в свое время заинтересовало). Быстрое распознавание электронов и мюонов — их более тяжелых эквивалентов, проникающих в самые внешние слои детектора — может быть очень важно для обнаружения новых частиц, поскольку именно такие энергичные частицы иногда рождаются при распаде тяжелых объектов. Поскольку эти объекты не участвуют в сильном взаимодействии, они, скорее всего, представляют собой нечто новое — ведь протоны автоматически их не порождают. Таким образом, эти без труда распознаваемые частицы (мюоны) могут указывать на присутствие какой?нибудь интересной распавшейся частицы, рожденной во время столкновения. Магнитное поле в CMS с самого начала проектировалось в расчете на энергичные мюоны, с тем чтобы установка могла их «ловить». Это означает, что детектор непременно зарегистрирует данные о любом событии с их участием, даже если вынужден будет оставить за бортом большое количество иной информации.

ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), как и CMS, содержит в своем названии ссылку на магниты, поскольку для его работы также необходимо сильное магнитное поле. Слово «тороидальный» в названии относится именно к магнитам. Поле, которое они создают, не такое мощное, как в CMS, зато занимает громадный объем. Именно из?за громадных магнитных тороидов ATLAS стал более крупным из двух универсальных детекторов и вообще самой крупной экспериментальной установкой в истории человечества. Его длина 46 м, диаметр — 25 м; он удобно устроился в пещере длиной 55 и высотой 40 м. Весит детектор 7000 т и уступает CMS по массе почти вдвое.

Чтобы иметь возможность измерять все характеристики частиц, ATLAS окружает зону столкновений множеством все более крупных цилиндрических детекторных элементов. В конструкции и CMS, и ATLAS предусмотрено несколько устройств, предназначенных для измерения траекторий и зарядов пролетающих частиц. Вылетая из точки столкновения, частицы встречают на своем пути внутренние трекеры, назначение которых — точно измерить положение частицы неподалеку от точки вылета. Затем идут калориметры, измеряющие энергию, которую, останавливаясь, отдают не слишком энергичные частицы. Наконец приходит очередь мюонных детекторов, расположенных во внешнем контуре установки; они измеряют энергию мюонов, обладающих высокой проникающей способностью. Каждый из перечисленных детекторных элементов состоит из множества слоев, что увеличивает точность каждого измерения. Сейчас мы с вами совершим экскурсию по экспериментальным установкам вслед за частицами и посмотрим, как россыпь частиц, вылетающих из точки столкновения, превращается в массив легко распознаваемой информации.