Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ТИПЫ КОЛЛАЙДЕРОВ

ТИПЫ КОЛЛАЙДЕРОВ

Итак, столкновение двух пучков позволяет получить более высокие энергии (а значит, исследовать меньшие расстояния), чем эксперименты с неподвижной мишенью, поэтому мы выбираем коллайдер. Возникает следующий вопрос: что сталкивать? Этот вопрос порождает несколько интересных вариантов, из которых нам предстоит выбрать один. В частности, мы должны решить, какие элементарные частицы следует ускорять, чтобы они могли принять участие в столкновении.

Имеет смысл воспользоваться готовым материалом, легко доступным на Земле. В принципе, мы могли бы сталкивать между собой нестабильные частицы: к примеру, частицы, получившие название мюонов (они быстро распадаются на электроны), или тяжелые кварки, такие как t–кварки (они распадаются на другие, более легкие виды частиц).

В этом случае нам, прежде чем начать разгон пучков, необходимо было бы получить нужные частицы в лаборатории, поскольку под рукой их нет. Но, даже если бы мы смогли изготовить нужное количество частиц и разогнать их, прежде чем они распадутся, нам бы пришлось еще позаботиться о безопасности и подумать, как отвести излучение. Ни одно из этих препятствий не является непреодолимым — и особенно это относится к мюонам, возможность использовать которые в пучках в настоящее время исследуется. Ясно, однако, что по сравнению со стабильными частицами нестабильные ставят перед исследователями дополнительные проблемы.

Так что давайте остановимся на более понятном и простом варианте: возьмем стабильные частицы, которые имеются на Земле в любом необходимом количестве и сами по себе не распадаются. В эту категорию попадают легкие частицы или на крайний случай связанные стабильные конфигурации легких частиц, такие как протоны. Кроме того, мы предпочли бы заряженные частицы, которые можно без труда разгонять электрическим полем. Это оставляет нам на выбор протоны и электроны—частицы, которых вокруг полным–полно.

Что же выбрать? У той и другой частицы есть свои сильные и слабые стороны. Электроны хороши тем, что столкновения у них получаются чистые и понятные — в конце концов, это фундаментальные частицы. Когда электрон с чем?то сталкивается, его энергия не распыляется на входящие в его состав субструктуры: насколько нам известно на настоящий момент, электрон дальше уже не делится. А раз сам по себе он не делится, мы можем очень точно проследить за тем, что происходит при его столкновении с иным объектом.

А вот с протонами дело обстоит иначе. Напомню, что протон состоит из трех кварков, связанных сильным взаимодействием; кварки обмениваются глюонами, которые «склеивают» протон воедино, как уже говорилось в главе 5. Когда протон с высокой энергией сталкивается с чем?то, в интересующем нас взаимодействии — том, при котором могут возникнуть тяжелые частицы — обычно участвует только одна из частиц в составе протона, то есть один из кварков или глюонов.

Разумеется, кварку достается далеко не вся энергия протона. Сам протон может обладать очень высокой энергией, но составляющим его кваркам энергии достается гораздо меньше. Тем не менее энергия кварка тоже может быть достаточно высока.

Помимо всего прочего, картина столкновения с участием протонов всегда очень сложная. Дело в том, что остальные части протона хоть и не участвуют в сверхвысокоэнергетическом столкновении, но продолжают лететь рядом и тоже взаимодействуют между собой — а это означает, что вокруг интересующего нас взаимодействия происходит множество других, мешающих увидеть картину.

Казалось бы, при описанных условиях никому не захочется иметь дело с протоном, но на самом деле желающие находятся. Почему? Дело в том, что протон тяжелее электрона; его масса превосходит массу электрона примерно в 2000 раз — а это очень важно, когда пытаешься разогнать протон до высокой энергии. Чтобы передать протону энергию, электрическое поле разгоняет частицу по кругу, и с каждым витком она движется все быстрее. Но движущиеся с ускорением частицы излучают, и чем они легче, тем больше излучение.

Это означает, что как бы нам ни хотелось столкнуть между собой электроны со сверхвысокой энергией, вряд ли это удастся сделать в ближайшее время. Вообще?то, электрон можно разогнать до очень высоких энергий, но такие электроны, разгоняясь по кругу, излучают значительную часть своей энергии в пространство. (Именно поэтому в Лаборатории SLAC в Пало–Альто, где ускоряют электроны, используется линейный коллайдер.) Так что протоны все же побеждают в соревновании с точки зрения как чистой энергии, так и исследовательских возможностей. Протоны можно разогнать до достаточно высоких энергий, чтобы их составные части — кварки и глюоны — несли больше энергии, чем ускоренный электрон.

Надо сказать, что оба типа коллайдеров — и протонные, и электронные, — многое рассказали физикам об элементарных частицах. Коллайдеры, оперирующие пучком электронов, не работают с такими высокими энергиями, какие достигаются в лучших протонных ускорителях. Но эксперименты на коллайдерах с электронными пучками позволяют провести более точные измерения; на протонных коллайдерах о такой точности не приходится даже мечтать. В частности, проведенные в 1990–е гг. эксперименты на SLAC и на Большом электронно–позитронном коллайдере LEP в Европейском центре ядерных исследований помогли проверить предсказания Стандартной модели элементарных частиц с впечатляющей точностью.

Эксперименты, связанные с точным измерением электрослабых взаимодействий, помогли исследовать множество самых разных процессов. К примеру, были измерены массы переносчиков слабого взаимодействия, скорости распада на разные типы частиц, а также явления асимметрии в сигналах регистрируемых передней и задней (по отношению к движению частиц) частями детектора.

Точное измерение электрослабых взаимодействий стало возможным в результате разумного применения эффективной теории. Как только физики смогли провести достаточное количество экспериментов, чтобы точно определить некоторые параметры Стандартной модели (к примеру, силы, задействованные в каждом из фундаментальных взаимодействий), оказалось, что все остальное можно предсказать. Ученые проверяют все экспериментальные данные на непротиворечивость и ищут отклонения, которые могли бы указать на какое?то недостающее звено. До сих пор все известные наблюдения и измерения указывают на то, что Стандартная модель прекрасно работает — настолько хорошо, что мы до сих пор не имеем никаких зацепок, по которым можно было бы судить, что нас ожидает на следующем уровне. Пока ясно одно: что бы это ни было, его влияние при достигнутых на LEP энергиях чрезвычайно слабо.

Из этого можно сделать вывод о том, что получить больше информации о еще более тяжелых частицах и еще более энергичных взаимодействиях невозможно без прямого исследования процессов, протекающих при энергиях, значительно более высоких, чем все, что удалось достичь на LEP и SLAC. В столкновениях электронов попросту не будут получены энергии, нужные, по мнению ученых, для ответа на вопрос о том, что придает частицам массу и почему они обладают именно такой массой, какой обладают, по крайней мере этого не удастся сделать в ближайшем будущем. Для ответа на эти вопросы нужны столкновения протонов.

Вот почему физики решили разгонять в тоннеле, построенном в 1980–е гг. для LEP, протоны, а не электроны. В конце концов Центр вывел LEP из эксплуатации, чтобы дать дорогу новому колоссальному проекту—Большому адронному коллайдеру. Поскольку протоны излучают во много раз меньше энергии, чем электроны, сам процесс разгона проходит гораздо более эффективно, и протоны удается разогнать до более высоких энергий. При столкновениях протонов, конечно, возникает больше мусора, чем при столкновениях электронов, и перед экспериментаторами встает множество сложнейших проблем, но при работе с пучком протонов появляется шанс задействовать в одном столкновении достаточно высокие энергии и получить прямой ответ на вопрос, который не дает нам покоя уже несколько десятилетий.

Но, прежде чем окончательно решить, какие именно частицы сталкивать в коллайдере, мы должны ответить еще на один вопрос. Итак, в столкновении участвует два пучка. Мы уже решили, что один из пучков должен состоять из протонов. Но из чего должен состоять второй пучок — из тех же частиц (протонов) или из соответствующих античастиц (антипротонов)? Масса протона и антипротона одинакова, поэтому и излучают они при разгоне одинаково, поэтому при выборе между тем и другим следует использовать иные критерии.

Ясно, что протонов в окружающем нас мире гораздо больше, чем антипротонов. Антипротон практически невозможно встретить просто так, случайно, ведь если бы он появился, то тут же аннигилировал бы с одним из многочисленных протонов, превратившись в энергию или другие, более элементарные частицы. Почему же тогда вопрос об использовании антипротонов вообще рассматривается? Какую выгоду мы от них получим?

Ответить на этот вопрос можно просто: немалую. Во–первых, разгонять пучки будет проще, поскольку одно и то же магнитное поле можно использовать для разгона протонов и антипротонов в противоположных направлениях. Но главный аргумент — частицы, которые можно получить при столкновении.

Частицы и античастицы обладают одинаковой массой, но противоположным зарядом. Это означает, что суммарный заряд сталкивающихся частиц вполне соответствует заряду, который может нести чистая энергия, — а именно нулевому заряду. Согласно формуле Е = mc² это означает, что при столкновении частица и античастица могут целиком превратиться в энергию, которая, в свою очередь, может породить любую другую пару частица — античастица; для этого нужно лишь, чтобы новая пара не была слишком тяжелой и обладала достаточно сильным взаимодействием с первоначальной парой.

Возникшие частицы могут оказаться совершенно новыми и обладать зарядом, отличным от заряда частиц Стандартной модели. У новой пары нет суммарного заряда, как и у первоначальной пары. Поэтому даже если заряды новых частиц будут отличаться от зарядов Стандартной модели, вместе они будут иметь нулевой заряд и — по крайней мере в принципе — смогут возникнуть.

Попробуем рассмотреть с этой точки зрения электроны. При столкновении двух частиц с одинаковыми зарядами, к примеру двух электронов, можно получить только объекты с тем же суммарным зарядом. Могут родиться либо один объект с двойным зарядом, либо два разных объекта, которые, подобно электронам, будут нести на себе единичный заряд. Это несколько ограничивает наши возможности.

Итак, столкновение двух частиц с одинаковым зарядом сильно ограничивает экспериментаторов. С другой стороны, столкновение частицы и античастицы открывает множество новых путей, в противном случае невозможных. При электронно–позитронном столкновении (а именно так работал LEP) возникает гораздо больше потенциальных возможностей, чем при столкновении двух электронов, — ведь и число возможных конечных состояний гораздо больше. К примеру, именно в столкновениях электронов с соответствующими античастицами — позитронами — были наряду с множеством достаточно легких пар частица — античастица получены и тяжелые незаряженные частицы, такие как калибровочный ?–бозон. Хотя за использование античастиц в столкновениях приходится дорого платить — слишком уж сложно их хранить, — выигрыш тоже достаточно велик, особенно в тех случаях, когда новые частицы, которые мы надеемся обнаружить, обладают не такими зарядами, как исходные.

В последнее время в самых высокоэнергетических коллайдерах ученые использовали один пучок протонов и один пучок антипротонов. Для этого потребовался, конечно, надежный способ получения и хранения антипротонов. Вообще, способ эффективного хранения антипротонов — одно из серьезнейших достижений CERN. Еще до того, как там был создан электронно–позитронный коллайдер LEP, европейская лаборатория работала с высокоэнергетическими пучками протонов и антипротонов.

Самым важным открытием, сделанным в Центре при столкновениях протонов и антипротонов, был электрослабый калибровочный бозон, передающий электрослабое взаимодействие. За это открытие в 1984 г. Карло Руббиа и Симон ван дер Мер получили Нобелевскую премию. Слабое взаимодействие, как и другие виды взаимодействия, передается частицами. В данном случае это слабые калибровочные бозоны — положительно и отрицательно заряженные W–бозоны и нейтральные ?–бозоны; именно эти три частицы отвечают за слабое взаимодействие. Для меня W- и ?–бозоны до сих пор остаются «чертовыми векторными бозонами»; так, помнится, называл их подвыпивший британский физик, который бродил по комнатам, где жили в то время приглашенные физики и студенты–практиканты (в том числе и я). Его очень беспокоило доминирование Америки, и он с нетерпением ждал первого крупного открытия европейских ученых в этой области науки. Калибровочные, или векторные, бозоны W и ?, открытые в начале 1980–х гг. в CERN, экспериментально подтвердили Стандартную модель элементарных частиц, в которой слабое взаимодействие играет принципиальную роль.

Решающую роль в успехе тех экспериментов сыграл новый метод хранения антипротонов, разработанный ван дер Мером. Ясно, что хранение антипротонов — сложная задача, ведь каждая из этих частиц только и ждет встречи с каким?нибудь случайным протоном, с которым можно будет аннигилировать. Метод ван дер Мера, получивший название метода стохастического охлаждения, заключается в том, что специальный датчик отслеживает электрические характеристики сгустка частиц, а корректирующее устройство — так называемый кикер — «дает пинка» тем частицам, которые обладают максимальным импульсом, охлаждая таким образом весь сгусток; частицы в нем начинают двигаться медленнее и уже не могут легко столкнуться со стенками контейнера. Таким способом можно хранить даже антипротоны.

Идея коллайдера, в котором сталкивались бы протоны и антипротоны, рассматривалась не только в Европе. Самым высокоэнергетическим коллайдером такого типа был ТэВатрон в городке Батавия (штат Иллинойс). В тэватроне удалось достичь энергии 2 ТэВ (что примерно в 2000 раз превышает энергию покоя протона)[25]. Протоны и антипротоны сталкивались там с образованием новых частиц, которые мы могли затем изучить во всех подробностях. Самым значительным открытием, сделанным на тэватроне, стало открытие t–кварка — самой тяжелой и последней по времени обнаружения из частиц Стандартной модели.

Однако БАК отличается и от первого коллайдера CERN, и от тэватрона (обзор различных типов коллайдеров см. на рис. 22). БАК сталкивает не протоны с антипротонами, а два протонных пучка. Причина, по которой ученые предпочли работать с двумя протонными пучками вместо одного пучка протонов и одного — антипротонов, требует дополнительных пояснений. Как мы уже говорили, максимальными потенциальными возможностями обладают те столкновения частиц, при которых суммарный заряд участвующих частиц равен нулю. В этом случае можно получить что угодно плюс соответствующую античастицу (если, конечно, хватит энергии). Если в столкновении участвует два электрона, суммарный заряд того, что получится, должен будет равняться -2, что, понятно, заранее исключает множество возможностей. Можно подумать, что столкновение двух протонов — столь же неудачная идея. В конце концов, их суммарный заряд равен +2, и на первый взгляд кажется, что плюс два ничем не лучше минус двух.

Если бы протоны были фундаментальными частицами, это был бы совершенно правильный вывод. Однако, как мы уже говорили в главе 5, протоны состоят из более мелких деталей. Протоны содержат кварки, связанные глюонами. Но даже в этом случае, если бы дело ограничивалось тремя валентными кварками — двумя верхними и одним нижним, — которые, собственно, несут на себе заряд частицы, дело обстояло бы немногим лучше: никакая пара валентных кварков не дает нулевого суммарного заряда.

РИС. 22. Сравнительная таблица коллайдеров. Показаны их энергии, что именно сталкивается и форма ускорителя * LEP был модернизирован и превратился в LEP2.

Однако большая часть массы протона обусловлена не массой содержащихся в нем кварков. Своей массой протон обязан прежде всего энергии связей, удерживающих эту частицу как единое целое. Летящий с высокой скоростью протон несет на себе огромное количество энергии. При этом он помимо трех валентных кварков, ответственных за заряд, содержит целое море кварков, антикварков и глюонов. Это значит, что, если заглянуть внутрь высокоэнергетического протона, там обнаружатся не только три валентных кварка, но и множество виртуальных кварков, антикварков и глюонов, заряды которых складываются и дают в сумме нуль.

Из сказанного следует, что при рассмотрении протонных столкновений нам следует быть немного более аккуратными в своих логических построениях и выводах, чем когда мы рассуждаем об электронах. Интересные события — результат столкновения субчастиц и заряды в них складываются тех же субчастиц, а вовсе не протонов. Хотя на общий заряд протона «дополнительные» кварки и глюоны не влияют, в его составе они все же присутствуют.

При столкновении протонов может так случиться, что один из трех валентных кварков одного протона столкнется с одним из валентных кварков другого протона, и тогда суммарный заряд частиц, участвующих в столкновении, будет ненулевым. Даже при ненулевом суммарном заряде могут иногда происходить интересные события с участием удачной суммы зарядов, но такое столкновение, конечно, не имеет тех широчайших возможностей, которые характерны для столкновения с нулевым суммарным зарядом.

Однако мы будем наблюдать немало и других интересных столкновений с участием частиц из виртуального моря; здесь вполне возможны ситуации, когда какой?нибудь кварк столкнется с соответствующим антикварком или глюон с глюоном, и тогда столкновение будет иметь нулевой суммарный заряд. При столкновении протонов любой кварк одного из них может столкнуться с соответствующим антикварком из другого, хотя, конечно, это не самый распространенный тип столкновения. Если задаться вопросом, что происходит в БАКе, то окажется, что свою роль в столкновениях протонов играют все возможные процессы, включая и столкновения субчастиц из виртуального моря. Более того, по мере ускорения протонов и, соответственно, повышения их энергии, «морские» столкновения становятся все более вероятными.

Полный заряд протона не определяет, какие частицы образуются при столкновении, потому что остальная часть протона просто улетает дальше. Части протонов, не участвующие в событии, уносят с собой остальную часть заряда частицы, которая затем теряется. Это, кстати говоря, ответ на вопрос падуанского мэра, который спросил, куда деваются при столкновениях в БАКе заряды протонов. Все дело в составной природе протона и высокой энергии летящих частиц; именно она гарантирует, что в столкновении непосредственно участвуют лишь самые мелкие из известных нам элементов — кварки и глюоны.

Поскольку в столкновении участвуют только части протонов, причем иногда (при столкновениях с нулевым суммарным зарядом) это виртуальные фрагменты, выбор между протон–протонным и протон–антипротонным коллайдерами не так уж очевиден. Если в прошлом в низкоэнергетических коллайдерах имело смысл идти на дополнительные сложности, связанные с производством и хранением антипротонов, чтобы обеспечить как можно большее число интересных событий, то теперь в БАКе все иначе. При тех уровнях энергии, с которыми работаем, на виртуальные кварки, антикварки и глюоны приходится значительная часть энергии протона.

Итак, физики и инженеры проекта БАКа выбрали вариант с двумя пучками протонов и отказались от работы с протонами и антипротонами[26]. При этом высокая светимость, то есть высокое число событий, становится гораздо более достижимой целью, а получить пучок протонов все же гораздо проще, чем пучок антипротонов такой же плотности.

Так что БАК — протон–протонный, а не протон–антипротонный коллайдер. В нем происходит очень много столкновений (конечно, ведь с двумя протонными пучками добиться этого гораздо проще), и потенциал его огромен!