Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ГЛАВА 13. ЭКСПЕРИМЕНТЫ CMS И ATLAS

В августе 2007 г. испанский физики руководитель теоретической группы CERN Луис Альварес–Гаме настойчиво посоветовал мне присоединиться к экскурсии по эксперименту ATLAS, которую физики–экспериментаторы Питер Дженни и Фабиола Джанотти собирались провести для нобелевского лауреата Цзундао Ли и еще нескольких ученых. Невозможно было устоять перед заразительным энтузиазмом Питера и Фабиолы, которые в то время были официальными представителями этого проекта и щедро делились своими знаниями и опытом; их речь была буквально переполнена подробностями эксперимента.

РИС. 29. Взгляд вниз, в «гнездо» для детектора ATLAS, со специальной платформы наверху. Видны трубы, по которым вниз доставлялись детали и строительные материалы

Собравшиеся ученые надели защитные каски и вошли в туннель БАКа. Первой остановкой оказалась специальная площадка, с которой мы смогли заглянуть вниз в громадную выемку, как показано на фотографии (рис. 29). Гигантская полость с вертикальными трубами, по которым оттуда, где мы стояли, на дно полости — на стометровую глубину— предполагалось доставлять части детектора, поразила и заворожила меня. Мы с нетерпением ждали возможности взглянуть на все это поближе.

После первой остановки мы спустились вниз, на дно шахты, где размещался не собранный еще до конца детектор ATLAS. В его незаконченности была особая прелесть — можно было увидеть внутренности детектора, которые позже, разумеется, предполагалось закрыть и спрятать от глаз — по крайней мере до тех пор, пока БАК не будет выключен на длительное время для обслуживания и ремонта. Так что мы получили уникальную возможность заглянуть непосредственно в недра хитроумной и очень внушительной конструкции — разноцветного лабиринта, превосходящего по своим размерам неф собора Парижской Богоматери.

Но размер сам по себе — не главная достопримечательность детектора. На тех из нас, кто вырос в Нью–Йорке или любом другом крупном городе, громадные строительные проекты не производят особого впечатления. Экспериментальная установка ATLAS производит такое сильное впечатление потому, что этот громадный детектор составлен из множества маленьких чувствительных элементов, причем некоторые из них предназначены для измерения расстояний с точностью до микрона. Вообще, в экспериментах на БАКе заключена своеобразная ирония: чтобы точно измерить мельчайшие расстояния, приходится строить громадные установки. Сегодня, демонстрируя на публичных лекциях фотографию этого детектора, я считаю своим долгом обязательно подчеркнуть, что ATLAS —устройство не только большое, но и точное. Это и поражает.

Год спустя, в 2008 г., я вновь приехала в CERN и увидела, насколько продвинулось строительство ATLAS. Торцы установки, открытые в прошлом году, теперь были закрыты. Кроме того, я вместе с физиком Чинцией Да Виа и моим коллегой Гиладом Пересом (вы можете увидеть его на рис. 30) побывала на не менее впечатляющей экскурсии по CMS — второму универсальному детектору БАКа.

РИС. 30. Мой коллега Гилад Перес перед частью «слоеного» детектора мюонов CMS — ярмом магнита

Гилад до этого не бывал ни на одном из измерительных комплексов БАКа, так что я смогла его глазами увидеть все заново и вновь пережить свое первое впечатление. Воспользовавшись тем, что охрана на детекторе оказалась не слишком строгой, мы облазили всю установку и даже заглянули в трубку, предназначенную для протонного пучка (рис. 31). Гилад заметил, что именно в этом месте, возможно, скоро будут созданы многомерные частицы, которые помогут доказать предложенную мною теорию. Неизвестно, конечно, мою модель они докажут или какую?нибудь другую, и все же приятно вспомнить, что эта трубка — то самое место, где мы вскоре сможем заглянуть в тайны новых элементов мироздания.

В главе 8 я представила вам машину, которая ускоряет протоны и сталкивает их друг с другом. В этой главе мы сосредоточимся на двух универсальных детекторах проекта БАКа — CMS и ATLAS; именно они будут определять, что получилось в результате столкновения. Остальные измерительные комплексы БАКа — ALICE, LHCb, ТОТЕМ, ALFA и LHCf — предназначены для более конкретных целей, включая попытку лучше понять сильное взаимодействие и провести точные измерения «красивых» кварков (Ь–кварков). Эти эксперименты, скорее всего, будут изучать элементы Стандартной модели во всех подробностях, но вряд ли откроют законы новой высокоэнергетической (за пределами Стандартной модели) физики, а ведь именно в этом заключается главная цель БАКа. А вот CMS и ATLAS — основные детекторы БАКа; именно на них будут проведены измерения, которые, как мы надеемся, помогут нам обнаружить новые элементы вещества.

РИС. 31. Чинция Да Виа (слева) проходит мимо места, где мы смогли заглянуть в протонную трубку (справа)

В этой главе вы найдете немало технических деталей. Даже теоретикам вроде меня не обязательно знать все эти факты. Те из вас, кого интересует только новая физика, которую нам, возможно, удастся открыть, или концепция БАКа в целом, вполне могут ее пропустить. И все же нельзя не признать, что экспериментальные установки БАКа производят сильное впечатление. Опустить эти подробности было бы неправильно.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ

В определенном смысле детекторы — и ATLAS, и CMS — представляют собой логическое развитие того пути, которое Галилей и другие ученые начали несколько столетий назад. Тогда с изобретения микроскопа началось развитие техники, которая позволяла физикам опосредованно изучать все более мелкие расстояния. Ученые постепенно открывали новые уровни структуры вещества, наблюдать которые можно только при помощи самых крохотных зондов.

Эксперименты на БАКе разработаны для того, чтобы исследовать субструктуры и взаимодействия на расстояниях, в сотни тысяч триллионов раз меньших, чем сантиметр. Это примерно в десять раз меньше по размеру, чем все, что прежде приходилось исследовать ученым. Хотя предыдущие высокоэнергетические эксперименты на коллайдерах, к примеру на тэватроне в Лаборатории имени Ферми в Батавии (штат Иллинойс), строились примерно на тех же принципах, что и новые детекторы БАКа, рекордные энергии и высокая частота столкновений поставили перед инженерами немало новых задач и, вообще говоря, предопределили небывалый размер и сложность устройств.

Подобно космическим телескопам, эти детекторы после строительства становятся практически недоступными. Они находятся глубоко под землей и подвергаются действию сильного излучения. Никто не в состоянии проникнуть в детектор, пока БАК работает. Но, даже когда коллайдер выключен, добраться до конкретного детекторного элемента чрезвычайно сложно, да и времени на это требуется очень много. Именно поэтому детекторы строятся так, чтобы они могли работать по крайней мере десять лет без всякого обслуживания. Впрочем, каждые два года БАК предполагается останавливать на длительный период, в течение которого физики и инженеры получат доступ ко многим компонентам детектора.

В одном очень важном отношении экспериментальные установки для регистрации элементарных частиц сильно отличаются от телескопов и микроскопов: они «смотрят» одновременно во все стороны. Столкновения происходят, частицы вылетают. Детекторы фиксируют любое событие, которое потенциально может оказаться интересным. ATLAS и CMS — универсальные детекторы. Они не регистрируют один только тип частиц или событий, не фиксируют признаки конкретных процессов. Эти установки сконструированы так, чтобы впитывать в себя максимальное количество данных от широчайшего спектра взаимодействий и энергий. Уже потом экспериментаторы, располагающие громадными вычислительными возможностями, попытаются однозначно выделить из общей массы событий информацию о конкретных частицах и продуктах их распада.

В эксперименте CMS — в строительстве установки, работе с ней и обработке полученных данных — принимают участие более 3000 человек из 183 научных институтов, представляющих 38 стран. Возглавляет проект итальянский физик Гвидо Тонелли.

В нарушение традиции Центра, согласно которой главой чего?либо может быть только мужчина, яркая итальянская донна Фабиола Джанотти стала «лицом» второго универсального детектора — ATLAS. Она в полной мере заслужила эту честь. Это очень мягкий, дружелюбный и вежливый человек и прекрасный ученый и организатор. Настоящую же зависть у меня вызывает тот факт, что она, помимо всего прочего, прекрасно готовит; вероятно, это естественно для итальянки, от внимания которой не может уйти даже самая мелкая подробность.

ATLAS тоже собрал вокруг себя гигантский коллектив. На декабрь 2009 г. в этом эксперименте принимали участие свыше 3000 ученых из 174 институтов 38 стран. Первоначально сообщество было сформировано в 1992 г., когда два предложенных эксперимента — EAGLE (Experiment for Accurate Gamma, Lepton, and Energy Measurements — эксперимент по точному измерению гамма–квантов, лептонов и энергии) и ASCOT (Apparatus with Super Conducting Toroids — аппарат с суперпроводящими тороидами) — объединились в один, соединив в конструкции черты того и другого с некоторыми элементами предложенных детекторов суперколлайдера SSC. Окончательное предложение было опубликовано в 1994 г., а еще два года спустя ATLAS получил финансирование.

Два основных эксперимента БАКа схожи по основной конструкции, но различаются особенностями конфигурации и реализации, что достаточно подробно показано на рис. 32. Они дополняют друг друга, имея немного разные возможности. Новые открытия ставят перед физикой элементарных частиц крайне сложные проблемы, поэтому два различных детектора, настроенные на регистрацию одних и тех же объектов, дадут гораздо более достоверные результаты, если смогут подтвердить находки друг друга. Если оба эксперимента приведут ученых к одному и тому же выводу, это придаст всем участникам проекта уверенности.

Помимо прочего, присутствие двух схожих экспериментальных установок вносит в исследования элемент соперничества; коллеги–экспериментаторы постоянно напоминают мне об этом. Конкуренция заставляет тех и других работать как можно быстрее и при этом тщательнее. Кроме того, члены двух коллективов учатся друг у друга. Хорошая идея обязательно найдет себе дорогу в обоих экспериментах, хотя, вероятно, реализована будет по–разному. В основе решения о строительстве двух экспериментальных установок с общими целями лежит, вероятно, стремление обеспечить условия для конкуренции и сотрудничества, а также своеобразное желание «подстраховаться», запустив два независимых проекта со сходными целями, опирающиеся на немного разные устройства.

Меня часто спрашивают, когда БАК будет проводить мои эксперименты и искать подтверждения моделей, предложенных моими коллегами и мной. Ответ — прямо сейчас, но одновременно там ищут и подтверждения всех остальных предположений. Помощь теоретиков заключается в том, что они предлагают новые объекты и новые стратегии поиска. Цель наших исследований — определить, какие физические элементы или взаимодействия присутствуют на более высоких энергиях, чтобы физики могли отыскать, измерить и интерпретировать результаты и получить таким образом новые представления о фундаментальной реальности, какой бы она ни оказалась. Только после получения всех данных экспериментаторы, разбитые на команды, начинают разбираться, подтверждает ли полученная информация мои модели (или любые другие потенциально интересные модели) или отвергает их.

РИС. 32. Детекторы ATLAS и CMS в разрезе. Обратите внимание на то, что общие размеры даны в разных масштабах

Затем теоретики и экспериментаторы проверяют записанные данные и смотрят, не подтверждают ли они какую?нибудь конкретную гипотезу. Хотя многие частицы живут лишь ничтожные доли секунды и мы не можем увидеть их непосредственно, физики–экспериментаторы при помощи цифровых данных восстанавливают «картинку» и стараются установить, какие частицы составляют основу вещества и как они взаимодействуют. Учитывая сложность детекторов и самих данных, можно сделать вывод, что информации потребуется много. Остальная часть этой главы поможет вам представить, какой будет эта информация.

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.