Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ

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.