Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира - Шон Кэрролл

Когда два протона летят навстречу друг другу, они оба движутся вдоль пучковой трубы, поэтому их суммарный импульс в направлении, перпендикулярном к пучку, будет равен нулю. Общий импульс системы сохраняется, поэтому он должен быть равен нулю и после столкновений. Следовательно, мы можем измерить импульсы зарегистрированных частиц, и если их сумма не равна нулю, значит там были нейтрино, двигавшиеся в другую сторону, и их суммарный импульс должен компенсировать импульс зарегистрированных частиц. Этот метод называется методом «недостающего поперечного импульса» или просто «недостающей энергией». Мы, возможно, не знаем, сколько образовалось нейтрино, унесших недостающий импульс, но это часто можно понять, определив, какие еще частицы были произведены. (Например, в результате действия слабых сил создается не только мюон, но и мюонное нейтрино.)

Остается мюон, который является одной из самых перспективных частиц с точки зрения экспериментов на БАКе. Как и электроны, мюоны оставляют легко узнаваемые электрические следы, и их траектории искривляются в магнитном поле. Но они в двести раз тяжелее электрона. Это означает, что они могут распадаться на более легкие частицы. Их время жизни довольно велико. В отличие от еще более тяжелых тау-лептонов мюоны, как правило, живут так долго, что успевают добраться до конца детектора. Мюон продирается через все его слои подобно тяжелому джипу, проезжающему по пшеничному полю. Как и джип, мюон на своем пути оставляет легко узнаваемый след.

Мюоны проникают глубоко в обычное вещество как жесткое рентгеновское излучение. Это свойство нашло интересное применение несколько лет назад благодаря Луису Альваресу, который получил Нобелевскую премию за открытие разных адронов на Беватроне. Альварес заинтересовался египетскими пирамидами, и, в частности, большими пирамидами фараона Хеопса и его сына Хефрена, которые расположены недалеко друг от друга в Гизе. Пирамида Хеопса – Великая пирамида – раньше была еще на 7 м выше, но под действием внешних воздействий осела и стала немного ниже, чем пирамида Хефрена. Внутри пирамиды Хеопса имеются три камеры, в то время как в пирамиде Хефрена, кроме погребальной камеры на уровне земли, других помещений не обнаружили. Это различие долгие годы не давало археологам покоя, и многие из них предполагали, что в пирамиде Хефрена имеются скрытые камеры.

Альваресу, блестящему физику, любящему разгадывать головоломки, пришла в голову мысль заглянуть внутрь пирамиды Хефрена, используя мюоны космических лучей. Это был бы не особо точный эксперимент, но так можно было бы отличить сплошной твердый камень от пустой камеры. Команда Альвареса, состоявшая из египетских и американских физиков, собрала детектор мюонов и поместила его в единственной обнаруженной в пирамиде камере, расположенной в нижней части пирамиды. По плану физики должны были попытаться подсчитать количество мюонов, поступающих в детектор под различными углами. Если бы в пирамиде имелись скрытые пустоты, в определенных направлениях поглощение мюонов было бы меньшим, и в детектор попало бы их больше. Дело происходило в 1967 году, и как раз накануне того дня, на который был назначен эксперимент, вспыхнула арабо-израильская война. Тут уж было не до физики. Эксперимент пришлось отложить. Но в конце концов война кончилась, детектор заработал – и обнаружил, что в пирамиде никаких пустот нет. А ученые-то надеялись, что в ней есть другие камеры! Так и осталось загадкой, почему конструкция пирамиды сына заметно проще, чем пирамиды отца.

При конструировании детекторов ATLAS и CMS ставилась задача извлечь максимальное количество информации из наблюдаемых столкновений частиц. Оба детектора имеют четыре слоя, причем каждый слой предназначен для вполне конкретных целей. В центре помещается внутренний детектор, его окружает электромагнитный калориметр, который, в свою очередь, окружает адронный калориметр и, наконец, самый внешний слой представляет собой мюонный детектор. Все частицы, полученные в результате столкновений, пролетят последовательно разные слои, пока в конце концов не будут либо пойманы, либо выпущены наружу в свободное пространство.

Задача внутреннего детектора – внутреннего слоя «луковицы» – выполнять функцию «трекера» – датчика, обеспечивающего поточечную информацию о траекториях заряженных частиц, образованных при столкновении. Это нелегкая работа: каждый квадратный сантиметр датчика бомбардируется десятками миллионов частиц в секунду. Он должен отследить все, что в него попадает, и при этом выдержать неслыханную интенсивность радиационного облучения. На самых первых чертежах детектора CMS его центральная область оставлена пустой – физики тогда не верили, что можно построить точный инструмент, который выдерживал бы такой нагрев. К счастью, потом до них дошли слухи, что военные уже придумали электронные датчики, умеющие работать в таких суровых условиях, и это очень вдохновило физиков. В конечном итоге им удалось понять, как «сделать крепче» нежную и хрупкую промышленную электронику, вовсе не предназначенную для работы под такими радиационными нагрузками.

Схематическое изображение детектора общего назначения, такого как ATLAS или CMS. В центральной части находится внутренний детектор, фиксирующий треки заряженных частиц. Дальше идет электромагнитный калориметр, улавливающий фотоны и электроны; за ним – адронный калориметр, который ловит адроны, и мюонный детектор.

Внутренние детекторы ATLASа и CMSа – сложные многокомпонентные машины со слегка различными функциями. Внутренний детектор в ATLASе, например, состоит из трех различных приборов – пиксельного детектора невероятно высокого разрешения, полупроводникового трекера, изготовленного из кремниевых полосок, и трекера переходного излучения, изготовленного из позолоченной вольфрамовой проволоки, помещенной внутри тонких дрейфовых трубок – и называют «строу» (соломинки). Задача внутреннего детектора – как можно точнее регистрировать траектории вылетающих частиц и восстанавливать местоположение точек, в которых произошло взаимодействие и из которых эти частицы вылетели.

Поперечное сечение детектора, схематически демонстрирующее поведение разных частиц. Внутренний детектор не чувствует нейтральные частицы вроде фотонов и нейтральных адронов, а заряженные частицы оставляют там искривленные следы. Фотоны и электроны захватываются электромагнитным калориметром, а адроны улавливаются адронным калориметром. То же самое происходит с мюонами во внешнем детекторе, а вот нейтрино не удается поймать ни одному детектору, и они беспрепятственно улетают. В детекторе CMS трек мюона закручивается в противоположном направлении, поскольку магнитное поле направлено в противоположную сторону.