Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

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.

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.