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

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.

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.)