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

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.

В самой глубине детектора, ближе всего к зоне взаимодействия, располагаются так называемые трекеры. Их задача — точно зафиксировать положение вылетающих из зоны заряженных частиц, чтобы затем можно было восстановить траекторию каждой частицы и измерить импульс. И в CMS, и в ATLAS трекеры включают в себя несколько концентрических компонент.

Ближайшие к пучку и зоне взаимодействия слои состоят из самых мелких сегментов и обеспечивают большую часть данных. В этом слое, который начинается в нескольких сантиметрах от протонной трубки, располагаются кремниевые пиксели с крохотными датчиками. Их задача — чрезвычайно точное фиксирование положений частиц возле самой точки взаимодействия, где плотность потока частиц максимальна. Кремний используется в современной электронике потому, что на каждом крохотном его кусочке можно вытравить множество тонких элементов, и детекторы элементарных частиц используют его по той же причине. Пиксельные элементы CMS и ATLAS способны отслеживать пролет заряженных частиц с чрезвычайно высоким разрешением. Соединяя пиксели друг с другом и с точкой взаимодействия, из которой разлетаются частицы, экспериментаторы очень точно восстанавливают траектории, по которым проходят частицы во внутренней области детектора в непосредственной близости от пучка.

Первые три слоя детектора CMS — от самого внутреннего до радиуса 11 см — состоят из пикселей размером 100 х 150 мкм; всего таких пикселей 66 млн. Внутренний пиксельный детектор ATLAS не менее точен. Самая мелкая единица внутренней части детектора, с которой можно считать информацию, имеет размер 50 х 400 мкм; полное число таких пикселей в ATLAS — около 82 млн, то есть немного больше, чем в CMS.

Пиксельным детекторам с их десятками миллионов ячеек необходима сложная электронная система, обеспечивающая надежное и своевременное считывание информации. Быстродействие и масштабы системы считывания, а также сильнейшее излучение, которому будут подвергаться элементы внутренних детекторов, — вот главные технические проблемы, которые пришлось решать при создании обеих установок [рис. 35).

Внутренние трекеры состоят из трех слоев; соответственно, для каждой достаточно долго живущей заряженной частицы, проходящей сквозь них, фиксируется по три точки. Начатые здесь треки будут продолжены в следующих слоях и в конце концов дадут устойчивый след, который можно будет однозначно соотнести с какой‑то определенной частицей.

Мы с Мэттью Бакли уделили серьезное внимание геометрии внутренних трекеров. Мы поняли, что по случайному совпадению некоторые возникшие при столкновении новые заряженные частицы, распадающиеся через слабое взаимодействие до своих нейтральных партнеров, оставят после себя след длиной всего несколько сантиметров. Это означает, что в этих особых случаях их путь целиком будет лежать в пределах толщины внутреннего трекера, и помимо считанной здесь информации ничего об этих частицах известно не будет. Мы рассмотрели дополнительные трудности, с которыми столкнутся экспериментаторы в подобных ситуациях — ведь им придется опираться только на данные с пикселей самых глубоких слоев внутреннего детектора.