Мы узнаем, как обнаружить новые частицы, сталкивая уже известные частицы на огромных скоростях и наблюдая за тем, что происходит.

В детстве я увлекался разными науками, но только две вещи действительно захватили меня: физика и динозавры. (В свои двенадцать лет я не знал слова «палеонтология».) Время от времени у меня случался флирт с другими науками, но отношения никогда не заходили слишком далеко. Например, я с удовольствием развлекался с подаренным мне детским химическим набором, но в основном поджигал реактивы и никогда не испытывал особенного счастья от получения новых соединений в строго контролируемых условиях.

Другое дело динозавры! Это был настоящий роман. Мой дед брал нас с братом в музей штата Нью-Джерси, расположенный в Трентоне, где мы быстро проскальзывали мимо скучных артефактов и исторических выставок, но замирали перед зловеще нависающими огромными скелетами. Я никогда всерьез не связывал свое будущее с палеонтологией, но каждый ученый из тех, что я знаю, в душе согласен, что динозавры – это по-настоящему круто.

Вот почему я был взволнован, когда меня, уже вполне взрослого, преподавателя Университета Чикаго, пригласили поучаствовать в экспедиции по поискам динозавров. Большинство палеонтологических экспедиций прекрасно могут обойтись без физиков, но эта экспедиция была организована под эгидой некоммерческого Исследовательского проекта, предназначенного для того, чтобы увлечь наукой детей и представителей национальных меньшинств. То было специальное мероприятие для друзей организации, и меня пригласили для участия в различного вида научно-просветительских мероприятиях, связанных с экспедицией. Признаться, мне было совершенно неважно, чем там заниматься – хоть мыть посуду, я был согласен на все, лишь бы мне разрешили раскапывать кости динозавров, ведь это была мечта моего детства.

И мы нашли их – в районе геологической формации Моррисон, недалеко от городка Шелл (штат Вайоминг) с населением около 50 человек. Земля Моррисона набита окаменелостями юрского периода, и мы коротали теплые деньки, бодро выкапывая образцы камаразавра, трицератопса и стегозавра. Слово «выкапывать» может дать преувеличенное представление о достижениях нашей – в основном любительской – команды. По большому счету мы лишь нашли место, где имело смысл копать, и оставили его для другой экспедиции, которая должна была довести дело до конца.

Это был полезный опыт – я многому научился, и прежде всего понял, что заниматься теоретической физикой гораздо легче, чем палеонтологией. А еще я нашел ответ на вопрос, который не давал мне покоя в течение многих лет: чем отличается кусок окаменевшей кости от окружающей его горной породой? В течение миллионов лет эта кость всасывала минералы из окружающей скальной породы, пока в конце концов не превратилась почти в настоящий камень. Так как отличить одно от другого?

Ответ: с помощью очень тщательного анализа. У экспертов-палеонтологов есть, конечно, приемы, отточенные за годы их работы и позволяющие увидеть тонкие градации цвета и текстуры тканей, которые ускользают от внимания непосвященных. Приведите группу любителей к месту залегания ископаемых остатков динозавра, и, несомненно, самый частый вопрос, который вы услышите, будет: «А этот кусок – кость?». На него всегда есть однозначный правильный ответ, и эксперты почти всегда могут его найти.

В то время как работа по поиску костей динозавров очень далека от повседневной жизни физиков-теоретиков, сходство с экспериментальной физикой элементарных частиц очевидно. Мы говорим кратко: на Большом адронном коллайдере мы «увидели бозон Хиггса», но в реальности все не так просто. Мы никогда не видели бозонов Хиггса, и вероятность его увидеть не больше, чем вероятность встретиться с динозавром на улице. Век бозонов Хиггса очень недолог – едва ли хоть один из них переживет одну десятимиллиардную одной триллионной доли секунды. Это слишком мало, чтобы успеть поймать его даже с помощью такого технологического чуда, как все детекторы БАКа. (Время жизни прелестного кварка – одна триллионная секунды, и это предельное время жизни, за которое еще частицу можно успеть засечь, а время жизни бозона Хиггса равно одной десятимиллиардной этого значения.)

Вот почему мы надеемся найти лишь свидетельства того, что бозон Хиггса существовал, – в виде появления других частиц, возникающих при его распаде. Если продолжить аналогию с динозаврами, мы ищем окаменелости.

В предыдущей главе мы говорили об ускорителе БАК, который гоняет сотни миллиардов протонов по круговым траекториям в тоннеле, расположенном в пригороде Женевы. В этой главе мы поговорим о массивных детекторах, установленных в определенных помещениях по всему кольцу, где в сериях частых взаимодействий протоны приводятся в столкновение. В полученных данных, касающихся какого-то отдельного события, мы могли бы, например, обнаружить две струи сильно взаимодействующих частиц или высокоэнергетичную мюон-антимюонную пару. Вопрос: все это возникло при распаде бозона Хиггса или от чего-то еще? Методика правильной идентификации этих «окаменелостей» представляет собой сочетание научных методов, технических приемов и черной магии. Они и лежат в основе охоты на бозон Хиггса.

 

Идентификация частиц

Физика элементарных частиц подобна работе следователей. Прибывшие на место преступления детективы редко находят там видеозапись с кадрами, на которых запечатлен преступник в момент убийства, нечасто их ждут и непротиворечивые показания очевидцев или подписанные преступником признания. Скорее всего, есть несколько разрозненных улик: там – фрагменты отпечатков пальцев, здесь крошечный образчик ДНК. Самая сложная часть работы – сложить эти фрагменты вместе и восстановить полную картину преступления.

Аналогично, когда физик-экспериментатор, работающий с элементарными частицами, анализирует результаты, полученные на коллайдере, он и не надеется увидеть приколотый к частице значок, на котором написано: «Я – бозон Хиггса!». Мы уже говорили, что бозон Хиггса быстро распадается на другие частицы, поэтому у нас должно быть четкое представление о том, какими эти частицы должны быть, а это – задача для теоретиков. А экспериментаторы сталкивают протоны друг с другом и смотрят, что получается. Большая часть внутренности детектора частиц заполнена материалом, проходя через который частицы оставляют следы. Конечно, не все частицы так делают: например, нейтрино не чувствуют ни электромагнитное, ни сильное взаимодействие, поэтому они не оставляют никаких следов, и нам приходится напрячь умственные способности, чтобы их обнаружить.

К сожалению, и треки частиц, которые мы все-таки наблюдаем, тоже не снабжены табличками с надписями: «Я мюон, и лечу со скоростью, равной 0,958 от скорости света!». Мы сами должны определить, что за частицы возникли в результате столкновений и что это означает для процессов, благодаря которым стало возможным рождение этих частиц. Мы должны знать, был ли этот мюон произведен в результате распада хиггсового бозона, Z-бозона, или каких-либо еще подозреваемых. И при этом сами частицы совершенно не горят желанием сделать чистосердечное признание.

Хорошей новостью является то, что общее число частиц в Стандартной модели относительно невелико, так что у нас набирается не слишком много подозреваемых, которых придется проверять. В этом смысле мы больше похожи на шерифа из Мэйберри, чем на детектива с Манхэттена. У нас есть шесть кварков, шесть лептонов и несколько бозонов: фотоны, глюоны, W– и Z-бозоны, и, наконец, сам бозон Хиггса. (Гравитоны по существу никто никогда не видел, потому что гравитация – очень слабое взаимодействие.) Определив массу и заряд частицы, а также то, чувствует ли она сильное взаимодействие, мы почти наверняка однозначно идентифицируем ее. И задача экспериментатора – отследить как можно точнее треки частиц, образующихся при столкновении, а также определить их массы, заряды и взаимодействие с другими частицами. Это позволит нам воспроизвести основной процесс, который вызвал всю эту неразбериху.

Определить, ощущает частица сильные взаимодействия или нет, довольно легко, поскольку по счастливому стечению обстоятельств эти взаимодействия являются по-настоящему сильными. Кварки и глюоны оставляют совершенно не такие следы в детекторе, как лептоны и фотоны. Они быстро группируются и запирают себя в различные виды адронов – либо в комбинации из трех кварков, так называемые «барионы», либо в пары из одного кварка и одного антикварка – «мезоны». Эти адроны лихо врезаются в атомные ядра, поэтому их легко отличить. На самом деле, когда вы производите один кварк или глюон с высокой энергией, сильные взаимодействия, как правило, приводят к тому, что они превращаются в целый букет адронов, называемый «струей» или «джетом». Соответственно, очень легко увидеть, что был получен кварк или глюон, но выяснить его точные свойства немного сложнее.

Зато с помощью волшебных магнитных полей довольно легко выяснить, какой у частицы электрический заряд. Детекторы БАКа, как и его туннель, заполнены разными магнитными полями, которые направляют частицы в разных направлениях. Если движущаяся частица отклоняется в одном направлении, она имеет положительный заряд, если в другом – ее заряд отрицательный, ну, а если частица движется по прямой, значит, она нейтральна.

 

Детекторы бака

Когда Карл Андерсон в 1930-х годах открыл позитрон, он сделал это с помощью облачной камеры, имевшей около 1,5 м в поперечнике и весившей 2 т. Детекторы БАКа немного больше. Два крупнейших детектора – мастодонты, предназначенные для поисков бозона Хиггса, – называются ATLAS (аббревиатура слов A Toroidal LHC Apparatus – Тороидальный детектор БАКа) и CMS (Compact Muon Solenoid – Компактный мюонный соленоид). Они расположены на противоположных сторонах кольца, причем ATLAS – недалеко от основного здания ЦЕРНа, а CMS – за границей, во Франции. Слово «компактный» применимо к детектору CMS, конечно, условно – его длина около 22 м, а вес – около 13 800 т. ATLAS больше по размеру, но легче – в длину примерно 43 м, а вес – всего 7700 т. Это своего рода масштаб, показывающий, как глубоко нужно «копать», чтобы «выкопать» скрывающийся от нас бозон Хиггса.

На БАКе имеется еще пять других детекторов («экспериментов»): два из них имеют средний размер – ALICE и LHCb, и три маленьких – TOTEM, LHCf и MoEDAL. LHCb специализируется на изучении распадов прелестных кварков, которые используются для точных измерений. Детектор ALICE (A Large Ion Collider Experiment) сконструирован для изучения столкновений тяжелых ядер, а не протонов, чтобы воспроизвести процесс образования кварк-глюонной плазмы, заполнившей Вселенную сразу после Большого взрыва. Вот почему церновский ускоритель – Большой «адронный» коллайдер, а не Большой «протонный» коллайдер – один месяц в году БАК ускоряет и сталкивается ионы свинца вместо протонов. ТОТЕМ (TOTal Elastic and diffractive cross-section Measurement), расположенный недалеко от CMS, изучает внутреннее строение протонов и будет проводить точные измерения вероятности их взаимодействий друг с другом. Детектор LHCf («f» означает «forward» – «вперед»: имеется в виду рассеяние вперед нейтральных частиц) сконструирован для того, чтобы с помощью выбросов частиц при столкновениях изучать условия, в которых космические лучи распространяются через атмосферу. Он гораздо меньше по размеру, чем другие детекторы, и состоит из двух калориметров, расположенных по обе стороны ATLASа. Детектор MoEDAL (Monopole and Exotics Detector At the LHC) специализируется на поиске очень необычных частиц.

Именно два самых больших детектора, ATLAS и CMS, играют ведущую роль в охоте на бозон Хиггса. В отличие от небольших детекторов, которые предназначены для весьма конкретных целей, эти два детектора сделаны для того, чтобы сталкивать протоны друг с другом, смотреть на то, что получается в результате, и стараться как можно точнее определить, что происходит при столкновениях. Конструкторы двух детекторов по-разному подошли к проблемам дизайна, но возможности установок в конечном итоге оказались сопоставимыми. Само собой разумеется, иметь два детектора несоизмеримо полезнее, чем один, – открытие, сделанное на одном из детекторов, не будут принято всерьез, пока другой не подтвердит его.

Трудно ощутить необъятность CMS или ATLAS, не увидев их воочию, и в этом я смог убедиться, посетив их еще в стадии строительства. Человек настолько мал по сравнению с этими машинами, что на фотографиях его не замечаешь, пока кто-то специально не укажет. Но поражают не только размеры детектора, но и сложность их устройства. Каждый элемент важен, причем, учитывая международный характер коллабораций, вполне вероятно, что два соседних элемента изготовлены в лабораториях, расположенных в противоположных концах земного шара.

Детектор CMS расположен достаточно далеко от ЦЕРНа – нужно ехать на машине, и довольно долго, но в свое время геологоразведка показала, что рядом с ЦЕРНом есть только одно место для детектора, и в нем установили более громоздкий детектор ATLAS. CMS – чрезвычайно плотная и компактная конструкция из металла, кристаллов и проволоки. Размер основных магнитов CMS – самых мощных из всех когда-либо сконструированных магнитов такого типа – пришлось ограничить 7 м в поперечнике по очень прозаической причине: конструкции большего размера не поместились бы на грузовик, который мог проехать по улицам Сесси – крошечного французского городка, рядом с которым расположился детектор. (На странице Википедии, посвященной Сесси, явно написанной физиками, работающими на CMS, содержится совет пообедать в местной пиццерии, и предупреждение, что «обслуживание может затянуться, так что туда не стоит идти, если вы торопитесь».) Вообще финансовые ограничители, наряду с логистическими, сыграли решающую роль в проектировании и строительстве: например, латунь на гигантские цилиндрические торцевые крышки, закрывающие оба торца детектора, была получена из отходов от утилизации российских артиллерийских снарядов. Важной частью детектора являются 78 000 сцинцилляторов – кристаллов вольфрамата свинца, которые выращивали в России и Китае целых десять лет, поскольку каждый искусственный кристалл растет около двух дней.

Однако чаще всего на рекламных фотографиях БАКа изображен не CMS, а ATLAS, и по простой причине: он очень фотогеничен и выглядит как инопланетный корабль. Отличительной особенностью детектора являются восемь гигантских тороидальных магнитов, которые и дали свое имя детектору. Вы могли бы не признать в магните ATLASа классический «тор», похожий на бублик. Магниты детектора – это конструкция из труб, имеющая скорее прямоугольную форму со скругленными углами. Но физики учатся у математиков-топологов, для которых важны общие закономерности, а не конкретные формы, и для них тором является любой изогнутый цилиндр, у которого торцы совпадают. В ATLASе тороиды создают гигантскую область, в которой магнитное поле огромно, используемую для отслеживания высокоэнергетичных мюонов, созданных во внутренних областях детектора. Когда магниты включены, общий запас энергии в них составляет более одного миллиарда джоулей – эквивалент примерно 150 кг тротила. К счастью, это не опасно – взрыв с высвобождением этой огромной энергии невозможен, поскольку нет способа ее высвободить. (Энергия не представляет опасности, если нет способа ее сбрасывания. Например, энергия покоя яблока эквивалентна примерно миллиону тонн тротила, но это не очень опасно до тех пор, пока вы не приведете в соприкосновение ваше яблоко и антияблоко.)

Огромный геометрический размер детекторов ATLAS и CMS вполне соответствует численности коллабораций, которые построили их и работают там. Это примерно две одинаковые группы, примерно 3000 ученых в каждой, представляющих более 170 учреждений из 38 стран. Вся группа никогда не собирается в одном месте в одно и то же время, но различные подгруппы находятся в постоянном контакте, непрерывно обмениваясь письмами и устраивая видеоконференции.

Если есть две большие коллаборации, ведущие очень похожие эксперименты по изучению одних и тех же явлений, значит ли это, что они конкурируют друг с другом? И вы еще спрашиваете? Разумеется, между командами двух детекторов идет постоянное соревнование за приоритет в открытии, и ставки тут очень высоки. И поскольку сами команды очень большие, существует конкуренция и внутри команды каждого детектора, так как физики – члены команды – борются за командные места, а также пытаются доказать превосходство своих способов анализа данных над другими.

Но система работает. Эта гонка может привести у некоторых ученых к расшатыванию нервной системы и потере сна, но дружеское соперничество, существующее между группами и внутри них, помогает получать первоклассные научные результаты. Каждый хочет быть первым, но никто не хочет ошибиться, и в условиях такой конкуренции если кто-то проявит небрежность или нечестность, его быстро выведут на чистую воду. Профессиональная квалификация хорошо подобранных коллабораций CMS и ATLAS – одна из главных причин того, почему мы можем доверять любым результатам, которые подтверждают обе команды. В том числе, и в особенности – открытию бозона Хиггса.

 

Сталкиваем протоны

Задача этих гигантских детекторов – выяснить, что происходит, когда сталкиваются два протона с огромными энергиями. Протон – не бесконечно малая частица и не нерасчленимая капля материи. Он состоит из множества сильно взаимодействующих элементов. Мы часто говорим: «Протон состоит из трех кварков», но это не совсем точно. Два верхних кварка и один нижний, которые делают протон протоном, называются «валентными кварками». В дополнение к этим валентным кваркам, как предсказывает квантовая механика, в протоне есть большое количество «виртуальных частиц», которые постоянно то появляются, то исчезают – это глюоны, а также пары кварк-антикварк. Именно энергия, содержащаяся в этих виртуальных частицах, объясняет, почему протоны намного тяжелее, чем валентные кварки, определяющие их идентичность. Трудно точно сосчитать, сколько виртуальных частиц там находится, так как количество зависит от того, насколько подробно мы их рассматриваем. (Так утверждает квантовая механика.) Но число валентных кварков остается фиксированным. Если посчитать общее количество верхних кварков внутри протона в любой момент времени, оно всегда будет ровно на два больше, чем количество верхних антикварков, аналогично число нижних кварков всегда на единицу больше количества нижних антикварков.

По существу, протон в БАКе – это мягкий мешочек, набитый кварками, антикварками и глюонами, движущийся по кругу в пучковой трубе со скоростью, близкой к скорости света. Ричард Фейнман назвал все частицы, составляющие протоны, «партонами». Согласно теории относительности, объекты, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, укорачиваются в направления движения. Таким образом два протона, сталкивающиеся внутри детектора, напоминают плоские блины, нашпигованные партонами и налетающие друг на друга. На самом деле, когда один протон взаимодействует с другим, это означает лишь, что один из партонов одного протона взаимодействует с партоном другого протона. В результате трудно точно узнать, сколько энергии выделилось в столкновении, поскольку мы не знаем, какие партоны провзаимодействовали.

Изображение двух протонов, подлетающих друг к другу в эксперименте на БАКе. Обычно они имеют сферическую форму, но, поскольку протоны летят со скоростью, близкой к скорости света, из-за релятивистских эффектов они превращаются в блины. Внутри протонов находятся партоны, включающие кварки (черные кружки), антикварки (пустые кружки) и глюоны (закорючки). Кварков на три больше, чем антикварков, – это «валентные кварки». Все остальные партоны – виртуальные частицы.

Условия внутри детектора ВАКа могут стать довольно напряженными. Есть около 1400 банчей протонов в каждом пучке, и банч, перемещающийся в одном направлении, проходит внутри детектора мимо банча, движущегося в другом направлении около 20 миллионов раз в секунду. В каждом сгустке около 100 миллиардов протонов, так что есть очень много частиц, готовых к взаимодействию. Тем не менее, даже несмотря на то, что банчи имеют довольно маленькие размеры (около 2,5 тысячных сантиметра в поперечнике), они по-прежнему огромны по сравнению с размером протона. Основной объем банча – это пустое пространство. Каждый раз, когда пучки скрещиваются, между миллиардами протонов происходит всего лишь пара десятков взаимодействий.

Но пара десятков взаимодействий – это уже много. При одном столкновении двух протонов часто испускается поток всевозможных частиц, до 100 адронов в одном событии. Поэтому мы можем столкнуться с опасностью «наложения» – когда много событий внутри детектора происходят одновременно, и трудно понять, что произошло и где. Вот почему CMS и ATLAS должны максимально задействовать существующие в настоящее время технологические и вычислительные мощности. Чем больше столкновений, тем лучше, потому что это означает больше данных, но с другой стороны, если получить слишком много столкновений одновременно, невозможно понять, что произошло.

 

Частицы в детекторах

Конструкция детектора частиц определяется природой самих частиц. А какие частицы могут образоваться при столкновении? Только частицы Стандартной модели, которые мы уже знаем и любим, а именно: шесть кварков, шесть лептонов и различные бозоны – переносчики взаимодействий. (Мы надеемся получить и совершенно новые частицы, но они почти наверняка будут распадаться на частицы Стандартной модели.) Так что для того, чтобы объяснить логику конструирования детекторов, мы должны рассмотреть возможности образования различных частиц, понять, каким способом их можно обнаружить и правильно идентифицировать. Давайте пройдемся по списку.

 

Кварки

Кварки рассмотрим все вместе, поскольку они никогда не встречаются поодиночке – они заперты внутри адронов. Но в столкновении может образоваться пара кварк-антикварк, и две частицы быстро разбегутся в противоположных направлениях. В этом случае происходит следующее: включается сильное взаимодействие, и вокруг исходных частиц сгруппируются осколки адронов. В детекторе этот процесс будет соответствовать появлению упомянутых выше «струй». Задача аналитиков заключается не только в обнаружении образовавшихся адронов, (что является относительно простой задачей), но и в воссоздании истории образования отдельных струй, что не просто. Определение вида родившегося кварка может оказаться страшно трудной задачей, хотя для ее решения используются разные трюки. Например, прелестные кварки живут достаточно долго и до распада пролетают крошечное, но конечное расстояние. В результате частицы при распаде прелестного кварка возникают с небольшой задержкой по отношению к моменту основного столкновения, и эта задержка используется для их идентификации, даже если их собственные треки напрямую не наблюдаются.

 

Глюоны

Хотя глюоны являются бозонами, а не фермионами, они тем не менее сами чувствуют сильные взаимодействия, так что тоже проявятся в детекторе в виде струи адронов. Некоторое отличие состоит в том, что единичный глюон создать можно – например, его может выплюнуть какой-нибудь кварк, а вот новорожденные кварки всегда рождаются в паре с антикварками. Так что если вы видите три струи в событии, это означает, что в соударениях была создана пара кварк-антикварк и глюон. Сау Лан Ву и ее коллеги впервые установили, что глюоны реально существуют, использовав именно такие события.

 

W-бозоны, Z-бозоны, тау-лептоны, бозоны Хиггса

Эти совершенно разные частицы объединены в одну группу по одной простой причине: они очень тяжелые и поэтому недолговечные. Все они быстро распадаются на другие частицы, причем настолько быстро, что детекторы их зарегистрировать не могут, и судить о существовании этих частиц приходится, анализируя то, на что они распались. Из этого списка тау-лептоны имеют самое большое время жизни и при благоприятных условиях смогут прожить достаточно долго, чтобы их можно было идентифицировать.

 

Электроны и фотоны

Эти частицы проще всего и зарегистрировать, и точно измерить их свойства. Они не фрагментируются в струи, в которых трудно разобраться, как кварки и глюоны, зато охотно взаимодействуют с заряженными частицами в материале детектора, создавая электрический ток, который просто измерить. К тому же их просто отличить друг от друга, поскольку электроны (и позитроны – их античастицы) электрически заряжены и, следовательно, подвержены влиянию магнитного поля, в то время как фотоны нейтральны и двигаются беспрепятственно по прямой.

 

Нейтрино и гравитоны

Эти частицы не чувствуют ни сильного взаимодействия, ни электромагнитного поля. Следовательно, практически нет никакого способа зарегистрировать их в детекторе, и они просто пролетают сквозь него незамеченными. Гравитоны появляются только при гравитационном взаимодействии, а оно столь слабое, что в коллайдере гравитоны не рождаются, и мы выбросим из головы. (В некоторых экзотических теориях утверждается, что гравитация при высоких энергиях велика, то есть что рождение гравитонов в коллайдере возможно. Конечно, такая вероятность принимается во внимание.) Нейтрино, однако, рождаются при слабых взаимодействиях, причем постоянно. Они – единственные частицы Стандартной модели, которые нельзя обнаружить, хотя они вполне способны появиться в столкновениях. Таким образом, выработалось простое правило: все, что не обнаруживается, можно считать нейтрино.

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.)

 

Мюоны

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.

 

Многослойные детекторы

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.

Следующие слои – это калориметры, электронные и адронные. «Калориметр» – забавное название для устройства, которое измеряет энергию, ведь слово «калория» ассоциируется с тем, что написано на упаковках пищевых продуктов. Электромагнитный калориметр способен поймать электроны и фотоны, заставив их провзаимодействовать с ядрами и электронами в веществе самого калориметра. Частицы, чувствующие сильное взаимодействие, обычно проходят электромагнитный калориметр насквозь и останавливаются только в адронном калориметре. Этот аппарат состоит из чередующихся слоев тяжелого металла, с которым взаимодействуют адроны, и слоев сцинтилляторов, в которых измеряется количество выделившейся энергии. Измерение энергии частиц – ключевой этап при определении типов частиц; с помощью этих измерений часто удается определить массу частицы, в результате распада которой родились пойманные адроны.

Самые внешние слои детекторов ATLAS и CMS – это мюонные детекторы. Мюоны имеют достаточно большой импульс, чтобы пробиться через калориметры. Его можно точно измерить с помощью гигантских магнитных камер, которые их окружают. Эти исследования важны, поскольку мюоны не создаются в результате сильных взаимодействий (так как они лептоны, а не кварки), и лишь в редких случаях – в результате электромагнитных взаимодействий (из-за того, что они такие тяжелые, проще образоваться электронам). Поэтому мюоны обычно возникают в результате слабых взаимодействий или же какого-то еще неизвестного механизма. Любой вариант интересен, и мюоны играют важную роль в поиске бозона Хиггса.

Теперь мы видим, почему конструкция детекторов ATLAS и CMS имеет структуру матрешки. Внутренние детекторы дают точную информацию о траекториях всех заряженных частиц, образовавшихся при столкновениях. Электроны и фотоны ловятся электромагнитным калориметром, где измеряется их энергия. Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, ждет та же участь, только уже в адронном калориметре. Мюоны беспрепятственно пролетают сквозь калориметры и попадают в мюонный детектор, где подвергаются тщательному изучению. Среди известных нам частиц только нейтрино пролетают незамеченными, и об их существовании мы можем судить только по недостающему импульсу. В целом это – гениальная схема, позволяющая выкачать всю возможную информацию из протонных столкновений на БАКе.

 

Избыток информации

На БАКе банчи протонов сталкиваются 20 миллионов раз в секунду. При каждом пересечении встречных пучков происходят десятки столкновений, так что возникает около миллиарда столкновений в секунду. Каждое столкновение – настоящий фейерверк из множества, до сотни и даже больше, частиц, выстреливающих в детектор. И тонко откалиброванные приборы внутри детекторов собирают точную информацию о том, что каждая из этих частиц делает.

Это очень большой объем информации. Запись единичного события столкновения на БАКе требует примерно одного мегабайта памяти. (А если оценить объем необработанных данных, то получится более 20 мегабайт, но умный алгоритм сжатия превращает их в один мегабайт.) Это объем большой книги, или объем оперативной памяти в операционной системе космического шаттла. Жесткий диск достаточно мощного современного домашнего компьютера может хранить терабайт данных, или миллион мегабайт. Сравните – объем всех книг Библиотеки Конгресса США составляет около 20 терабайт. Можно хранить информацию о миллионе событий, происшедших на БАКе, на одном таком обычном жестком диске. Это, конечно, звучит здорово, пока не вспомнишь, что в секунду происходит сотни миллионов таких событий, и нужно заполнять этой информацией тысячу жестких дисков в секунду. Не слишком удобно, даже если учесть, что ЦЕРН может позволить себе купить лучшие жесткие диски, чем те, что в обычном ноутбуке.

Если не считать БАКа, крупнейшая в мире база данных – по климату – имеется у Международного дата-центра в Германии. Она содержит около 6 петабайт данных или 6000 терабайт. Если записывать все данные, полученные на БАКе, объем этой базы данных был бы превышен за пару секунд. Итак, добро пожаловать в мир Больших Объемов Данных.

Очевидно, что хранение данных, получаемых на БАКе, (а также их передача и анализ) – невероятно серьезная проблема, которую надо решать, используя различные методы. Самый важный из них – одновременно и самый основной – не записывать все данные. Это стоит подчеркнуть: подавляющее большинство данных, собранных БАКом, мгновенно выбрасывается. У ученых нет выбора, поскольку просто нет возможности все это записать.

Вы можете подумать, что экономически эффективее было бы просто уменьшить количество получаемых данных, например, за счет снижения светимости БАКа. Но для физики элементарных частиц этот способ неприемлем – каждое столкновение важно, даже если мы не записали эти данные на диск. Причина в том, что квантовая механика – единственная теория, адекватно описывающая взаимодействия, в которых создаются эти частицы – предсказывает только вероятности определенных результатов. Когда мы сталкиваем два протона друг с другом, мы не знаем заранее, что произойдет в результате этого столкновения, и не можем выбрать интересующий нас сценарий, мы просто принимаем то, что выдаст нам природа. При этом большая часть того, что она выдает, нам не интересна, по крайней мере в том смысле, что это мы уже понимаем. Чтобы получить небольшое количество интересных событий, мы должны создать огромное количество всяких событий и оперативно отобрать из них самородки.

В этой связи, естественно, возникает еще одна проблема: как выяснить, является ли событие «интересным», и сделать это очень быстро, так, чтобы успеть решить, стоит ли его оставить или выбросить. Это работа триггера – одного из самых важных элементов детектора БАКа.

Триггер представляет собой сочетание аппаратных и программных решений. Триггер первого уровня выводит все данные со всех элементов детектора в электронный буфер и выполняет сверхбыстрое сканирование (примерно за микросекунду), чтобы решить, произошло ли что-то потенциально интересное в данном событии. Около десяти тысяч случаев из миллиарда получают добро на то, чтобы двигаться дальше. Триггер второго уровня во многом похож на врача скорой помощи, который проводит предварительную быструю диагностику, после чего отправляет пациента сдавать определенные анализы. Этот триггер представляет собой сложную программу, более точно исследующую характеристики события, чтобы можно было сосредоточиться на тех событиях, которые ею отмечены как требующие внимательного анализа. В конечном итоге остаются только несколько сотен из миллиона событий, ежесекундно происходящих на БАКе, но это наиболее интересные события.

Как вы можете догадаться, над вопросом о том, какие события нужно сохранить, а какие отбросить, ученые напряженно думают, и вокруг этого происходит много яростных споров. Естественно, все беспокоятся, не выбрасываются ли какие-то интересные события вместе с якобы бесполезными. Поэтому по мере улучшения экспериментальной техники и рождения новых теоретических идей физики в коллаборациях CMS и ATLAS постоянно совершенствуют свои триггеры.

 

Распределение данных

Даже после пропускания полученных данных через триггер все еще остается сто событий в секунду, каждое из которых занимает примерно мегабайт. Теперь это событие мы должны проанализировать. И под местоимением «мы» я подразумеваю тысячи членов коллабораций ATLAS и CMS (в которые я на самом деле не вхожу), работающих в разных учреждениях по всему миру. Физикам, анализирующим данные, нужно иметь доступ к ним, и тут встает проблема передачи информации. К счастью, она, эта проблема, возникла уже много лет назад, и физики и программисты упорно потрудились над тем, чтобы построить всемирную компьютерную сеть БАКа – GRID (ГРИД), которая соединяет вычислительные центры в 35 разных странах и использует комбинацию открытого Интернета и частных оптических кабелей. В 2003 году был установлен рекорд скорости передачи данных: больше терабайта информации удалось передать из ЦЕРНа в Калтех (США), то есть на расстояние более 8000 километров, за 30 минут. Это равносильно тому, что вы загрузите полнометражный художественный фильм за семь секунд.

Такая сумасшедшая скорость действительно необходима: в 2010 году четыре основных детектора на БАКе получили более 13 петабайт данных. ГРИД-система берет все эти данные и распределяет их между различными вычислительными центрами по всему миру. Она разделена на несколько уровней. Сам ЦЕРН является Уровнем 0. Есть одиннадцать центров Уровня 1, которые играют важную роль в просеивании и классификации данных, а также 140 центров Уровня 2, на которых выполняются конкретные задачи анализа. Таким образом, каждому физику в мире, желающему проанализировать данные с БАКа, совсем не нужно подключаться непосредственно к ЦЕРНу, рискуя обрушить Интернет навсегда.

Как известно, голь на выдумки хитра. Нас не должно удивлять, что уникальные проблемы хранения и передачи данных, поставленные физикой элементарных частиц, привели к не менее уникальным решениям. Одно из таких решений, найденное много лет назад, изменило стиль всей нашей жизни. Это – Всемирная паутина (World Wide Web), возникшая сначала в виде глобального гипертекстового проекта Тима Бернерса-Ли. Бернерс-Ли сформулировал свою идею в 1989 году. В то время он работал в ЦЕРНе, а сегодня Бернерс-Ли – директор консорциума World Wide Web. Итак, он подумал, что для физиков ЦЕРНа было бы полезно организовать доступ к различным видам информации, хранящейся на компьютерах, разбросанных по всему миру, и сделать это, используя систему гипертекстовых документов, связанных между собой с помощью гиперссылок. Таким образом, WWW – это система взаимосвязанных файлов, построенная на основе сети, позволяющей совместное использование данных. Сегодня мы называем ее Интернетом. Всемирная паутина, такая, какой мы ее знаем, и влияние, которое она оказывает на нашу жизнь, – несомненно, побочный продукт развития фундаментальных исследований в области физики элементарных частиц. Так что поблагодарим ЦЕРН за Интернет.

Фабиола Джанотти, итальянский физик, нынешний руководитель коллаборации ATLAS, сказала мне, что при первом включении БАКа самым приятным сюрпризом для нее стала даже не демонстрация работы ее детектора, хотя это было довольно впечатляюще, а то, что система передачи данных с самого начала функционировала безупречно. Правда, этот процесс не всегда шел уж совсем без сбоев. В сентябре 2008 года, вскоре после того, как первые частицы полетели по БАКу, компьютерная система детектора CMS была взломана группой, называвшей себя «Греческая команда безопасности». К счастью, хакеры не нанесли никакого реального ущерба. Они утверждали, что на самом деле действуют в интересах общества, а потому заменили страницу сайта детектора страничкой с издевательской надписью на греческом: «Мы снимаем с вас штаны сейчас, потому что не хотим видеть, как вы будете бегать голыми и пытаться спрятаться позже, когда начнется паника». Порядок был быстро восстановлен, инцидент не привел к задержке эксперимента, хотя, возможно, именно он заставил внимательно пересмотреть подход к системе интернет-безопасности во всем ЦЕРНе.

Сейчас сам БАК работает без сбоев, детекторы CMS и ATLAS функционируют на максимуме своих возможностей, данные быстро распределяются и анализируются в разных точках мира, все компоненты находятся в готовности для полномасштабной атаки на важные проблемы физики элементарных частиц. Одну новую частицу поймали, но на этом наши поиски не останавливаются.