Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Шрифт:
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
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 [4] , 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.
4
Вымышленный городок в Северной Каролине, фигурирующий
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.