Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Кэрролл Шон

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.