Компьютерра PDA 17.07.2010-23.07.2010

Компьютерра

– В отчёте о работе LHC указано, что август планируется провести на режиме повышенной светимости. На что влияет повышение светимости?

– Светимость – это количество частиц в единицу времени на единицу площади. Размерность с^{– 1}·см^{– 2}. Проектная светимость 10³⁴ с^{– 1}·см^{– 2}. Сегодня - 10³⁰, и это соответствует восьми сгусткам. Это уже хорошо по сравнению с концом марта, когда коллайдер запустился - тогда было 10²⁷. Осенью будет 10³², и это будет соответствовать 800 сгусткам. А проектная - 2808 сгустков. Помимо этого, в будущем планируют улучшить фокусировку пучка перед экспериментальными точками.

– Что значит "улучшить

фокусировку"?

– Это значит, уменьшив поперечный размер пучка, фактически увеличить плотность частиц. Если плотнее пучок, и больше частиц, пролетающих в единицу времени через единицу площади, то при столкновении двух таких пучков количество событий будет больше. А, следовательно, и лучше статистика - физики хотят копить именно статистику. Даже если от столкновения двух частиц, на 7 ТэВ каждая, родится один бозон Хиггса (хотя и это сомнительно, ибо при сегодняшней светимости такого события можно ждать тысячи лет), этого будет недостаточно. Все определяется статистикой. Копить её необходимо для того, чтобы вероятность события стала близка к 100%. Никто никогда не поверит единичному событию, нужна повторяемость для построения статистического распределения. Для поиска того же бозона Хиггса на коллайдере существует не один участок: есть детектор ATLAS, на котором работают наши физики, есть CMS. В какой-то степени они дублируют друг друга. Физики - народ очень скептический и критический. Должна быть ясная картина. Иначе весь мир просто засмеет. Чтобы такого не произошло, должен быть накоплен большой интеграл событий.

– Насколько далеко ушёл LHC от Tevatron на сегодняшний момент?

– Пока не ушёл. На Tevatron светимость около 10³³, и пока CERN не выйдет на светимость, сравнимую с Tevatron, у него не будет такой статистики. Если сегодня у нас светимость 10³⁰, то проектная - 10³⁴. Когда её достигнут, скорость набора статистики будет в 10000 раз выше. На данный момент LHC обогнал американцев только по энергии. А что касается светимости, то весной было два сгустка, сейчас - восемь. На светимость 10³⁰ вышли в начале июля, в начале апреля она была 10²⁷, и с такой статистикой, как на Tevatron, реально конкурировать возможно будет только с осени. Год LHC проработает на сравнимых светимостях с Tevatron и на в 3,5 раза больших энергиях. Но теоретически уже на этих энергиях возможно найти бозон Хиггса, потому что по некоторым предсказаниям его масса лежит в районе 1 ТэВ. Tevatron ведь не просто так строился на 1 ТэВ, но оказалось, что им немножко не хватает энергии. Вполне возможно, что интересная физика на LHC будет в следующем году, а в этом - вряд ли. Сейчас идёт калибровка, отработка программного обеспечения, среды. Видны результаты столкновений, видны частицы, которые разлетаются.

– Расскажите, пожалуйста, о проектируемом линейном коллайдере.

– Об этом лучше пока не говорить, потому что до конца не уверены в целесообразности его строительства. Пока не будет все ясно с LHC, никто не даст отмашку для проекта CLIC (Compact Linear Collider). Известно, чего от него хотят, но неизвестно, будет ли он строиться, и если будет, то когда и где? Как в свое время долго решали, где построить ITER, и только несколько лет назад сошлись на том, что это будет юг Франции. Хотя это могли быть и Штаты, и Япония. То же самое с будущим коллайдером.

– Чем физика элементарных частиц может быть полезна в области космологии?

– Во Вселенной происходят и термоядерные реакции, и Землю бомбардируют частицы всех рангов, начиная от фотонов и кончая нейтрино. Более того, частицы, которые нас каждую секунду пронизывают, имеют в миллиарды раз большие энергии, чем те протоны, которые получают в LHC. Но нельзя взять "карманный" детектор и искать по всему земному шару места, где сталкиваются между собой эти частицы. Для этого и нужны коллайдеры, чтобы события были в известном месте, где можно уже поставить необходимый детектор. Тем не менее, сами космические частицы детектируют, и когда LHC ещё не давал столкновений, а ATLAS и CMS уже были построены, первые несколько месяцев они калибровались на частицах, которые летят из космоса. По тому, какой след они оставляли, определялось, какие это частицы, с какими энергиями. Поэтому, это примерно одна и та же наука. Более того, изначальная цель того же LHC – найти бозон Хиггса, который в свое время возник именно во время образования Вселенной, и является частицей, ответственной за массу.

Существует предположение, что все частицы в первые мгновения после Большого Взрыва

не обладали массой. С охлаждением Вселенной температура упала ниже некоторой критической величины, так что сформировалось так называемое поле Хиггса, ассоциированное с бозонами Хиггса. С распространением поля Хиггса во Вселенной любая частица, взаимодействуя с бозоном Хиггса, приобретала массу. Чем больше частица взаимодействовала в поле Хиггса, тем большей массой она наделялась. Эта теория приводит к решению, не противоречащему основным принципам Стандартной Модели. Проблема заключается только в том, что бозон Хиггса до сих пор не был найден, и масса его до сих пор неизвестна, что в свою очередь усложняет его идентификацию. Остается только последовательно рассматривать диапазон масс, которому предположительно принадлежит масса бозона Хиггса. Ожидается, что на Большом адронном коллайдере бозон Хиггса будет либо найден, либо будет показано, что его масса находится вне диапазона 14ТэВ.

– Почему недостаточно нейтрино, чтобы изучать эти процессы?

– Нейтрино – это вообще очень странные частицы, которые до сих пор нормально не изучали. У любой частицы есть понятие длины свободного пробега - длины, на которой частица взаимодействует с веществом. Нейтрино относятся к тем частицам, длина свободного пробега которых настолько велика, что нейтрино с низкими энергиями (единицы МэВ) проходят сквозь Землю (длина свободного пробега для таких нейтрино составляет порядка 10¹⁴м). Однако нейтрино с много большими энергиями, при которых длина свободного пробега составляет сотни метров или километры, можно регистрировать. На озере Байкал уже давно существует эксперимент, где под водой по сфере диаметром в несколько сотен метров расположены фотоэлектронные умножители, регистрирующие результаты взаимодействия нейтрино с водой. А сейчас на Tevatron и на LHC готовятся два одинаковых эксперимента. Суть их заключается в следующем. Пучок отводится от основного кольца и разворачивается по отношению к горизонтальной плоскости (кольцо ускорителя расположено горизонтально). После этого пучок направляется на мишень, протоны бомбардируют её, "выбивая" нейтрино. Нейтрино летят по хорде Земли, пролетая 300-400 километров. В CERN отвод сделан так, чтобы они пролетели 300 километров и вылетели в итальянских Альпах. Примерно то же самое в Штатах. Отвод от Tevatron начинается на глубине 50 метров и заканчивается на глубине 100 метров - это конечная точка, где стоит мишень. Этот перепад глубин задает направление, в котором полетят нейтрино. В Чикаго выпускают, в другом штате регистрируют.

На том же LHC пытаются получить не только бозон Хиггса. Помимо четырех основных детекторов есть всевозможные отводы для технологических нужд, для рассевания на мишени, в том числе для получения нейтрино. Физики работают и на LHC, и на SPS (бустерный синхротрон). Например, с SPS берут протоны, рассевают их на мишени и получают антипротоны, потом антипротоны вместо того, чтобы ускорять, наоборот, тормозят, а торможение равносильно охлаждению. Недавно вышла статья о том, что они охладили антипротоны до нескольких градусов Кельвина. Потом из них получают, например, антиводород, и исследуют это антивещество.

– А так раньше делали?

– Делали, в том же "Фермилабе", но это настолько трудоемкая и денежноемкая работа, что сказка, рассказанная Дэном Брауном в "Ангелах и демонах" - это, конечно, неправда. Я буквально неделю назад разговаривал с русским физиком, который ответственен за такой эксперимент в CERN. Он говорит, что для того, чтобы получить один грамм этого вещества, нужно работать несколько миллионов лет. То антивещество, которое они сейчас получают, в случае аннигиляции способно разогреть воду объёмом полстакана, а никак не взорвать Ватикан.

– Ускорители России: каких результатов можно достичь на низких энергиях?

– Физика высоких энергий ушла в большой отрыв. Сейчас разгоняют тяжелые частицы и хорошо проходят по энергиям в диапазоне от сотен ГэВ до, теперь уже, единиц ТэВ. Если бозон Хиггса существует, и если у него масса порядка 1 ТэВ (а масса и энергия в данном контексте – это одно и то же), то он, скорее всего, будет найден. Уровень порядка несколько ГэВ мировая наука проскочила, не затронув должным образом. И ИЯФ сейчас со своим комплексом ВЭПП4 с энергией 5-6ГэВ и новой машиной ВЭПП-2000, где энергия порядка 1 ГэВ, будет работать именно на этих энергиях. ВЭПП-2000, в частности, предназначен для проверки и уточнения некоторых положений стандартной модели. Энергия сталкивающихся частиц составит 2 ГэВ в системе центра масс, что достаточно для рождения пары нуклон-антинуклон, и позволит, в частности, измерить электромагнитный формфактор (распределение заряда) нуклонов.