Журнал «Вокруг Света» №07 за 2007 год
Шрифт:
Снимок пузырьковой камеры, где виден процесс рождения и распада первого зарегистрированного омега-гиперона. K--мезон взаимодействует с протоном, образуются омега--гиперон и два мезона (K0 и K+), которые далее распадаются в другие частицы. Справа: расшифровка снимка. Траектории нейтральных частиц, невидимых в пузырьковой камере, отмечены пунктиром
Пузырьковая камера позволяет визуализировать треки в реальном времени, однако ее главный недостаток заключается в том, что она должна работать непрерывно, цикл за циклом, независимо от того, пролетели частицы или
Чтобы избавиться от бесполезных циклов работы, физики изобрели искровую камеру. Она тоже визуализирует траектории частиц, но иным, электрическим, способом. В отличие от пузырьковой камеры, ее можно запускать только тогда, когда гарантированно пролетает какая-то частица, что позволяет избавиться от «холостых» снимков. Именно использование искровой камеры позволило в 1962 году открыть мюонное нейтрино.
Современные универсальные детекторы, применяемые на больших ускорителях, устроены намного сложнее. Их главная черта — многослойность. Все вместе разные компоненты детектора извлекают из пролетающих частиц максимум информации: координаты точки рождения, скорость, импульс, энергию и тип. Все это необходимо для понимания того, что именно произошло с частицами из встречных пучков в момент их столкновения.
Ближе всего к точке столкновения расположен вершинный детектор. Его задача — с максимальной точностью восстановить первые сантиметры траектории заряженной частицы. Имея несколько таких траекторий от одного столкновения, можно проследить их до пересечения и с субмиллиметровой точностью восстановить вершину — точку в пространстве, в которой произошло рождение частиц.
Следующими идут трековые детекторы. Они измеряют искривление траектории в магнитном поле и позволяют вычислить импульс частицы. Часто в качестве трековых детекторов используются дрейфовые камеры. В них с мелким шагом натянуты тонкие проволочки под напряжением. Заряды, порожденные пролетевшей частицей, оседают на ближайшей проволочке, сообщая регистрирующей аппаратуре, где пролетела частица. Из сигналов с многих проволочек и складывается траектория частицы.
Следующим слоем расположены черенковские детекторы, которые измеряют скорость пролетевшей заряженной частицы. Зная импульс и скорость, можно затем вычислить массу частицы и определить ее тип. Тут главная проблема состоит в том, что для всех рождающихся частиц скорость очень близка к световой. Требуется устройство, которое надежно различает, например, 95 и 99% скорости света, что при равных импульсах отвечают частицам с массами, различающимися вдвое.
На помощь приходит еще один физический эффект, на этот раз из оптики. Свет распространяется со скоростью с=300 000 км/с только в вакууме. При входе в прозрачную среду с показателем преломления n он замедляется до скорости c/n. А вот элементарные частицы при этом не тормозятся, и поэтому их скорость оказывается выше скорости света в данной среде. В 1934 году советские физики П.А. Вавилов и С.И. Черенков открыли, что такая заряженная частица излучает свет (черенковское излучение) под углом к направлению движения, и этот угол зависит от скорости частицы.
Для создания черенковских детекторов пришлось решить интересную задачу из области материаловедения. Для максимальной эффективности требовалось вещество с показателем преломления n=1,01–1,05. Но ничего подобного в природе не существует (например, для воды n=1,33, а для газов он не превышает n=1,001), и потому нужные материалы пришлось создавать искусственно. Так в детекторах появились аэрогели, которые иногда называют «твердым дымом». В руках кусок аэрогеля вызывает непривычные ощущения: по прочности он примерно как пенопласт, но ощутимо легче него и вдобавок прозрачный. Подбросив аэрогель в воздух, можно заметить, что падает он как бы «неохотно» — ведь он всего в несколько раз
Наконец, внешние слои детектора состоят из нескольких разных калориметров — приборов, измеряющих энергию частиц. Эти компоненты детектора обязаны стоять самыми последними, поскольку для надежного измерения энергии частица должна полностью поглотиться калориметром и передать ему всю свою энергию. Для этого на пути частицы ставятся слои вещества с тяжелыми атомами, при столкновении с которыми порождается лавина вторичных частиц. Лавина застревает в детекторе, и вся ее энергия переходит частично в тепло, а частично — в свет. Эту вспышку улавливают фотоэлектронные умножители. Они превращают ее в электрический сигнал, измеряя который можно с хорошей точностью рассчитать энергию первоначальной частицы.
Все это — стандартная начинка современного детектора, его «анатомия». Но есть еще большая интересная тема, связанная с его «физиологией», с тем, что в нем происходит непосредственно в ходе эксперимента. Сгустки частиц сталкиваются внутри детектора миллионы раз в секунду, и при этом либо рождаются новые частицы, либо происходит упругое рассеяние частиц сгустка. Каждый такой процесс оставляет в разных компонентах детектора много информации. За какие-то доли микросекунды требуется не только собрать всю эту информацию и подготовить детектор к приему следующих частиц, но и успеть предварительно обработать полученные данные. Детектор буквально напичкан сложнейшей электроникой. Важнейшая из электронных систем называется триггером. Он на лету отбирает из всего потока события, интересные с точки зрения физики. Если бы не этот отбор, система хранения данных просто захлебнулась бы чудовищным потоком информации от детекторов. Поэтому создание эффективного триггера — один из важнейших этапов конструирования детектора.
Но даже после отсева объемы получаемой информации остаются огромными. Ожидается, что с LHC будет поступать порядка 10 петабайт (10 миллионов гигабайт) данных в год — грубо говоря, по DVD-диску в несколько секунд. Чтобы осмыслить такое количество информации, потребуется порядка сотни тысяч сегодняшних процессоров, участие в работе примут исследователи со всего мира, а хранение и обработка информации будет вестись с опорой на создаваемую сейчас GRID-технологию, которая обеспечивает глобальное использование распределенных вычислительных ресурсов.
Игорь Иванов, кандидат физико-математических наук
Читайте также на сайте «Вокруг Света»:
Элементарная вселенная
Эффекты ГРИД-среды
Исцеляющий обман
Знаменитый мюнхенский врач-гигиенист Макс Петтенкофер 7 октября 1892 года провел эксперимент, который, по его мнению, должен был окончательно опровергнуть модную теорию Роберта Коха о том, что холера вызывается попаданием в организм специфического микроба. Получив из лаборатории Коха в Берлине культуру холерного вибриона, доктор Петтенкофер развел ее в стакане воды и в присутствии нескольких коллег-медиков выпил получившуюся взвесь до дна. Несмотря на то что в стакане содержалось огромное число микробов, маститый врач так и не заболел холерой.
Cейчас достоверно известно, что Кох был абсолютно прав, и только чудо уберегло доктора Петтенкофера. Одни предполагают, что сотрудники Коха, догадываясь о его намерениях, нарочно прислали ему ослабленный штамм, чтобы не подвергать его опасности. Другие — что сыграли свою роль остатки временного иммунитета, приобретенные во время заболевания холерой в юности. Но в истории медицины этот драматический случай остался прежде всего как ярчайший, хотя и не вполне типичный пример так называемого эффекта плацебо.