Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Молекулярная кухня адронного коллайдера

Мелкие поломки в самом сложном и точном творении технического гения человечества не помешают обнаружить спонтанное нарушение симметрии вакуума

Во время Дня открытых дверей, проходившего в апреле этого года, все желающие могли спуститься в тоннель и осмотреть, среди прочего, тот самый сверхпроводящий электромагнит, из-за неисправности которого коллайдер пришлось остановить. Фото: Pamela Jueni/© CERN 

Авария, вынудившая остановить Большой адронной коллайдер (LHC) через неделю после начала первых экспериментов в сентябре этого года, не повод откладывать его торжественное открытие — так считают в ЦЕРНе (CERN, Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire), Европейской организации ядерных исследований. Первые протоны прошли свой 27-километровый путь 10 сентября этого года, показав всему миру работоспособность этого беспрецедентного по сложности технического устройства, однако, как и можно было ожидать, вскоре проявились и первые неисправности. Уже 19 сентября в секторе 3–4 произошла утечка гелия, сработали системы безопасности, и протонов с тех пор в тоннеле больше не было. По крайней мере, ультрарелятивистских.

Предварительное исследование, проведенное на следующий день, показало, что наиболее вероятная причина аварии — замыкание в обмотках электромагнитов, создающих отклоняющее магнитное поле в тоннеле. До середины октября агрегат нагревался, 16 октября его обследовали уже детально, теперь его будут ремонтировать и снова охлаждать. Возобновить эксперименты можно будет не раньше весны 2009 года. Генеральный директор ЦЕРНа Робер Эмар (Robert Aymar) прокомментировал произошедшее с обычным для него чувством юмора:

И персонал ЦЕРНа, и наши коллеги со всего мира отреагировали на сложившееся положение со свойственными им профессионализмом и решительностью. И хотя, конечно, всякое нарушение графика раздражает и разочаровывает, несколько лишних недель для проекта, готовившегося более двух десятилетий, мало что значат. Это просто факт из жизни экспериментальной физики, живущей на границе знания и технологии.

Подручные Этторе Боккиа «колдуют» над молекулярным угощением для именитых гостей ЦЕРНа. Фото: BUL Collection/© CERN

Во вторник 21 октября на хэппенинг соберутся приглашенные гости (не приглашенных не пустят!), которых встретят речами, выставками, музыкой Филипа Гласса (Philip Glass) в исполнении симфонического оркестра и угощениями из «буфета молекулярной кухни», приготовленного шефом Этторе Боккиа (Ettore Bocchia).

Всемирный коллайдер

Проект по созданию LHC рождался в самом начале 90-х годов. Он начинался с предложения возглавлявшего ЦЕРН с 1989 по 1993 год нобелевского лауреата Карло Руббиа (Carlo Rubbia) и его коллеги Джоржио Брианти (Giorgio Brianti) подумать о возможности сооружения протон-протонного ускорителя на 16 ТэВ (в настоящее время нет надежд на то, что удастся перешагнуть предел в 14 ТэВ) в туннеле действовавшего тогда Большого электрон-позитронного коллайдера (Large electron-positron collider, LEP). Предложение это впервые было высказано на совещании в Аахене в октябре 1990 года, а в окончательном виде проект был утвержден Советом ЦЕРНа в 1994-м. Было ясно, что необходимые для такого переоборудования работы не могли быть выполнены отдельной группой. И ставка была сделана на новую форму научного сотрудничества — коллаборацию нескольких лабораторий из разных стран. К настоящему времени в проекте задействованы примерно 2300 ученых из 175 институтов 38 стран мира, в том числе более шестисот ученых из России. Строго говоря, они организованы в несколько различных коллабораций.

Судя по тому, что рассказывал на семинаре 8 апреля 2008 года в Физическом институте РАН руководитель коллаборации RDMS (Russia and Dubna Member States) CMS профессор Игорь Анатольевич Голутвин, усилия российских физиков были сосредоточены главным образом на создании компактного мюонного соленоида (Compact Muon Solenoid, CMS). Это большая экспериментальная установка, предназначенная для изучения фундаментальных свойств материи, описываемые современной теорией элементарных частиц, которую теперь принято называть стандартной моделью.

Теоретическая разработка и экспериментальная проверка стандартной модели идут уже не одно десятилетие. И в общем-то согласие эксперимента и теории в физике элементарных частиц поистинне удивительно еще со времен создания квантовой электродинамики. Стандартная модель не стала исключением: почти все частицы, предсказанные ею, были обнаружены, но это отнюдь не означает, что на горизонте физики высоких энергий не осталось «облаков». Про одно из них знают сейчас почти все: бозон Хиггса всё ещё не обнаружен. И если его суждено все-таки «поймать», то именно внутри компактного мюонного соленоида.

Эта загадочная частица появилась в теоретической физике благодаря профессору Эдинбургского университета (University of Edinburgh) Питеру Хиггсу (Peter Higgs), показавшему, каким образом возникают массивные частицы в калибровочно-симметричных теориях. Придуманный им «механизм» позволил стандартной модели стать универсальным средством в руках теоретиков и решить большинство стоящих перед ними проблем.

Питер Хиггс у компактного мюонного соленоида. Фото: Maximilien Brice/© CERN

Масса в поляризованном вакууме

Самой известной теорией, в которой появляется калибровочная симметрия, является общая теория относительности Эйнштейна. Собственно, калибровочная инвариантность и есть обобщение принципа эквивалентности гравитационной и инертной масс. Согласно этому принципу, точное равенство этих двух масс отнюдь не случайно, в нем проявляется важное свойство природы: всякое гравитационное поле можно «уничтожить» удачным выбором системы координат. Что значит в данном случае «удачный», иллюстрируется обычно на примере свободно падающего лифта: никакой эксперимент внутри него не позволит обнаружить гравитационное поле Земли.

Но это только в том случае, если лифт достаточно маленький. Если лифт будет настолько велик, что изменение гравитационного поля в разных его частях будет заметно различаться, то скомпенсировать поля ускорением можно будет только кое-где, а не повсюду. Впрочем, выход есть: надо сделать лифт эластичным и растягивающимся. Тогда разные его части смогут двигаться не только с разными скоростями, но и с разными ускорениями. Переход от обычной системы координат, связанной с поверхностью Земли, к системе координат, связанной с таким лифтом, — это и будет калибровочное преобразование.

Немного более сложный — хотя и более ранний хронологически — пример калибровочно-симметричной теории дает нам классическая электродинамика. Она была создана Джеймсом Максвеллом (James Clerk Maxwell, 1831–1879) еще в середине XIX века. Примечательно, что эта первая в истории человечества полевая теория обладала сразу двумя важнейшими типами симметрии: она отвечала постулатам специальной теории относительности Эйнштейна и была нечувствительна к калибровочным преобразованиям. Причем оба этих ее удивительных качества были замечены и оценены далеко не сразу. 

Преобразования координат можно производить не в обычном геометрическом пространстве, в котором мы все живем, а в абстрактном, математическом, в котором нет ничего, кроме электрических потенциалов. При определенных изменениях системы координаты в таком пространстве меняются потенциалы, но этот выбор никак не отражается на значении измеримых физических величин — напряженности электрического и магнитного полей. В классической электродинамике такая инвариантность проявляет себя в известной взаимозаменяемости электрического и магнитного поля, а в квантовой — в равенстве нулю массы покоя фотона, то есть той элементарной частицы, которая является переносчиком электромагнитного взаимодействия.

Невероятная объяснительная и предсказательная сила квантовой электродинамики в полной мере проявилась в середине ХХ века. И тогда стало ясно, что, если единая теория всех фундаментальных взаимодействий и возможна, то она должна быть калибровочно-инвариантной. Но как быть с массами? Масса покоя фотона и в самом деле равна нулю, но массы частиц, переносящих сильные и слабые ядерные взаимодействия, должны быть довольно большими. Иначе эти взаимодействия проявляли бы себя и далеко за пределами атомного ядра.

9 сентября в адронном калориметре компактного мюонного соленоида были получены первые изображения потоков разлетающихся осколков (показаны синим), образованных при столкновении протонов. Некоторые частицы достигли мюонных камер (показаны зелеными прямоугольниками). Центральный детектор во время этих первых экспериментов был выключен, поскольку пучок протонов был еще слишком неустойчив. Фото: © CERN

Тут-то Питер Хиггс и показал, как поляризация вакуума может приводить к появлению масс у переносящих взаимодействия частиц в калибровочно-инвариантных теориях. Достаточно наличия самого простого поля, обладающего, правда, необычным свойством: минимум энергии для него должен соответствовать отличному от нуля значению самого поля. Существует ли такое поле? Как его обнаружить? Нам известен только один путь: всякое поле должно квантоваться, а кванты поля можно обнаруживать в ядерных реакциях.

Ключи к тайнам стандартной модели

Объединение двух ключевых теоретических идей — калибровочной инвариантности и механизма Хиггса спонтанного нарушения симметрии вакуума — и стали основой стандартной модели. Многие смотрят на нее как на выдающееся событие на долгом пути поиска истины. Но на многие ключевые вопросы стандартная помдель пока она не смогла дать ответа. Почему массы фундаментальных «кирпичиков» (кварков, лептонов) именно таковы, какими мы их видим в эксперименте? Почему существует три поколения частиц материи? Почему материя доминирует над антиматерией, и почему наблюдаемая структура Вселенной именно такова, какова она есть? Где источник темной материи во Вселенной? Возможна ли унификация трех фундаментальных взаимодейтсвий — электромагнитного, слабого и сильного? Возможно ли включение в теорию гравитационных взаимодействий?

Ответить на эти вопросы — это значит испытать стандартную модель и найти область ее применения. Явления, не объяснимые с ее позиций, создадут условия для нахождения новых законов природы или исправления имеющихся. Считается, что «сигналы новой физики» можно получить только на ускорителях нового поколения, обеспечивающих условия для ядерных реакций с энергиями порядка 1012 электронвольт при высокой плотности потока частиц (светимости).

У теоретиков есть основания полагать, что такие сигналы обнаружатся при реакциях, начинающихся со столкновения двух протонов. Вообще говоря, если протоны движутся медленно, то и реакций особенно никаких не будет: между ними действует довольно сильное электростатическое отталкивание, которое проявляется уже на очень больших расстояниях (на бесконечных, если нет никакой экранировки). Оттолкнувшись друг от друга, протоны полетят каждый своей дорогой.

На Большом адронном коллайдере одновременно будут проходить тысячи экспериментов. В камерах LHCb (Large hadron collider beauty) будут исследовать нарушения некоторых фундаментальных симметрий и пытаться обнаружить следы одиночного beauty-кварка, давшего название всему эксперименту. Фото: Peter Ginter/© CERN

В соответствии со стандартной моделью, протон — не элементарная частица: внутри него есть как минимум три кварка, «приклеенных» друг к другу специальным клеем — глюонами (от английского glue, клей). Если по протону стукнуть чем-нибудь очень тяжелым — например, другим протоном, разогнанным до очень высоких энергий, — то этот «клей» не сможет удержать один из кварков, и тот отправится в свободный полет. Только полет этот продлится очень недолго: законы природы запрещают кварку летать в одиночку, и он будет выхватывать себе спутников из вакуума, разваливая по пути всегда существующие там виртуальные пары. Поэтому одиночный полет кварка быстро станет коллективным, но с сохраняющимся импульсом — кварк спрячет свою «наготу» и окружит себя облаком сопровождающих частиц. А так как это облако должно быстро двигаться, то всё это вместе называют «струей».

При том, что разгоняющиеся протоны проходят десятки километров пути, места их столкновений и возникающие при этом струи надо рассматривать буквально под микроскопом. Только микроскоп в данном случае получается довольно тяжелым: компактный мюонный соленоид, играющий в коллайдре эту роль, весит 14,5 кт, а большая часть его конструкций располагается внутри сверхпроводящей катушки электромагнита с внутренним диаметром около 6 м, создающей магнитное поле напряженностью до 4 Тл. Внешний диаметр всего устройства 14,6 м, длина — 21,6 м.

Встречные пучки протонов направлены вдоль оси катушки, а её центр — это и есть место встречи пучков, положение которой определяется с точностью до десятков микрометров. Вокруг точки взаимодействия последовательными слоями, подобно луковице, располагаются: системы для регистрации определенного сорта вторичных частиц. В итоге, какая бы частица не образовалась в ядерных реакциях — а некоторые из них «живут» не более 10–25 с. — она будет зарегистрирована, а ее параметры измерены.

Сцинтилляционные ячейки из вольфрамата свинца используются во многих детекторах. Модуль фотонного спектрометра в эксперименте ALICE (A Large Ion Collider Experiment) содержит 3584 ячейки, в каждой по одному кристаллу длинной 18 см. Здесь они также российского производства. Фото: Antonio Saba/© CERN

В самой внутренней части происходит регистрация и сшивка всех восстановленных треков адронов, электронов и мюонов и распознавание всех треков с поперечным импульсом свыше 2 ГэВ. Цилиндрические и торцевые плоскости из кремниевых детекторов с мелкоячеистой структурой считывания должны обеспечить разрешение лучше 15 мкм при самой высокой светимости коллайдера. Общая площадь кремниевых детекторов трекера составляет 223 м², число каналов — около 10 миллионов.

Ядерные реакции, начавшиеся со столкновения двух высокоэнергетичных протонов, пойдут по тысячам каналов — будут ли они правильно расшифрованы, зависит от того, сколь отчетливо получатся «треки» на снимках.

Расщепление протона крепостью российского оружия

Среди создателей компактного соленоида триста три научных сотрудника из двадцати двух институтов семи стран бывшего СССР. В том числе — 68 ученых из ОИЯИ, 80 — из 6 стран-участниц ОИЯИ и 155 — из 6 российских институтов, а также 32 студента. Координирует всю эту деятельность ОИЯИ. Однако для создания столь сложного инженерного сооружения надо решать отнюдь не только задачи фундаментальной физики. Понадобилось обойти множество сложностей сугубо инженерного характера. В частности, сам материал, из которого изготавливались поглотители, должен обладать высокой прочностью, и в конце концов для него была выбрана оружейная латунь артиллерийских гильз Военно-морского флота, выплавляемая на заводе «Красный Выборжец» в Санкт-Петербурге. Поглотители внутри предназначенных для измерения энергий разлетающихся частиц адронных калориметров изготовлены на Минском заводе им. Октябрьской Революции в Белоруссии. Технический контроль за качеством калориметров и их сборку обеспечивал Институт электротехники (НИКИЭТ, Москва). Сцинтилляционные ячейки детекторов изготовлены в НТК «Институт монокристаллов» (Харьков), а оптических элементов из них и комплексное тестирование проводилось в Институте физики высоких энергий (Протвино).

Этот список можно продолжать долго. По масштабам международной кооперации и диапазону задействованных в ней сил — от «кабинетных» теоретиков до инженеров-технологов с военных заводов, — проект можно сопоставить лишь с одним единственным другим: с проектом ITER по созданию первой рабочей модели термоядерной коммерческой электростанции. Что характерно, при этом сопоставимы и сроки, и значение для будущего цивилизации.

Группа российских участников эксперимента ALICE перед одним из электромагнитов. Фото: Mona Schweizer/© CERN

Вероятно, теперь, во время наступающих торжеств и наступившего вынужденного перерыва в работе открывающегося сооружения, уместно сделать предположения, когда и что в этой самой дорогой в мире лаборатории может быть обнаружено. Выступление И. А. Голутвина на весеннем семинаре в ФИАНе позволяет сделать и это.

Энергия в пучках будет повышаться очень постепенно, однако физики надеются, что к концу 2010 года она уже будет достаточной, чтобы зарегистрировать бозон Хиггса. В то же самое время они надеются и на обнаружение одиночного топ-кварка. Это самая тяжелая из субъядерных частиц с дробным зарядом. Его уже удалось однажды обнаружить в экспериментах 1995 года на коллайдере Тэватрон в Лаборатории им. Ферми в США двумя крупными международными коллаборациями CDF и D. Масса топ-кварка оказалась равной примерно 175 ГэВ (напомним, что масса протона составляет примерно 1 ГэВ), что лишь немногим меньше массы ядра золота. Обратим внимание, что топ-кварк, как и все другие частицы в стандартной модели, не имеет внутренней структуры, или, как говорят, является точечным. То обстоятельство, что точечная частица оказывается столь тяжелой, — лишь один из многочисленных парадоксов современной субъядерной физики.

К 2011 году есть надежда увидеть первые следы слептонов — суперсимметричных партнеров лептонов и нейтралино. В отличие от лептонов, то есть электронов, позитронов и мюонов, нейтралино и само до сих пор остается частицей гипотетической. Теоретически пока не удалось разрешить вопрос о его стабильности, а если оно стабильно, то обнаружить его и не удастся: оно всегда будет ускользать от детекторов частиц. Но если ускользнуть ему не удастся, то, возможно, именно эти эксперименты прольют свет на загадки «темной материи» — по одной из версий, она состоит преимущественно из нейтралино.

Комплекс ускорителей ЦЕРНа и места наиболее важных экспериментов на коллайдере. Схема: Christine Vanoli/© CERN

Уход в область высокой светимости станет возможным только после 2013 года, и тогда можно будет сделать первые выводы относительно реализации хиггсовского механизма генерации масс. И лишь после этого у мирового сообщества появятся основания готовиться к по-настоящему неожиданным открытиям.

В анонсе статьи использовано фото BUL Collection/© CERN

Дмитрий Баюк, 20.10.2008

 

Новости партнёров