Просмотр полной версии : Большой адронный коллайдер
О проекте
В 2008 году начинаются эксперименты на самой сложной установке, когда-либо построенной человеком, — на Большом адронном коллайдере (LHC). В преддверии его запуска мы открываем проект, посвященный этому эксперименту. Мы постараемся рассказать по возможности простыми словами о том, что, как и зачем будет изучаться на LHC.
Проект состоит из трех разделов. В первом разделе, посвященном физике элементарных частиц в целом, мы расскажем о тех явлениях в микромире, которые нужны для понимания целей и работы LHC. Во втором разделе будет описано устройство и задачи LHC. Оба этих раздела подготовят нас к третьему, самому важному, — результатам, полученным на LHC. По мере наполнения проекта в нём будут появляться новые страницы во всех трех разделах.
В ленте новостей мы постараемся оперативно освещать все интересные события, относящиеся к LHC; самые важные из них будут описываться в отдельных больших новостях.
Если у вас есть вопросы, замечания или предложения по проекту, мы будем рады получить их по адресу: LHC@elementy.ru.
Проект ведет к. ф.-м. н. Игорь Иванов (http://igorivanov.blogspot.com/).
Физика элементарных частиц
Образовательные онлайн-ресурсы по ФЭЧ и LHC
Образовательные материалы по ФЭЧ в целом
Образовательные сайты
Fermilab Education Office (http://ed.fnal.gov/) — образовательные ресурсы на сайте ФермиЛаба.
Particle Adventure (http://www.particleadventure.org/) — популярный рассказ в картинках про то, чем занимается физика элементарных частиц.
Interactions.org (http://www.interactions.org/) — свежие новости и прочие ресурсы по ФЭЧ.
Virtual Visitor Center (http://www2.slac.stanford.edu/vvc/Default.htm) на сайте Стэнфордского линейного ускорителя.
High-Energe Physics Made Painless (http://ed.fnal.gov/painless/htmls/index.html) — подборка заметок по некоторым вопросам ФЭЧ в очень простом изложении.
(рус.) Ядерная физика в Интернете (http://nuclphys.sinp.msu.ru/), содержит материалы и по ФЭЧ.
Интерактивные проекты
The Hunt for the Higgs (http://www.sciencemuseum.org.uk/antenna/bigbang/huntforhiggs/index.asp) — интерактивная игра «Найди бозон Хиггса».
LHC game (http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/LHCGame/LHCGame.html) — построй коллайдер своими силами.
Fermilabyrinth (http://ed.fnal.gov/projects/labyrinth/games/) — несколько игр про ускоритель, детекторы и обработку результатов.
Новостные ленты по ФЭЧ
CERN Courier (http://cerncourier.com/) — ежемесячный бюллетень о новостях в ФЭЧ.
CERN Bulletin (http://bulletin.cern.ch/).
Fermilab Today (http://www.fnal.gov/pub/today/).
Symmetry (http://www.symmetrymagazine.org/) — ежемесячный популярный журнал, издаваемый Фермилабом и SLAC.
ILC Newsline (http://www.linearcollider.org/newsline/) — новости, касающиеся разработки линейного электрон-позитронного коллайдера ILC.
Интересные блоги
Symmetry Breaking (http://www.symmetrybreaking.org/) — блог журнала Symmetry.
Tommaso Dorigo (http://dorigo.wordpress.com/) — блог физика, работающего на коллайдере CDF в Фермилабе.
Resonaances (http://resonaances.blogspot.com/) — новости и семинары ЦЕРНовского теоротдела.
US/LHC Blogs (http://www.uslhc.us/blogs/) — коллективный блог.
Interactions Blog Watch (http://www.interactions.org/cms/?pid=1026141) — лента блогов, посвященных физике частиц.
Справочные системы
Информация об элементарных частицах и их свойствах:
Particle Data Group (http://pdg.lbl.gov/) — сводка информации по всем открытым элементарным частицам. Краткая информация (http://pdg.lbl.gov/2007/tables/contents_tables.html), полная информация (http://pdg.lbl.gov/2007/listings/contents_listings.html), интерактивная система PDG Live (http://pdglive.lbl.gov/).
Краткие обзоры (http://pdg.lbl.gov/2007/reviews/contents_sports.html) ключевых тем по ФЭЧ, подготовленные Particle Data Group (http://pdg.lbl.gov/).
HEP reaction database (http://durpdg.dur.ac.uk/HEPDATA/REAC)— поисковая система по реакциям элементарных частиц.
LEP Working Groups (http://delphiwww.cern.ch/offline/lepwgs.html) — рабочие группы коллайдера LEP: совместный анализ тех или иных процессов со всех четырех экспериментов LEP.
Рабочие группы Тэватрона: Tevatron Electroweak Working Group (http://tevewwg.fnal.gov/), Tevatron New Phenomena & Higgs Working Group. (http://tevnphwg.fnal.gov/)
Библиографическая информация:
ArXiv.org (Архив) (http://arxiv.org/) — архив электронных препринтов. Практически все статьи по ФЭЧ, опубликованные за последние 15 лет, можно найти здесь в свободном доступе. См. также eprintweb.org (http://eprintweb.org/S/) — надстройку над Архивом.
SPIRES HEP Search (http://www.slac.stanford.edu/spires/hep/) — библиографический поиск по ФЭЧ и смежным дисциплинам. Там же: поиск по людям (http://www.slac.stanford.edu/spires/hepnames/), поиск по организациям (http://www.slac.stanford.edu/spires/institutions/) и другие.
INSPIRE (http://hep-inspire.net/) — новая версия SPIRES HEP Search, в процессе отладки.
CERN Document Server (http://cdsweb.cern.ch/) — репозитарий статей, докладов, препринтов, технических заметок и т. д.
HEP Reviews (http://www.slac.stanford.edu/spires/reviews/) — структурированная подборка обзорных статей по всем разделам ФЭЧ.
Самые цитируемые работы по ФЭЧ. (http://www.slac.stanford.edu/spires/topcites/)
Историческая информация:
(рус.) Хроника открытий (http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/hist.htm) в физике ядра и элементарных частиц.
History of Physics (http://www.aip.org/history/) — подборка материалов по истории физики Американского физического общества.
Крупные центры экспериментальной ФЭЧ
ЦЕРН (http://cern.ch/). Коллайдеры LHC (http://public.web.cern.ch/Public/Content/Chapters/AskAnExpert/LHC-en.html) (эксперименты: ATLAS (http://atlas.ch/), CMS (http://cms.cern.ch/indexnoflash.html), другие эксперименты (http://public.web.cern.ch/Public/Content/Chapters/AboutCERN/CERNFuture/LHCExperiments/LHCExperiments-en.html)), SPS (http://ab-dep-op-sps.web.cern.ch/ab-dep-op-sps/), другие ускорители. (http://ab-div.web.cern.ch/ab-div/Index.html)
DESY (http://www.desy.de/). Коллайдер HERA (http://adweb.desy.de/mpy/hera/), эксперименты ZEUS (http://www-zeus.desy.de/), H1 (http://www-h1.desy.de/), HERMES (http://www-hermes.desy.de/), HERA-B. (http://www-hera-b.desy.de/)
Fermilab (http://www.fnal.gov/). Коллайдер Тэватрон (http://www-ad.fnal.gov/runII/index.html), эксперименты CDF (http://www-cdf.fnal.gov/), DZero (http://www-d0.fnal.gov/), полный список. (http://www.fnal.gov/faw/experimentsprojects/index.html)
SLAC (http://www.slac.stanford.edu/). Эксперимент BaBar (http://www.slac.stanford.edu/BFROOT/).
BNL (http://www.bnl.gov/world/). Коллайдер RHIC (http://www.bnl.gov/rhic/).
KEK (http://www.kek.jp/intra-e/index.html). Эксперимент Belle (http://belle.kek.jp/).
Образовательные материалы по LHC
Популярные сайты
Вопросы и ответы про LHC с сайта ЦЕРНа (http://public.web.cern.ch/Public/Content/Chapters/AskAnExpert/LHC-en.html).
LHC Milestones (http://lhc-milestones.web.cern.ch/LHC-Milestones/) — история LHC.
US/LHC (http://www.uslhc.us/) — сайт о роли США в создании и работе LHC.
LHC France (http://www.lhc-france.fr/) — сайт о роли Франции в создании и работе LHC.
LHC Science (http://www.uslhc.us/LHC_Science) — вопросы и ответы про то, что изучает ФЭЧ и чем будет заниматься LHC.
Новости про LHC
Пресс-центр ЦЕРНа (http://press.web.cern.ch/press/).
LHC News. (http://lhc.web.cern.ch/lhc/News.htm)
News at US/LHC (http://www.uslhc.us/News) — новости из разных источников.
LHC First Beam. (http://lhc-first-beam.web.cern.ch/lhc-first-beam/Welcome.html)
CMS Times (http://cmsinfo.cern.ch/outreach/CMSTimes.html) — новости с детектора CMS.
News of the ATLAS Experiment (http://atlasexperiment.org/news/index.html).
Техническая информация по LHC
Подробная информация по LHC и шести экспериментам (опубликовано в журнале Journal of Instrumentation, август 2008):
LHC Machine (http://www.iop.org/EJ/abstract/1748-0221/3/08/S08001), 164 стр.
The ALICE experiment at the CERN LHC (http://www.iop.org/EJ/abstract/1748-0221/3/08/S08002), 259 стр.
The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider (http://www.iop.org/EJ/abstract/1748-0221/3/08/S08003), 437 стр.
The CMS experiment at the CERN LHC (http://www.iop.org/EJ/abstract/1748-0221/3/08/S08004), 361 стр.
The LHCb Detector at the LHC (http://www.iop.org/EJ/abstract/1748-0221/3/08/S08005), 217 стр.
The LHCf detector at the CERN Large Hadron Collider (http://www.iop.org/EJ/abstract/1748-0221/3/08/S08006), 39 стр.
The TOTEM Experiment at the CERN Large Hadron Collider (http://www.iop.org/EJ/abstract/1748-0221/3/08/S08007), 112 стр.
См. также:
The Large Hadron Collider (http://www.iop.org/EJ/article/1367-2630/9/9/335/njp7_9_335.pdf?request-id=rLowID5o3BGtdLoi3Ai7Kg) (PDF, 4.3 Mb) — 22-страничный обзор. Опубликовано в New Journal of Physics 9 (2007) 335.
Центр технической информации об LHC (http://lhc.web.cern.ch/lhc/)и LHC Design Report. (http://ab-div.web.cern.ch/ab-div/Publications/LHC-DesignReport.html)
LHC Project Reports (http://cdsweb.cern.ch/collection/LHC%20Project%20Reports) и LHC Project Notes (http://cdsweb.cern.ch/collection/LHC%20Project%20Notes) — библиографическая база данных по всем техническим публикациям, связанным с LHC.
Россия в эксперименте ATLAS. (http://atlas.pnpi.nw.ru/pAtlas/)
LHC@home (http://lhcathome.cern.ch/lhcathome/)— проект распределенных вычислений в помощь LHC
Быстрая справка: Б. С. Ишханов, Э. И. Кэбин. «Шпаргалка для отличника: частицы и ядра» (на сайте «Ядерная физика в Интернете») (http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/)
Величины и их единицы измерения
Величины в ФЭЧ и их единицы измерения
Размеры
В физике элементарных частиц изучаются атомные ядра и еще более мелкие частицы. Их размеры удобно выражать в фемтометрах (фм): 1 фм = 10–15 м. Эту единицу измерения называют также ферми: 1 ферми = 10–15 м = 1 фм.
Фемтометр в миллион раз меньше нанометра — типичного размера молекул. Размер протона или нейтрона как раз составляет примерно 1 фм. Существуют составные частицы, размер которых еще меньше; например, ипсилон-мезон, состоящий из кварк-антикварковой пары b–анти-b, имеет размер примерно 0,2 фм. Другие частицы (называемые фундаментальными), например кварки, электроны, нейтрино и т. д., пока считаются точечными; если они и имеют внутреннюю структуру, то эта структура проявится при размерах, меньших, чем тысячная доля фемтометра.
Времена
В отличие от расстояний, характерные времена, использующиеся при описании превращений элементарных частиц, могут быть самые разные.
Для протон-протонных столкновений в качестве базовой единицы времени можно взять время, за которое частица с околосветовой скоростью проходит расстояние, равное размеру протона, — это составляет примерно 3·10–24 с. Эту единицу можно назвать типичным адронным масштабом времени. Для сравнения, это примерно в миллиард раз меньше, чем период колебаний световой волны.
Когда два протона сталкиваются в коллайдере, именно в течение этого промежутка времени происходит рождение некоего высокоэнергетического сгустка материи и его распад на конечные частицы. Однако сами рожденные частицы могут жить намного дольше. Например, адроны, распадающиеся за счет слабого взаимодействия, живут пикосекунды, наносекунды и иногда даже больше. Рекордсмен тут нейтрон, чье время жизни в свободном состоянии составляет примерно 15 минут. Относительно большое время жизни этих частиц вызвано тем, что распадаются они не за счет сильного, а за счет слабого или электромагнитного взаимодействия. Такие частицы успевают пролететь до распада большие дистанции — миллиметры, метры и больше; эти метастабильные частицы регистрируются непосредственно в детекторе. Частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия (так называемые адронные резонансы), живут в течение адронного масштаба времени. Такие частицы до детектора не долетают, и они изучаются по следам своего распада.
Энергии
Энергии элементарных частиц измеряют в электронвольтах (эВ) и кратных единицах. По определению, 1 эВ — это энергия, которую приобретет электрон в электрическом поле при прохождении разности потенциалов в 1 вольт; 1 эВ примерно равен 1,6·10–19 Дж. Электронвольт удобен для описания атомных и оптических процессов. Например, молекулы газа при комнатной температуре имеют кинетическую энергию примерно 1/40 электронвольта. Кванты света — фотоны — в оптическом диапазоне имеют энергию около 2 эВ.
Явления, происходящие внутри ядер и элементарных частиц, сопровождаются гораздо большими изменениями энергии. Здесь уже используются мегаэлектронвольты (МэВ, 106 эВ), гигаэлектронвольты (ГэВ, 109 эВ) и даже тераэлектронвольты (ТэВ, 1012 эВ). Например, протоны и нейтроны движутся внутри ядер с кинетической энергией в несколько десятков МэВ. Энергия протон-протонных или электрон-протонных столкновений, при которых становится заметна внутренняя структура протона, составляет несколько ГэВ. Для того чтобы родить самые тяжелые из известных на сегодня частиц, топ-кварки, требуется сталкивать протоны с энергией около 1 ТэВ.
Между шкалой расстояний и шкалой энергии можно установить соответствие. Для этого можно взять фотон с длиной волны L и вычислить его энергию: E = c·h/L. Здесь c — скорость света, а h — постоянная Планка, фундаментальная квантовая константа, равная примерно 6,62·10–34 Дж·с. Это соотношение можно использовать не только для фотона, но и более широко, при оценке энергии, необходимой для изучения материи на масштабе L. В «микроскопических» единицах измерения, 1 ГэВ отвечает размеру примерно 1,2 фм.
Шкалу энергий можно также связать и со шкалой времен: E = h/T. Физический смысл этого соотношения в квантовой механике таков: процесс, сопровождающийся неопределенностью энергии E, длится примерно в течение времени T. Например, если частица распадается в течение типичного адронного масштаба времени, то неопределенность ее массы составляет порядка 1 ГэВ.
Массы
Согласно знаменитой формуле Эйнштейна E0 = mc2, энергия покоя и масса тесно взаимосвязаны. В мире элементарных частиц эта связь проявляется самым непосредственным образом: при столкновении частиц с достаточной энергией могут рождаться новые тяжелые частицы, а при распаде покоящейся тяжелой частицы разница масс переходит в кинетическую энергию получившихся частиц. По этой причине массы частиц тоже принято выражать в электронвольтах (а точнее, в электронвольтах, деленных на скорость света в квадрате). 1 эВ соответствует массе всего в 1,78·10–36 кг. Электрон в этих единицах весит 0,511 МэВ, а протон 0,938 ГэВ. Открыто множество и более тяжелых частиц; рекордсменом пока остается топ-кварк с массой около 170 ГэВ. Самые легкие из известных частиц с ненулевой массой — нейтрино — весят всего несколько десятков мэВ (миллиэлектронвольт).
Частота событий
Обсуждая вероятность того или иного процесса на коллайдере, физики обычно приводят две величины: сечение процесса и светимость коллайдера. Именно их произведение определяет, насколько часто происходит столкновение того или иного типа на данном коллайдере.
[/SPOILER]
Сечение (или, по-старинному, эффективное сечение) — это, грубо говоря, та поперечная площадь в частице-мишени, в которую надо попасть налетающей частице, чтобы произошла нужная реакция. Однако не стоит понимать эти слова буквально: будто поверхность протона разделена на области: попадешь в одну — произойдет одна реакция, попадешь в другую — другая. Так могло бы быть в классической механике, но в мире квантовых частиц самые разные процессы протекают с какой-то вероятностью даже при совершенно идентичных столкновениях. Просто эти вероятности удобно выражать в виде неких сечений, отвечающих тому или иному процессу, и измерять их в единицах площади. Стандартная единица измерения сечений в физике элементарных частиц — барн (b); 1 b = 10–24 см2.
Подробнее про сечения процессов
Сечение процесса
Что такое сечение процесса
Когда быстрая частица налетает на частицу-мишень, то для того, чтобы произошло столкновение, она должна пролететь в достаточной близости от мишени, то есть она должна попасть в некоторое поперечное сечение. Эту поперечную площадь и называют в физике эффективным сечением процесса (сечением столкновения, сечением реакции и т. п.).
В классической механике (например, при рассеянии точечных частиц на мишени определенного размера) эффективное сечение равняется просто геометрической площади поперечного сечения мишени. В квантовой механике ситуация меняется, во-первых, из-за волновой природы частиц, а во-вторых, из-за того, что частицы обычно «полупрозрачны» друг для друга (это зависит от типа взаимодействия между частицами). Поэтому эффективное сечение процесса отличается от геометрического сечения.
На иллюстрации схематично показано то, как протон «выглядит» с точки зрения налетающей частицы: второго протона, фотона или нейтрино. Налетающий протон чувствует цельное кварковое и глюонное облако протона-мишени, поэтому сечение протон-протонного столкновения того же порядка, что и геометрическое сечение протона. Фотон чувствует только кварковое распределение, и к тому же сила электромагнитного взаимодействия меньше, чем сильного. В результате протон для фотона кажется полупрозрачным, и эффективное сечение получается заметно меньше. Наконец, нейтрино чувствует не сами по себе кварки, а как бы маленькое облачко виртуальных W- и Z-бозонов вокруг них. Из-за этого протон выглядит для нейтрино почти прозрачным, и эффективное сечение рассеяния нейтрино на протоне очень мало.
http://elementy.ru/images/lhc/effective_cross-section_600.jpg
Впрочем, в ядерной физике встречаются примеры, когда эффективное сечение процесса заметно больше, чем геометрическое сечение ядра. Например, сечение захвата медленного нейтрона ядром бора-10 превышает геометрическое сечение ядра в десятки тысяч раз. Большое сечение захвата этим изотопом бора используется в бор-нейтронозахватной терапии раковых опухолей.
Более детальную информацию о внутреннем устройстве частиц можно получить с помощью дифференциального сечения процесса. Дифференциальное сечение — это, условно говоря, площадка, в которую надо попасть, чтобы рожденные частицы вылетели под определенным углом к оси столкновения или с определенным поперечным импульсом.
Единицы измерения
Сечение (обозначается буквой σ), как и всякая площадь, измеряется в квадратных метрах. Для выражения сечений столкновений элементарных частиц используют более удобную единицу — барн (b). 1 b = 10–24 см2b = 10–28 м2. В этих единицах 1 фм2 (1 кв. фемтометр, то есть (1 Ч 10–15 м)2) равен 10 миллибарн (10 mb). Чем меньше сечение процесса, тем реже он происходит. Наиболее редкие процессы, зарегистрированные на коллайдерах, имеют сечение в доли пикобарна (1 pb = 10–12 b). Сечение рассеяния солнечных нейтрино составляет порядка 10–21–10–18 b в зависимости от энергии нейтрино.
Светимость — это «инструментальная» характеристика коллайдера, характеризующая интенсивность пучков. Светимость зависит от количества частиц в каждом пучке и от того, насколько плотно частицы собраны. Чем больше светимость, тем чаще происходят столкновения частиц из встречных пучков.
Светимость выражается в см–2·с–1. Для того чтобы узнать, как часто (то есть сколько раз в секунду) будет происходить какой-то процесс на данном коллайдере, надо умножить сечение процесса на светимость коллайдера. Например, при проектной светимости LHC, равной 1034 см–2·с–1 процесс рождения хиггсовского бозона с массой 200 ГэВ, имеющий сечение 20 pb (= 2·10–35 см2), будет происходить со средней частотой один раз в пять секунд.
Подробнее про светимость коллайдеров
Светимость коллайдера
Важной «инструментальной» характеристикой коллайдера является его светимость; чем она больше, тем чаще происходят столкновения частиц из встречных пучков. Светимость зависит от количества частиц в каждом пучке и от того, насколько плотно частицы собраны, то есть насколько хорошо пучок сфокусирован в точке столкновений.
Светимость L выражается в см–2·с–1. Для того чтобы узнать, как часто будет происходить какой-то процесс на данном коллайдере, надо умножить сечение процесса на светимость коллайдера. Например, при проектной светимости LHC, равной 1034 см–2·с–1, процесс рождения хиггсовского бозона с массой 200 ГэВ, имеющий сечение 20 pb (= 2·10–35 см2), будет происходить со средней частотой один раз в пять секунд.
Часто используют также интегральную светимость (или интеграл светимости), то есть светимость, умноженную на время работы ускорителя. Ее обычно выражают в обратных пикобарнах (pb–1) или обратных фемтобарнах (fb–1; 1 fb–1 = 1000 pb–1). Например, коллайдер со светимостью 1034 см–2·с–1, проработав в течение «стандартного ускорительного года» (10 миллионов секунд, что примерно равно четырем месяцам), наберет интегральную светимость 100 fb–1. Это значит, что какой-нибудь редкий процесс с сечением 1 fb, произойдет за это время примерно 100 раз (однако из-за неидеальной эффективности детектора количество реально зарегистрированных событий будет, конечно, меньше).
Методы повышения светимости
Частицы в кольцевом ускорителе летают не сплошным потоком, а разбиты на отдельные компактные сгустки (на жаргоне — «банчи», от английского bunch — сгусток). Существует несколько возможностей для увеличения светимость ускорителей:
Увеличение частиц в каждом сгустке. Тут есть естественный предел: одноименно заряженные частицы расталкиваются, и потому слишком много частиц в одном сгустке просто не удержишь.
Увеличение количества сгустков. По этому пути пошли разработчики LHC — при проектной светимости в нём будут циркулировать по 2808 сгустков в каждом из двух встречных пучков. Время между столкновениями сгустков будет составлять всего 25 нс. Это накладывает очень жесткие требования на параметры детектора и электронику, считывающую данные, — ведь за эти 25 нс надо успеть не только зарегистрировать рожденные частицы, но и передать компьютерам всю собранную информацию, а также «очистить» детектор, подготовив его к приему новой порции частиц.
Сжатие сгустков. Из-за сильного электрического расталкивания сгустки летают по ускорительному кольцу в довольно разреженном состоянии, и только вблизи точек столкновения их сильно сжимают специальные фокусирующие магниты. Правда, минимально достижимый поперечный размер сгустка зависит не только от свойств этого магнита, но и от того, насколько сильно «бултыхаются» частицы внутри сгустка при его движении в ускорителе. Для подавления этого бултыхания пучки требуется охлаждать.
Следует отметить, что далеко не всегда нужно стремиться к максимально возможной светимости. Дело в том, что если в каждом сгустке будет очень много частиц, то при каждом столкновении двух встречных сгустков будет одновременно происходить несколько независимых протон-протонных столкновений. Детектор будет видеть наложенные друг на друга следы сразу всех этих столкновений, и разобраться в них будет еще тяжелее, чем в случае одного-единственного столкновения. Это нежелательное, но неизбежное при высокой светимости явление называется эффектом нагромождения (pile-up).
Далее, частота, с которой детектор будет регистрировать данный тип событий, обычно меньше частоты, с которой это событие происходит. Так получается потому, что вовсе не на каждое событие детектор «срабатывает» нужным образом, то есть у детектора неидеальная эффективность регистрации. Например, родившиеся частицы могут пролететь мимо детектора и избежать регистрации (впрочем, благодаря высокой герметичности современных детекторов вероятность этого мала). Либо энергия частицы одной из частиц может оказаться маленькой, и детектор просто не учтет эту частицу, примет ее за случайный шум. Либо детектор может неправильно идентифицировать рожденную частицу, приняв ее за другую и на основании этого отбросив событие как неинтересное.
Все эти процессы необходимо учитывать при сравнении реально полученных данных с теоретическими расчетами. Обычно это делается путем сложного численного моделирования процессов, протекающих внутри детектора при прохождении сквозь него частиц.
Наконец, число событий, отобранных для анализа какого-то конкретного процесса (то есть та статистика, на основе которой физики, например, заявляют об открытии новой частицы), обычно намного меньше числа реально зарегистрированных событий этого типа. Дело в том, что обычно искомые события происходят довольно редко, и их приходится вылавливать из мешанины самых разнообразных фоновых процессов. Для того чтобы увеличить надежность результатов, физики обычно отбирают только самые четкие события-кандидаты, наиболее непохожие на последствия фоновых процессов. Подробнее про эту методику см. в популярной статье Анатомия одной новости, или Как на самом деле физики изучают элементарные частицы.
Эксперименты на адронных коллайдерах
Эксперименты на адронных коллайдерах
Все существующие в мире коллайдеры (ускорители на встречных пучках) можно разбить на несколько групп в соответствии с тем, какие частицы разгоняются и сталкиваются друг с другом:
электрон-позитронные коллайдеры;
электрон-протонные коллайдеры;
адронные (протон-протонные, протон-антипротонные, ядерные) коллайдеры.
Эксперименты на адронных коллайдерах, к которым относится и LHC, имеют ряд особенностей, о которых полезно рассказать отдельно.
Как выглядит типичное протон-протонное столкновение
Протон — составная частица; он состоит из трех кварков (двух u-кварков с электрическим зарядом +2/3 и одного d-кварка с зарядом –1/3), которые скреплены вместе глюонным полем. Однако если протон летит со скоростью, очень близкой к скорости света, то глюонное поле в нём перестает быть просто связывающей силой, но материализуется в виде потока частиц — глюонов, — которые летят рядом с кварками. Можно считать, что быстро летящий протон состоит из перемешанных друг в друге глюонных, кварковых и даже антикварковых «облаков» — партонных плотностей.
При очень больших энергиях протон оказывается заполненным в основном глюонами, а кварков и антикварков в нём заметно меньше. Протоны и антипротоны в таких условиях выглядят практически одинаково, и поэтому нет особой разницы, что сталкивать — протоны с протонами (как на LHC) или протоны с антипротонами (как на коллайдере Тэватрон).
Подробнее про партонные плотности в протоне
Партоны и партонные плотности
Фраза «протон состоит из трех кварков» более или менее адекватно описывает только неподвижный или медленно движущийся протон. Ультрарелятивистский протон полезно представлять себе иначе — в виде облака кварков, антикварков и глюонов, которые в совокупности называются «партоны». Эти партоны возникают за счет того, что исходные кварки могут испускать глюоны, те в свою очередь могут испускать еще глюоны или же расщепляться на кварк-антикварковые пары. Параллельно идет также и обратный процесс слияния партонов, и в результате возникает некое равновесие между партонами разного типа.
В лабораторной системе отсчета вся динамика партонных расщеплений в быстролетящем протоне выглядит как бы замороженной из-за релятивистского эффекта замедления времени. Поэтому жесткий процесс столкновения двух протонов можно рассматривать как столкновение двух отдельных партонов, а остальные партоны при этом пролетают мимо и в жесткой реакции не участвуют.
Процессы расщепления и слияния партонов приводят к тому, что их энергии не фиксированы, а с некоторой вероятностью могут быть любыми — от некого минимального значения и почти вплоть до энергии всего протона. Именно поэтому говорят не просто о партонах, а о партонных плотностях: q(x), g(x) и т. д., где x — доля энергии ультрарелятивистского протона, которую несет заданный партон.
Партонные плотности используются при вычислении сечения жестких процессов в столкновении протонов. Упрощенно, его можно записать так:
σ (pp → X) = ∫∫ dx1 dx2 fa(x1) fb(x2) · σ (ab → X)
Здесь считается, что система X родилась в столкновении партонов «a» и «b» с долей энергии x1 и x2 в первом и втором протоне, соответственно, f(x) — партонные плотности, а интегралы берутся по всем допустимым значениям.
Партонные плотности зависят еще от одной переменной — масштаба жесткости процесса. Масштаб жесткости, условно говоря, показывает, на каких расстояниях происходит столкновение партонов (то есть подпроцесс ab → X в приведенной формуле). Чем жестче процесс, тем больше партонов могут принять в нём участие, то есть тем больше партонная плотность при данном масштабе жесткости.
К сожалению, вычислить распределение партонов в протоне из первых принципов пока не удается. Однако известен закон, по которому партонные плотности растут при увеличении масштаба жесткости (это уравнения ДГЛАП, по именам Докшицера–Грибова–Липатова–Альтарелли–Паризи). С использованием этих уравнений можно запараметризовать партонные плотности и обойтись при этом очень маленьким числом параметров. Важное свойство партонных плотностей — их универсальность. Если их определить с помощью какого-то набора данных, то потом их можно использовать и для всех других экспериментов, описываемых в рамках того же формализма.
Когда два протона сталкиваются лоб в лоб, то это вовсе не значит, что каждый партон обязательно ударяется обо что-то внутри встречного протона. Обычно всё происходит проще — один кварк из одного протона сталкивается с кем-то из встречного протона, а остальные партоны просто пролетают мимо.
Столкнувшиеся друг с другом партоны получают сильный «удар», выбивающий их из родительских протонов. Однако глюонное поле обладает важным свойством — конфайнментом, который не позволяет кваркам улететь просто так. Вместо этого происходит адронизация — энергия удара тратится на рождение многочисленных адронов. Именно из-за адронизации протон-протонное столкновение так сильно отличается от электрон-позитронного. В этом процессе партоны-«наблюдатели» уже принимают самое активное участие.
Подробнее про конфайнмент и процесс адронизации
Конфайнмент и адронизация
Конфайнмент
Одно из самых важных свойств сильного взаимодействия — конфайнмент. Конфайнмент — это пленение кварков внутри адронов. Проявляется это в том, что чем дальше кварк пытается отдалиться от соседних кварков, тем сильнее между ними притяжение.
http://elementy.ru/images/lections/gregarious_quarks_600.jpg
Глюонные силы, связывающие кварки в протоне, не ослабевают при удалении одного кварка от другого. В результате при попытке «вырвать» кварк из протона глюонное поле порождает дополнительную кварк-антикварковую пару, и от протона уже отделяется не кварк, а пи-мезон. Пи-мезон уже может улететь сколь угодно далеко от протона, потому что силы между адронами ослабевают с расстоянием. Рис. с сайта www.nature.com
Глюонные силы, связывающие кварки в протоне, не ослабевают при удалении одного кварка от другого. В результате при попытке «вырвать» кварк из протона глюонное поле порождает дополнительную кварк-антикварковую пару, и от протона уже отделяется не кварк, а пи-мезон. Пи-мезон уже может улететь сколь угодно далеко от протона, потому что силы между адронами ослабевают с расстоянием. Рис. с сайта www.nature.com
http://elementy.ru/images/lections/gluonic_string_300.gif
Если попытаться разделить обычную кварк-антикварковую пару на две отдельные частицы, то между ними натягивается глюонная струна. Если струна становится слишком длинной, то она рвется, и в месте разрыва образуются новые кварк-антикварковые пары. Рис. И. Иванова
Можно это представить себе так. При попытке кварка отдалиться глюонное поле натягивается в виде струны и стремится его удержать. Если «убегающий» кварк имеет невысокую энергию, то эта струна возвращает его обратно в протон. Если же импульс кварка относительно протона большой, то струна лопается, и на месте разрыва возникает кварк-антикварковая пара. В результате кварку всё же удается «сбежать» из протона, но не в свободном виде, а в паре с антикварком, то есть в виде мезона. Энергия убегающего кварка частично тратится на рождение кварк-антикварковой пары.
Адронизация
В типичном протон-протонном столкновении при высокой энергии кварк, получив очень сильный удар, вылетает из протона с очень большим импульсом. Возникающая глюонная струна, как правило, рвется многократно, и в результате рождается множество адронов. Обычно это легчайшие мезоны — пионы, каоны и т. п. Такой процесс превращения набора партонов в набор адронов называется адронизацией.
Как эксперименты, так и численное моделирование показывают, что, хотя рожденные адроны могут вылетать под самыми разными углами, они предпочитают группироваться около направления движения жестких партонов. В случае рассеяния партонов на большой угол такие адроны порождают адронные струи:
http://elementy.ru/images/lections/hadronic_jet_600.gif
Физики пока не научились вычислять из первых принципов процесс адронизации. Поэтому связь между теорией (которая обычно работает со столкновениями партонов) и экспериментом (в котором детектируются конечные адроны) не столь непосредственна, как, например, в электрон-позитронных столкновениях. Адронизацию приходится моделировать, и соответствующие программы моделирования играют важную роль при детальной обработке экспериментальных данных.
Как правило, удар по партону получается в основном продольный, а не поперечный. В результате адроны рождаются преимущественно с большими продольными и маленькими поперечными импульсами. Из-за этого типичное протон-протонное столкновение выглядит примерно так:
http://elementy.ru/images/eltpub/proton-proton_collision_hadrons_600.gif
В типичном протон-протонном столкновении при высоких энергиях рождается множество адронов. Угловое распределение их разлета не изотропно, а «прижато» к оси столкновений. (Рис. И. Иванова)
Здесь схематично показан процесс множественного рождения адронов. Каждый адрон отмечен отдельной стрелкой, причем длина стрелки примерно соответствует импульсу адрона. В результате адроны разлетаются не изотропно во все стороны, как как бы прижаты к оси столкновения.
Изредка происходит особенно жесткий процесс, при котором столкнувшиеся партоны получают сильный поперечный удар. Эти партоны вылетают с большим поперечным импульсом, и последствия адронизации в этом случае выглядят так:
http://elementy.ru/images/eltpub/proton-proton_collision_hadronic_jets_600.gif
Иногда происходит жесткое столкновение, и тогда кроме стандартного адронного фона вылетают узкие потоки высокоэнергетических адронов — адронные струи. (Рис. И. Иванова)
Рожденные адроны группируются как вдоль оси столкновения, так и вокруг направления вылета жесткого партона. Поток адронов, вылетающих примерно в одинаковом направлении, называется адронной струей.
Кроме жесткого рассеяния двух партонов, существуют и другие механизмы рождения струй. Так, в столкновении двух партонов лоб в лоб может родиться очень тяжелая частица (например, Z-бозон), которая затем распадается на два кварка, а они уже порождают струи. Собственно, изучение событий со струями — это и есть один из методов поиска тяжелых нестабильных частиц. Наблюдаются также и многоструйные события.
Кинематика протон-протонных столкновений
Поскольку партонов внутри протона много, каждый партон несет лишь небольшую долю всей энергии протона. Из-за этого полная энергия столкновения двух партонов получается заметно меньше, чем номинальная энергия протон-протонного столкновения. Например, когда на LHC два протона сталкиваются с энергией 7+7 ТэВ, происходят процессы столкновения партонов, скажем, с энергиями 1+2 ТэВ, или 0,5+0,3 ТэВ, или 0,2+0,05 ТэВ и т. д.
Все эти столкновения происходят с некоторой частотой, причем чем меньше энергия, чем чаще они происходят. Именно поэтому увеличение энергии протонов приводит к резкому увеличению сечения многих интересных процессов столкновения. Например, на протон-антипротонном коллайдере Тэватрон тоже происходят столкновения двух партонов с энергией 0,5+0,3 ТэВ, но на LHC они будут происходит на порядки чаще.
Из-за того, что распределение частиц не изотропно, а прижато к осям, кинематику частиц на адронных коллайдерах удобно описывать с помощью переменных «быстрота–угол». В таких переменных удобно выделяются разные типы процессов, происходящих в протонных столкновениях.
Подробнее про диаграмму быстрота-угол и ее использование для анализа событий
Диаграмма «быстрота–угол»
Когда описывают направление вылета рожденной частицы, то обычно используют два угла в сферических координатах: полярный угол θ и азимутальный угол φ. Однако частицы, рожденные в протонных столкновениях, сильно прижаты к оси столкновения и распределены по углу θ очень неравномерно. Поэтому при описании частиц, рожденных в протонных столкновениях, принято использовать другую, более удобную кинематическую переменную, называемую быстротой (а точнее, «псевдобыстротой»): η = – ln (tg (θ/2)). Например, быстрота η = 1 отвечает углу θ = 40°, а быстрота 3 — углу θ = 5,7°.
Положительная и отрицательная быстрота равноправны и отвечают лишь частицам, летящим под малым углом к оси столкновения в ту или в другую сторону. Вообще, быстрота может быть по модулю сколь угодно большой, то есть угол отклонения частицы от оси столкновения может быть сколь угодно малым, однако центральный детектор обычно улавливает частицы с быстротой по модулю не выше 3–5. Для поимки частиц, отклонившихся на очень малые углы (с быстротой вплоть до 12), применяют специальные форвард-детекторы, которые устанавливаются прямо внутри вакуумной трубы и очень далеко от точки столкновения.
Польза от новой кинематической величины (быстроты) состоит в том, что адроны, рожденные в протонных столкновениях, распределены по быстроте гораздо более равномерно, чем по углу θ, что делает анализ сложного события проще и нагляднее. Пару переменных «быстрота — азимутальный угол φ» обычно изображают на прямоугольнике:
http://elementy.ru/images/eltpub/rapidity-angle-diagram_fig1_600.gif
Типичный процесс рождения адронов и его отображение в диаграмме «быстрота–угол». Каждая точка на диаграмме отвечает одному адрону. «Прижатость к осям» отображается на диаграмме «быстрота–угол» как более или менее равномерная плотность частиц. (Рис. И. Иванова)
А так выглядит процесс рождения двух струй, вылетающих в противоположных направлениях:
http://elementy.ru/images/eltpub/rapidity-angle-diagram_fig2_600.gif
Рождение двух струй и отображение этого процесса на диаграмме «быстрота–угол». На равномерном фоне адронов выделяются два адронных кластера — это адроны из двух струй. Выделение струй далеко не всегда столь очевидно, как на этом рисунке; обычно этим занимаются специально созданные алгоритмы нахождения струй. (Рис. И. Иванова)
А вот так выглядит особый тип событий — события с щелью по быстроте (rapidity gap):
http://elementy.ru/images/eltpub/rapidity-angle-diagram_fig3_600.gif
Особый тип событий — события с щелью по быстроте. Его характерной особенностью является отсутствие частицы в центральной области по быстроте. (Рис. И. Иванова)
Такие события возникают в том случае, если два сталкивающихся партона почти не теряют продольный импульс, а лишь получают небольшой поперечный удар. От этого удара протон разваливается на несколько адронов, но все они летят почти вперед, и поэтому в центральной области по быстроте (то есть с небольшим значением |η|) нет никаких частиц. Такие события очень интересны, поскольку они могут возникать за счет обмена между протонами динамическим объектом, называемым помероном (по имени И. Я. Померанчука). Изучение померона и его свойств — отдельная большая область в теории сильных взаимодействий.
Диаграмме «быстрота–угол» часто добавляют третье измерение — по нему откладывают энергию частиц, измеренную в калориметрах. Благодаря этому диаграмма становится еще нагляднее: на ней легче заметить жесткие столкновения. На рисунке внизу показано одно из реальных событий, зарегистрированных на Тэватроне, которое оказалось похоже на рождение и распад пары топ-кварк–анти-топ-кварк:
http://elementy.ru/images/eltpub/rapidity-angle-energy_diagram_600.jpg
Диаграмма «угол–быстрота–энергия» для одного из реальных событий, зарегистрированных на Тэватроне. Розовые и синие столбики показывают энергию, зафиксированную в электромагнитном и адронном калориметрах. Это событие было отобрано как кандидат на рождение и распад пары топ-кварк-антикварковой пары. Рис. из блога dorigo.wordpress.com
Трудности изучения протон-протонных столкновений
В изучении протон-протонных столкновений есть две главные трудности: одна экспериментальная и одна теоретическая.
В каждом столкновении рождается слишком много частиц. Некоторые из них при этом вообще не попадают в детектор, а «улетают в трубу», так что разобраться в этой мешанине очень трудно.
Теоретики умеют хорошо рассчитывать процессы с отдельными кварками или глюонами, но описать адронизацию из первых принципов пока не удается. Адронизацию приходится учитывать с помощью численного моделирования, и поэтому связь между теорией и экспериментом не столь непосредственна, как, например, в электрон-позитронных столкновениях.
Однако есть несколько приемов, позволяющих в этой ситуации всё же узнать немало нового.
Во-первых, не все рожденные частицы одинаково «интересны». Самую важную информацию несут частицы с большим поперечным импульсом, то есть струи. Углы вылета и энергия струй «помнят» то жесткое столкновение между кварками или глюонами, которое их породило. Изучая свойства струй, экспериментаторы могут нащупать более тесную связь с теорией.
Во-вторых, иногда помимо адронов рождаются и другие частицы с большой энергией — электроны, мюоны, фотоны. Эти частицы не участвуют в сильном взаимодействии, поэтому адронизации им не мешает. Отбирая события с такими частицами, можно изучать гораздо более редкие процессы, чем в исключительно адронных событиях.
Подробнее про разнообразные методы анализа событий в адронных коллайдерах
Некоторые приемы анализа протон-протонных столкновений
Обработка результатов протон-протонных столкновений на адронных коллайдерах и сравнение их с теоретическими предсказаниями тоже имеет свои особенности по сравнению с другими типами коллайдеров. Связаны они со следующими двумя аспектами:
1) В типичном столкновении двух протонов рождается много (несколько десятков) адронов, причем многие из них вылетают под очень малыми углами и избегают детектирования («улетают в трубу»). Поймать абсолютно все рожденные частицы, и тем более восстановить, какая из них как родилась, удается нечасто.
2) Теоретические расчеты обычно ведутся на уровне партонов, а в эксперименте детектируются адроны. Процесс превращения набора партонов в набор адронов пока не поддается теоретическим расчетам из первых принципов. Его приходится моделировать, опираясь как на теорию, так и на данные предыдущих экспериментов. Поэтому связь между теорией и экспериментом не столь непосредственна, как, например, в электрон-позитронных столкновениях.
В ситуации, когда нет возможности и смысла отлавливать все родившиеся частицы, применяются специфические методы анализа событий. Каждый из них акцентирует внимание на том или ином аспекте процесса. Вот некоторые из таких методов.
Можно изучать инклюзивные процессы, то есть свойства сразу всей совокупности рожденных адронов (pp → X, где X обозначает любой набор адронов). Тут интересны такие величины, как количество рожденных адронов, их распределение по быстроте и по поперечному импульсу. Более тонкий анализ — полуинклюзивные процессы, в которых фиксируется одна частица, а остальные могут быть любые (например, pp → πX).
Можно анализировать события с несколькими струями. Поскольку направление и энергия струи коррелирует с направлением и энергией породившего ее партона, анализ таких событий будет более приближен к теоретическим расчетам, чем в инклюзивных процессах. Интересные величины здесь: распределение струй по быстроте и по поперечному импульсу, соотношения между двухструйными и многоструйными событиями и т. д. Эти величины отражают свойства жесткого партонного подпроцесса.
Особый класс струй — струи, порожденные b-кварком (b-струи). Поскольку b-кварки участвуют во многих важных процессах на LHC (например, в распаде легкого хиггсовского бозона и распаде t-кварка), полезно научиться отличать b-струи от всех остальных типов струй. Это возможно благодаря достаточно большому времени жизни мезонов, содержащих b-кварк. Точка распада b-кварка отстоит на доли миллиметра от точки столкновения протонов, что можно заметить с помощью вершинных детекторов.
http://elementy.ru/images/eltpub/dzero_two_b-jet_event_600.jpg
Результат восстановления события с двумя b-струями в эксперименте DZero на коллайдере Тэватрон. Большинство рожденных частиц выходят из одной точки, однако две группы адронных треков (показаны синим цветом) сходятся в точках, слегка отстоящих от точки столкновения. Показаны также родившиеся в реакции лептоны — электрон и мюоны. Рис. с сайта www.fnal.gov
Поиск событий с высокоэнергетическими лептонами или фотонами. Эти частицы рождаются не за счет сильного, а за счет электромагнитного или слабого взаимодействий, поэтому на них не сказываются эффекты адронизации.
События с высокоэнергетическими лептонами или фотонами появляются, как правило, в результате рождения и распада какой-то очень тяжелой частицы, обычно W- и Z-бозонов. С одной стороны, лептонные распады удобны для поиска этих частиц, поскольку такие события очень «чистые» (то есть не загрязнены адронным фоном). Но с другой стороны, лептоны часто рождаются в паре с нейтрино, которые уносят поперечный импульс и не регистрируются в детекторе. Тем не менее изучение процессов с лептонами, как правило, более перспективно, чем изучение чисто адронных каналов.
См. пример подробного разбора события с электроном и четырьмя струями, выполненного в эксперименте CDF на коллайдере Тэватрон. После анализа это событие было классифицировано как кандидат на рождение и распад топ-кварк–антикварковой пары.
Хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии
Краткое описание
http://elementy.ru/images/lhc/standard_model_particles_300.jpg
Все известные на сегодня элементарные частицы и их взаимодействия с хорошей точностью описываются Стандартной моделью. Хиггсовский бозон — неоткрытая пока частица, которая очень важна для этой теории (изображение с сайта GridPP)
Современная теория элементарных частиц опирается на определенную симметрию между электромагнитными и слабыми взаимодействиями — электрослабую симметрию. Считается, что эта симметрия была в ранней Вселенной и из-за нее частицы были поначалу безмассовы, но на каком-то этапе она самопроизвольно нарушилась, и частицы приобрели массу. В теории элементарных частиц для этого нарушения электрослабой симметрии был придуман хиггсовский механизм. Именно его должен будет изучить LHC.
Для этого в эксперименте потребуется открыть хиггсовский бозон — частицу-отголосок хиггсовского механизма. Если этот бозон будет найден и изучен, физики узнают, как протекало нарушение симметрии, и даже, возможно, создадут новую, более глубокую теорию нашего мира. Если этот бозон не будет найден (ни в каком виде!), то потребуется серьезный пересмотр Стандартной модели элементарных частиц, поскольку без хиггсовского механизма она работать не может.
Все эксперименты, проведенные до сих пор, не могли справиться с этой задачей из-за недостаточно большой энергии частиц. Ожидается, что коллайдер LHC с его рекордной энергией протонов даст ответы на все ключевые вопросы.
Чуть подробнее
Современная теория элементарных частиц — Стандартная модель — занимается не столько перечислением фундаментальных частиц, сколько описанием их взаимодействий. В основе ее лежит идея, что два таких, казалось бы, разных взаимодействия, как электромагнитное и слабое, на самом деле являются двумя сторонами «одной медали» — электрослабого взаимодействия.
В рамках этой теории получается так, что при высокой температуре между слабыми и электромагнитными взаимодействиями существует симметрия. Но электрослабая симметрия возможна только тогда, когда фундаментальные частицы безмассовы, а мы знаем из опыта, что в нашем мире эти частицы массивны. Значит, симметрия должна быть нарушена. Хиггсовский механизм как раз и является той движущей силой, которая нарушает эту симметрию. Можно сказать, что главная задача хиггсовского механизма — сделать частицы массивными.
Происходит это так. В квантовой теории все частицы — это вовсе не «твердые шарики», а кванты, колеблющиеся «кусочки» поля. Электроны — это колебания электронного поля, фотоны — колебания электромагнитного поля и т. д. У каждого поля есть состояние с самой низкой энергией — оно называется «вакуумом» этого поля. Для обычных частиц вакуум — это когда частицы отсутствуют, то есть когда их поле везде равно нулю. Если частицы присутствуют (то есть поле не везде равно нулю), то такое состояние поля обладает энергией больше, чем у вакуума.
http://elementy.ru/images/eltpub/field_vacuum_&_particles_600.gif
В квантовой теории каждый сорт частиц — это колебания некоторого поля. У этого поля есть вакуум — состояние, при котором поле везде равно нулю. (Рис. И. Иванова)
А хиггсовское поле устроено особым образом — у него вакуум ненулевой. Иными словами, состояние с наинизшей энергией хиггсовского поля — это когда всё пространство пронизано хиггсовским полем определенной силы, на фоне которого движутся остальные частицы. Колебания хиггсовского поля относительно этого «вакуумного среднего» — это хиггсовские бозоны, кванты хиггсовского поля.
http://elementy.ru/images/eltpub/higgs_field_vacuum_&_higgs_bosons_600.gif
Хиггсовское поле выделяется среди других тем, что у него вакуумом является состояние, при котором вселенная равномерно заполнена некоторым постоянным полем. Хиггсовские бозоны — колебания этого поля относительно вакуумного среднего. (Рис. И. Иванова)
Вездесущее присутствие фонового хиггсовского поля сказывается на движении частиц строго определенным образом — оно затрудняет ускорение частиц, но не мешает их равномерному движению. Частицы становятся более инертными, под действием внешних сил они начинают двигаться как-то неохотно — иными словами, у них появляется масса. Эта масса тем больше, чем сильнее они «цепляются» за хиггсовское поле. Впрочем, некоторые частицы, например фотоны, не цепляются напрямую к хиггсовскому полю и остаются безмассовыми.
Существует множество попыток объяснить суть хиггсовского механизма на пальцах, самыми простыми словами. Некоторые из них приведены на страничке Хиггсовский механизм в аналогиях (http://elementy.ru/LHC/HEP/higgs_theory/explanations).
Хиггсовские бозоны тоже массивные, поскольку хиггсовское поле взаимодействует само с собой. Отличительная черта хиггсовских бозонов — они взаимодействуют с разными частицами пропорционально их массе — ведь хиггсовское вакуумное среднее и хиггсовский бозон суть два проявления одного и того же хиггсовского поля. Это свойство хиггсовских бозонов очень важно для их поиска на LHC.
Подробности про поиск хиггсовского бозона на LHC
Общая стратегия
В Стандартной модели — единственной на сегодня теории, которая хорошо описывает мир элементарных частиц, — до сих пор не проверено на опыте одно очень важное явление — хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии.
Подробнее про хиггсовский механизм (http://elementy.ru/LHC/HEP/higgs_theory)
Проверка этого механизма — одна из центральных задач LHC (http://elementy.ru/LHC/LHC/tasks). Эту задачу можно разбить на три этапа:
1) найти частицу, похожую на хиггсовский бозон,
2) проверить, что эта частица обладает свойствами, которые ожидаются от хиггсовского бозона,
3) выяснить, какой из вариантов хиггсовского механизма согласуется с экспериментальными данными.
Поскольку хиггсовский бозон нестабилен, искать его будут по продуктам распада. На какие частицы распадается бозон Хиггса — зависит от его массы, а она, к сожалению, пока неизвестна. Теория утверждает лишь, что бозон Хиггса должен быть заметно легче 1 ТэВ, и, кроме того, эксперименты на электрон-позитронном коллайдере LEP показали, что он тяжелее 114 ГэВ. Поэтому экспериментаторам на LHC придется искать хиггсовский бозон сразу «по всем фронтам», в диапазоне масс примерно от 100 до 1000 ГэВ. Впрочем, возможно, что новые данные с коллайдера Тэватрон (http://elementy.ru/news/430727) укажут примерное значение массы бозона, что заметно упростит задачу его поиска на LHC.
Рождение и распад бозона Хиггса
В протон-протонном столкновении на LHC соударяются в реальности не протоны целиком, а составляющие их частицы — партоны. (Подробнее про партоны.) Существует несколько механизмов рождения хиггсовского бозона, но доминирующим на LHC будет возникновение хиггсовского бозона в глюон-глюонных столкновениях.
Хиггсовский бозон обладает исключительным свойством — чем тяжелее частица, тем сильнее он к ней «цепляется». Из-за этого распадаться хиггсовский бозон будет преимущественно на самые тяжелые частицы, разрешенные законом сохранения энергии. Именно поэтому картина распада хиггсовского бозона зависит от его массы.
Подробнее про рождение и распад бозона Хиггса (http://elementy.ru/LHC/LHC/tasks/higgs/production_decay)
Основные стратегии поиска
Выработаны несколько стратегий поиска хиггсовского бозона в зависимости от его массы.
«Легкий» бозон Хиггса.
Если хиггсовский бозон легче 140 ГэВ, то распадаться он будет в основном на b-кварк–антикварковые пары. Эти кварки породят две адронные струи (http://elementy.ru/LHC/HEP/experiments), которые смешаются со всеми остальными адронами, и найти следы бозона Хиггса в этой мешанине будет практически невозможно. Для того чтобы обойти эти трудности, предполагается искать редкие распады хиггсовского бозона (например, в два фотона) либо изучать более сложные события, когда хиггсовский бозон рождается вместе с другими тяжелыми частицами.
«Тяжелый» бозон Хиггса.
Если масса хиггсовского бозона больше 140 ГэВ, то он будет распадаться в основном на два W-бозона или на два Z-бозона. В этом случае хиггсовский бозон будет найти легче, потому что W- и Z-бозоны могут при распаде давать электроны и мюоны, а их детектировать и изучать очень легко.
Подробнее про стратегии поиска бозона Хиггса (http://elementy.ru/LHC/LHC/tasks/higgs/search_strategies)
Проверка того, что открытая частица действительно есть бозон Хиггса
Разумеется, факт открытия какой-то частицы в подходящей области масс еще не означает, что это именно бозон Хиггса. После открытия частицы потребуется внимательное изучение ее свойств. Надо будет проверить, что у открытой частицы нулевой электрический заряд, нулевой спин и, самое главное, что она действительно взаимодействует с тяжелыми частицами сильнее, чем с легкими. Для этого потребуется изучать распад хиггсовского бозона в самые разнообразные наборы частиц и затем сравнить вероятности этих распадов с теоретическими предсказаниями (они уже давно сосчитаны и ждут проверки).
Когда найдут хиггсовский бозон?
Для того чтобы объявить об открытии частицы, недостаточно увидеть ее следы один или два раза. Физики должны надежно отделить «хиггсовский сигнал» от фона, то есть убедиться, что та же самая картина распада не может быть статистической флуктуацией посторонних процессов. А для этого надо набрать достаточно много событий-кандидатов, похожих на рождение и распад искомой частицы.
Время, необходимое для набора достаточной статистики, зависит от массы хиггсовского бозона. Для легкого хиггсовского бозона фоновые процессы сильные, поэтому потребуется около 2–3 лет, чтобы найти достаточно убедительные доказательства существования хиггсовского бозона. Тяжелый хиггсовский бозон искать проще, и его можно будет открыть в течение первого года работы LHC, то есть к концу 2009 года. Однако не исключено, что при таком раскладе событий к этому времени хиггсовский бозон будет найден и на Тэватроне.
Всё это относится к хиггсовскому бозону Стандартной модели, то есть в простейшем варианте хиггсовского механизма. Если же в природе реализуется какой-то неминимальный хиггсовский механизм, то поиск (хотя бы одного) хиггсовского бозона может как ускориться, так и затянуться.
Подробнее про неминимальные хиггсовские модели (http://elementy.ru/LHC/HEP/higgs_theory/nonminimal)
Всё ли известно про хиггсовский механизм?
Вовсе нет! Более того — про него известно очень, очень мало.
Дело в том, что практически все экспериментальные данные, на которых «выросла» Стандартная модель, требуют лишь сам факт нарушения симметрии, но почти ничего не говорят по поводу его механизма. Поэтому проблема сейчас заключается не в том, что физики не знают, как объяснить нарушение электрослабой симметрии, а в том, что они придумали уже очень много вариантов этого нарушения.
Некоторые из них очень простые — как в Стандартной модели, другие — идейно простые, но чуть более сложные в исполнении (например, в моделях с несколькими бозонами Хиггса), а некоторые опираются на принципиально новые идеи, например суперсимметрию, многомерные пространства или новый тип взаимодействия. Все эти варианты собирательно называют «неминимальные хиггсовские механизмы». Какой из них окажется ближе к реальности, можно будет узнать после нескольких лет работы LHC.
Подробнее про неминимальные варианты хиггсовского механизма
Неминимальные варианты хиггсовского механизма
Стандартная модель требует некоторого механизма нарушения электрослабой симметрии, но не указывает, как именно этот механизм работает. В связи с этим теоретики сейчас пробуют самые разнообразные варианты устройства хиггсовского сектора теории. Все эти варианты можно условно назвать «неминимальными» хиггсовскими моделями — в противовес той минимальной конструкции, которая обычно рассматривается в Стандартной модели. Здесь кратко описаны некоторые из этих моделей.
Двух- и многодублетные хиггсовские модели
В Стандартной модели считается, что хиггсовские поля изменяются при электрослабых преобразованиях строго определенным образом — они образуют один электрослабый дублет. Можно безболезненно расширить Стандартную модель, рассмотрев не один, а два дублета хиггсовских полей. В этом случае после нарушения электрослабой симметрии возникает не один, а пять физических хиггсовских бозонов — три электрически нейтральных (обычно их обозначают H, h, A) и пара заряженных (H+ и H–).
В такой двухдублетной хиггсовской модели (2HDM) есть много новых параметров, которые заранее неизвестны, и потому можно рассматривать разные их значения. В простейших вариантах три нейтральных бозона имеют определенную CP-четность — h (легкий скаляр, CP = +1), H (тяжелый скаляр, CP = +1), A (псевдоскаляр, CP = –1), но есть целый класс двухдублетных моделей, где скаляры и псевдоскаляры смешиваются. В этом варианте хиггсовский сектор является источником CP-нарушения и может быть отчасти ответствен за наблюдаемое CP-нарушение в нейтральных мезонах.
Существуют варианты двухдублетной модели (например, инертная двухдублетная модель), в которых ненулевое вакуумное среднее приобретает только один из двух дублетов. В этом случае хиггсовский бозон, возникающий из второго дублета, оказывается массивным, но не может распасться ни на какие частицы. Такой бозон может быть кандидатом в частицы темной материи.
Два хиггсовских дублета возникают и в минимальном суперсимметричном расширении Стандартной модели (MSSM, minimal supersymmetric Standard Model).
Рассматриваются также и многодублетные хиггсовские модели. Количество физических хиггсовских бозонов в таких теориях возрастает, и имеет смысл их рассматривать только в том случае, если они позволяют «естественным способом» решить какую-то проблему. Например, в так называемой частной модели Хиггса вводится по одному дублету хиггсовских полей для каждого фермиона, и при этом удается устранить проблему иерархий для масс фермионов.
Недублетные хиггсовские поля
Даже если имеется множество хиггсовских полей, то, как показывают экспериментальные данные, «главное» из них должно быть электрослабым дублетом. Однако дополнительные поля могут преобразовываться иным образом под действием электрослабой группы — они могут быть синглетами, триплетами и т. д. Поэтому рассматриваются также модели, где в дополнение к дублету (или дублетам) вводятся и других хиггсовские бозоны.
Эти теории имеют свои особенности. Например, в теории с триплетными хиггсовскими полями возникают хиггсовские бозоны с электрическим зарядом 2 (H++ и H--). Определенный вариант теории «два дублета + один синглет» используется в одной из разновидностей суперсимметричных теорий — NMSSM (next-to-minimal supersymmetric Standard Model).
Малые модели Хиггса (Little Higgs models)
В малых моделях Хиггса хиггсовский бозон — составная частица, а фундаментальными являются некие новые частицы, имеющие массы в районе 10 ТэВ или выше. Построены эти модели в духе моделей из низкоэнергетической адронной физики, в которых частицы, ответственные за взаимодействие нуклонов (пи-мезоны), заметно легче, чем характерный энергетический масштаб теории.
Сильная сторона малых моделей Хиггса в том, что они естественным образом устраняют так называемый «LEP-парадокс». Он состоит в том, что, с одной стороны, косвенные данные указывают на то, что новые частицы начнут появляться на энергетическом масштабе в сотни ГэВ, но с другой стороны, эти частицы до сих пор поразительным образом прятались от наблюдения при чуть меньших энергиях (в частности, на электрон-позитронном коллайдере LEP с суммарной энергией 200 ГэВ). В малой модели Хиггса энергетический масштаб новых явлений сам собой смещается в область десятков ТэВ, что устраняет проблему.
Можно ли обойтись без хиггсовского механизма?
В принципе, да, но тогда неизбежно получится намного более экзотическая теория, чем Стандартная модель с обычным хиггсовским механизмом.
Тут нужно понимать логическую цепочку. Если мы принимаем идею электрослабой симметрии, то тогда эту симметрию необходимо как-то нарушить. Хиггсовский механизм — самый естественный и минимальный способ такого нарушения. Есть попытки построения бесхиггсовского механизма, но все они очень экзотические и требуют введения новых частиц, взаимодействий или даже пространственных координат. Конечно, будет очень интересно, если именно такая модель реализуется в нашем мире, но с точки зрения конструирования моделей это гораздо более сложные и менее естественные теории, чем хиггсовский механизм.
Если же мы не принимаем идею электрослабой симметрии, то хиггсовский механизм уже не нужен, но тогда потребуется создать иную теорию слабых взаимодействий, которая бы объяснила все наблюдаемые свойства частиц. Напомню, что Стандартная модель не только прекрасно справляется с этим, но и именно на ее основе были предсказаны и затем подтверждены в эксперименте свойства W- и Z-бозонов, отвечающих за слабое взаимодействие. Никакой другой теории, которая могла бы прийти на замену Стандартной модели, пока нет.
На все ли вопросы отвечает хиггсовский механизм?
Опять же, нет. Хиггсовский механизм не объясняет всё, он лишь завершает Стандартную модель, делая ее теорией, пригодной для вычислений при энергиях много меньше 1 ТэВ.
Поэтому при попытке экстраполировать Стандартную модель на очень большие энергии возникают проблемы. Подчеркнем, что это проблемы не хиггсовского механизма самого по себе, а всей Стандартной модели. Они отражают тот факт, что СМ не полна и является лишь «приблизительной» теорией, хорошо работающей лишь при низких энергиях.
При высоких энергиях вместо Стандартной модели должна заработать какая-то новая, более глубокая и еще не построенная теория, в которой эти проблемы будут (отчасти?) решены. Что это за теория — достоверно не известно, но наработок существует уже очень много. Поэтому главная задача LHC — попытаться хоть краешком глаза увидеть проявления этой теории, чтобы понять, куда двигаться дальше. Большинство физиков уверены, что этого можно достичь именно через исследования хиггсовского механизма.
Устройство и задачи LHC
LHC: ключевые факты
http://elementy.ru/images/lhc/lhc_overall_view_600.jpg
© CERN. Общий вид LHC с основными экспериментальными установками. Белой пунктирной линией показана граница Швейцарии и Франции (изображение с сайта cdsweb.cern.ch)
LHC — сокращение от Large Hadron Collider, Большой адронный коллайдер. «Большим» он назван из-за своего размера (его периметр составляет примерно 27 км), «адронным» — потому что он ускоряет протоны и тяжелые ядра, которые являются адронами (то есть частицами, состоящими из кварков (http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/a19.htm)), «коллайдером» — потому что ускоряются эти частицы в двух пучках, циркулирующих в нём в противоположных направлениях, и в специальных местах сталкиваются друг с другом.
LHC находится на территории Швейцарии и Франции, вблизи Женевы, в туннеле на глубине около 100 метров (раньше в этом же туннеле располагался электрон-позитронный коллайдер LEP). Исследования на нём координирует ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований (http://elementy.ru/lib/430082), но реально работают на нём десятки тысяч человек из самых разных стран и организаций.
В LHC можно выделить сам ускоритель и несколько детекторов, построенных вокруг точек столкновения протонов. В самом ускорителе протоны разгоняются до энергии 7 ТэВ (http://elementy.ru/LHC/HEP/measures) на протон, так что полная энергия в системе центра масс двух сталкивающихся протонов равна 14 ТэВ. В каждом из двух встречных пучков — многие миллиарды протонов, поэтому полная энергия, запасенная в пучке, очень велика, она примерно равна кинетической энергии летящего самолета.
Детекторы — это отдельные экспериментальные установки, по своей сложности не уступающие самому ускорительному кольцу. На LHC работает сразу несколько экспериментов, каждый со своим детектором. Два самых главных — это ATLAS (http://atlas.ch/) и CMS (http://cms.cern.ch/); см. также список других экспериментов (http://public.web.cern.ch/Public/Content/Chapters/AboutCERN/CERNFuture/LHCExperiments/LHCExperiments-en.html).
LHC — самая сложная экспериментальная установка, когда-либо созданная человеком. Ускоритель и детекторы начали строиться более 10 лет назад; отдельные их компоненты создавались и тестировались в сотнях научных лабораторий мира, да и сама сборка ускорителя и детекторов на месте заняла около двух лет. Беглый взгляд на устройство и задачи LHC даст вот этот видеоролик (http://www.youtube.com/watch?v=67q_2V6xOxE&feature=related). LHC будет работать в течение нескольких лет и должен будет решить ряд поставленных перед ним задач (http://elementy.ru/LHC/LHC/tasks). Ожидается, что данные LHC приведут к бурному развитию физики элементарных частиц, что скажется на всей физике в целом.
Подробнее об устройстве и работе LHC см. на официальном сайте ЦЕРНа (http://cern.ch/).
Устройство LHC
Ускоритель — это установка для разгона пучков элементарных частиц; коллайдер — это такой тип ускорителя, в котором разгоняются два пучка частиц в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. В русскоязычной терминологии коллайдер называют также ускорителем на встречных пучках.
С точки зрения научной задачи сам ускоритель выполняет только полдела — он лишь сталкивает частицы. Изучением результатов столкновения занимаются детекторы элементарных частиц — специальные многослойные установки, собранные вокруг точек столкновения. Иногда ускорителем называют тандем «ускоритель + детекторы»; в этом случае, если надо подчеркнуть, что речь идет именно об ускорителе, а не о детекторах, часто говорят «ускорительное кольцо». На этой страничке рассказывается именно об устройстве ускорительного кольца LHC.
Общий вид
LHC — циклический (то есть кольцевой) коллайдер; пучки протонов или ядер свинца циркулируют в нём непрерывно, совершая свыше 10 тысяч оборотов в секунду и сталкиваясь на каждом круге со встречным пучком. На рис. 1 показана схема расположения основных элементов ускорительного кольца LHC.
http://elementy.ru/images/lhc/lhc-accelerator_fig1.gif
Рис. 1. Общий вид ускорительного кольца LHC (рисунок И. Иванова)
Всё кольцо LHC поделено на восемь секторов, границы которых отмечены точками от 1 до 8. На каждом участке (1–2, 2–3 и т. д.) стоят в ряд магниты, управляющие протонным пучком. Благодаря магнитному полю поворотных магнитов сгустки протонов не улетают прочь по касательной, а постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца. Эти магниты формируют орбиту, вдоль которой движутся протоны. Кроме того, специальные фокусирующие магниты сдерживают поперечные колебания протонов относительно «идеальной» орбиты, не давая им задевать стенки довольно узкой (диаметром несколько сантиметров) вакуумной трубы.
Внутри ускорителя идут рядом друг с другом две вакуумные трубы, по которым циркулируют два встречных протонных пучка, каждый в своем направлении. Эти две трубы объединяются в одну только в специально выделенных местах — в точках 1, 2, 5, 8. В этих точках происходят столкновения встречных протонных пучков, и именно вокруг них построены четыре основных детектора: два крупных — ATLAS и CMS, и два средних — ALICE и LHCb. Вблизи двух крупных экспериментов установлены также два специализированных мелких детектора — TOTEM и LHCf.
В точке 4 расположена ускорительная секция. Именно здесь протонные пучки при разгоне получают с каждым оборотом дополнительную энергию. В точке 6 находится система сброса пучка. Здесь установлены быстрые магниты, которые в случае необходимости уводят пучки по специальному каналу прочь от ускорителя. В точках 3 и 7 установлены системы чистки пучка; кроме того, эти места зарезервированы для возможных будущих экспериментов.
Протонные пучки попадают в LHC из предварительного ускорителя SPS. Линии передачи пучка (Tl2 и Tl8), соединяющие два этих кольцевых ускорителя вместе со специальными магнитами на каждом из них, составляют вместе инжекционный комплекс коллайдера LHC (от слова «инжекция» — впрыскивание пучка). Поскольку на SPS пучок крутится только в одну сторону, инжекционный комплекс состоит из двух линий и имеет несимметричный вид. В ускорительное кольцо SPS протоны попадают из источника через цепочку еще меньших ускорителей.
Магнитная система LHC
Как и любое тело, сгусток элементарных частиц, предоставленный сам себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно. Для того чтобы удерживать его на круговой траектории внутри ускорителя (а также поддерживать от падения вниз под действием силы тяжести), требуется постоянно воздействовать на пучок магнитным полем.
На LHC для управления пучками используется несколько тысяч магнитов разного назначения. Именно они являются самой важной (и самой дорогой) частью ускорителя. Траекторией пучков управляют поворотные магниты, которые слегка разворачивают пролетающий сквозь них пучок и удерживают его внутри кольцевой вакуумной трубы. Имеются также фокусирующие магниты, не дающие пучку расплыться, и разнообразные корректирующие магниты. В точках инжекции и сброса пучка установлены специальные быстрые магниты.
Инжекционный комплекс
Протоны поступают в LHC из предварительного ускорителя SPS («Протонного суперсинхротрона»). Имеются две линии передачи пучка, которые отходят от SPS в двух местах и подходят к ускорительному кольцу LHC вблизи точек 2 и 8 (эти линии называются Tl2 и Tl8). Инжекционный комплекс — это сложное инженерное сооружение, работоспособность которого зависит не только от правильной настройки магнитной системы, но и от точной синхронизации ритма работы SPS и LHC.
Инжекция (то есть «впрыскивание») протонов в LHC происходит не непрерывно, а импульсами. Во время работы LHC линии передачи пустуют, а в предварительном ускорителе SPS накапливается очередная порция протонов. В конце каждого цикла работы LHC высокоэнергетический пучок сбрасывается, и коллайдер подготавливается к приему новой порции электронов. В течение нескольких минут следует серия импульсных включений и выключений быстрых магнитов на концах линии передачи протонов, в ходе которых протонные сгустки переводятся из SPS в LHC и один за другим выстраиваются на свои «позиции» в пучке, не мешая уже циркулирующим сгусткам.
http://elementy.ru/images/lhc/lhc_accelerator_chain.gif
Рис. 2. Схема цепочки ускорителей для накопления и поэтапного разгона протонов и ионов перед их инжекцией в LHC (рис. с сайта en.wikipedia.org из статьи LHC)
Перед тем как попасть в SPS, протоны проходят через несколько ускорителей меньшего размера. Полный ускорительный комплекс ЦЕРНа описан на странице CERN accelerator complex (http://public.web.cern.ch/public/en/Research/AccelComplex-en.html) (см. также краткую схему на рис. 2). Вначале с помощью ионизации протоны добываются из газообразного водорода, затем их разгоняют до энергии 50 МэВ в линейном ускорителе и впрыскивают в бустер PSB. Там протоны разгоняются до энергии 1,4 ГэВ, переводятся в протонный синхротрон PS, ускоряются до 25 ГэВ и только после этого попадают в SPS. В нём они разгоняются до 450 ГэВ и инжектируются в LHC. Похожую последовательность ускорителей проходят и ядра свинца, правда в их случае есть специфика, связанная с нагревом и атомизацией свинцового образца и ионизацией атомов.
Ускорительная секция
Протоны впрыскиваются в LHC на энергии 0,45 ТэВ и ускоряются до 7 ТэВ уже внутри основного ускорительного кольца. Этот разгон происходит во время пролета протонов сквозь несколько резонаторов, установленных в точке 4.
http://elementy.ru/images/lhc/lhc-accelerator_fig3.gif
Рис. 3. Криомодуль, содержащий четыре резонатора. На каждый из двух пучков приходится два таких криомодуля (фото с сайта mediaarchive.cern.ch)
Резонатор представляет собой полую металлическую камеру сложной формы (см. рис. 3), внутри которой возбуждается стоячая электромагнитная волна с частотой колебаний примерно 400 МГц. Эффективное и однородное ускорение всего пучка переменным полем оказывается возможным благодаря тому, что весь пучок разбит на отдельные сгустки, следующие на строго определенном расстоянии друг за другом. Когда сгусток протонов пролетает сквозь резонатор, электромагнитное колебание находится как раз в такой фазе, чтобы электрическое поле вдоль оси пучка подталкивало протоны вперед.
http://elementy.ru/images/lhc/lhc_game_600.jpg
Рис. 4. Потренироваться в разгоне протонов переменным электрическим полем можно с помощью онлайн-игры LHC Game (http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/LHCGame/LHCGame.html)
Фаза колебания поля в резонаторе настроена так, что в момент пролета частиц электрическое поле не максимально, а нарастает. Так делается для того, чтобы автоматически выравнивать энергию ускоряемых частиц. Если какой-то протон случайно оказался более энергичным, чем соседи, он вырывается вперед и на следующем круге приходит в ускоряющую камеру с небольшим опережением. Из-за этого он получает чуть меньше добавочной энергии, чем остальные протоны. И наоборот, если протон случайно потерял немного энергии и оказался в хвосте своего сгустка, то при следующем пролете через ускорительную секцию он получил побольше энергии. Это свойство сгустка частиц называется автофазировкой (http://lhe.jinr.ru/rus/veksler/wv0/publikacii/avtofazirovka_3.htm).
Ускорение протонов с энергии инжекции 0,45 ТэВ до 7 ТэВ происходит довольно медленно, примерно за 20 минут. Скорость этого процесса ограничена вовсе не мощностью ускорительной секции, а скоростью усиления магнитного поля в поворотных магнитах — ведь оно должно расти синхронно с энергией частиц для того, чтобы удерживать их в вакуумной трубе неизменного радиуса.
Колебания электромагнитного поля в резонаторе порождают сильные токи, текущие по поверхности камеры. Для того чтобы избежать тепловых потерь энергии, резонаторы на LHC тоже работают в сверхпроводящем состоянии при температуре 4,5 К (–268,7°C). Впрочем, внутренняя поверхность резонатора не идеальна и неизбежно содержит маленькие дефекты, на которых выделяется тепло. Но поскольку резонаторы сделаны из меди, это тепло быстро отводится.
Система сброса пучка
Протонный пучок на полной энергии и интенсивности обладает большой разрушительной силой (представьте себе энергию летящего реактивного самолета, сфокусированную в поперечнике меньше миллиметра). В норме пучок циркулирует внутри вакуумной камеры и не задевает аппаратуру. Однако если в управляющей магнитной системе произойдет сбой или траектория пучка слишком сильно отклонится от расчетной, пучок станет опасен, и его нужно будет быстро сбросить. Кроме того, сброс ослабевшего пучка надо делать каждые несколько десятков часов и при нормальной работе ускорителя.
http://elementy.ru/images/news/lhc_blindage_600.jpg
Рис. 5. Зал, в котором поглощается сброшенный пучок (фото с сайта proj-lbds.web.cern.ch (http://proj-lbds.web.cern.ch/proj-lbds/pictures/TED/blindage.htm))
Всем этим занимается специальная система сброса пучка, установленная в точке 6. В ней размещены специальные быстрые магниты (http://elementy.ru/LHC-magnets.html), которые при необходимости включаются в считанные микросекунды и слегка отклоняют пучок. В результате протоны сходят с круговой орбиты, затем пучок дефокусируется, по специальному каналу уходит прочь от ускорителя и в отдельном зале безопасно поглощается массивными карбон-композитными блоками (блоки от этого сильно нагреваются, но не плавятся).
Вакуумная и криогенная техника, система контроля и безопасности
http://elementy.ru/images/lhc/lhc_refrigerators_300.jpg
Рис. 6. Часть системы гелиевого охлаждения LHC (фото с сайта physicsworld.com)
Для того чтобы протонные пучки могли свободно циркулировать в LHC, внутри ускорительной трубы создан сверхглубокий вакуум. Давление остаточных газов составляет порядка 10–13 атм. Однако даже при таком низком давлении время от времени происходит столкновение протонов с молекулами остаточного газа, что сокращает время «жизни пучка» до нескольких дней.
Несмотря на то что вакуумная труба небольшая, радиусом примерно 5 см, она очень длинная, так что полный объем, подлежащий вакуумированию, сопоставим с крупным зданием. Кроме того, из-за многочисленных контактов и соединений, а также из-за большой площади внутренней поверхности вакуумной камеры задача по поддержанию нужного вакуума оказывается очень непростой.
Еще одной важной частью инфраструктуры ускорителя является криогенная система, охлаждающая ускорительное кольцо. Она поддерживает в поворотных магнитах (а также в некоторых других элементах) температуру 1,9 К (то есть –271,25°C), при которой сверхпроводник безопасно держит нужный ток и создает требуемое магнитное поле. Для поддержания рабочей температуры ускорителя используется уникально высокая теплопроводность сверхтекучего гелия. По гелиевому каналу на LHC можно передавать киловатты теплового потока при перепаде температур всего 0,1 К на расстоянии в километр!
Криогенная система на LHC многоступенчатая. Для охлаждения используется 12 миллионов литров жидкого азота и почти миллион литров жидкого гелия. LHC в ходе работы будет потреблять 2-3 грузовика жидкого азота и порядка 500 литров жидкого гелия в день.
В точках 3 и 7 расположены устройства для «чистки» пучка. Когда протонный пучок движется внутри вакуумной трубы, то протоны колеблются в поперечной плоскости, и некоторые из них могут отклониться от идеальной траектории довольно далеко. Такие «блуждающие» протоны (на языке физиков — «гало пучка») могут задеть стенки вакуумной трубы или аппаратуру. Даже если это будет ничтожная доля от всего протонного пучка, они могут локально нагреть или даже повредить аппаратуру. Например, локальное энерговыделение всего в несколько сотых долей джоуля на кубический сантиметр способно вызвать переход поворотного магнита из сверхпроводящего в нормальное состояние, что приведет к срочному сбросу пучка.
http://elementy.ru/images/lhc/lhc_view_along_beam_path_600.jpg
Рис. 7. Коллиматор с сомкнутыми «челюстями» (зазор между ними не превышает нескольких миллиметров). Вид вдоль оси пучка. Фото с сайта lhc-collimation-project.web.cern.ch (http://lhc-collimation-project.web.cern.ch/lhc-collimation-project/pictures.htm)
Система чистки пучка механическим образом отсекает гало пучка. Для этого в непосредственную близость к пучку (на расстояние всего пару миллиметров!) придвигаются массивные блоки — «челюсти» коллиматора. Они поглощают «блуждающие» протоны, но не мешают основной части пучка. Впрочем, «отсеченные» протоны тоже небезопасны — они сильно нагревают материал коллиматора, а также порождают на нём поток частиц более низкой энергии («вторичное гало»), которое тоже приходится отсекать вторичными коллиматорами.
Протонные пучки в LHC
Разбиение на сгустки
Протонный пучок в ускорителе вовсе не выглядит как однородный непрерывный «протонный луч». Он разбит на отдельные сгустки протонов, которые летят друг за другом на строго определенном расстоянии. Каждый сгусток — это тончайшая «протонная иголка» длиной несколько десятков сантиметров и толщиной в доли миллиметра.
В максимуме производительности каждый из двух встречных пучков на LHC будет состоять из 2808 сгустков, идущих друг за другом на расстоянии в несколько метров, а в каждом сгустке будет примерно по 100 миллиардов протонов. Однако на этот режим ускоритель выйдет не скоро (http://elementy.ru/LHC/LHC_working/general_schedule). В первые месяцы работы в каждом пучке будет всего по 2 сгустка, затем по 43 сгустка и так далее. Именно поэтому светимость LHC в первые пару лет работы будет довольно низкой.
Разбиение пучка на сгустки полезно по нескольким причинам. Главная из них — именно так удобно ускорять протоны в резонаторах (http://elementy.ru/LHC/LHC/accelerator#resonator). Более того, благодаря явлению автофазировки ускорительная секция сама поддерживает сгустки «в форме», не давая им расплываться в продольном направлении. Кроме того, сгустки сталкиваются в центре детектора в четко определенные моменты времени. Это делает детектирование результатов столкновений более эффективным, поскольку в течение «мертвого времени» детекторов (того времени, за которое электроника детектора считывает следы частиц и подготавливает детектор к следующему столкновению) никаких других столкновений, могущих помешать считыванию данных, не происходит.
Поперечные колебания
Поворотные магниты стремятся направить протонный пучок вдоль строго определенной круговой траектории внутри вакуумной трубы — идеальной орбиты. Однако в силу разных причин протоны не следуют строго вдоль этой орбиты, а слегка колеблются относительно нее в поперечном направлении. Эти колебания называются бетатронными колебаниями.
Предсказать динамику бетатронных колебаний кольцевого ускорителя очень сложно. Из-за того что пучки много раз проходят одно и то же кольцо с неизменным набором магнитов, даже мельчайший сдвиг какого-то одного магнита может начать «раскачивать» бетатронные колебания на каждом обороте. Чтобы этого избежать, требуется устранять все резонансы между циклическим движением пучка по кольцу и бетатронными колебаниям. По этой же причине первый пучок, запущенный в коллайдер, не будет сразу непрерывно циркулирующим, а скорее всего «вылетит» после нескольких оборотов. Для получения циркулирующего пучка надо запускать сгусток за сгустком и подстраивать магнитную систему так, чтобы делать их траекторию более устойчивой.
Слишком большие бетатронные колебания могут стать опасными для аппаратуры. Если пучок начнет отклоняться от идеальной траектории больше, чем на пару сантиметров, то он может задеть стенки вакуумной трубы. Для того чтобы этого не случилось, имеются датчики, которые контролируют положение пучка внутри трубы и в случае необходимости дают сигнал для сброса пучка (http://elementy.ru/LHC/LHC/accelerator#beam_dumping).
Поперечные размеры
Поскольку в каждом сгустке имеется много одноименно заряженных частиц, они расталкиваются из-за электрических сил, и поэтому пучок имеет тенденцию расплываться в поперечных размерах. Магнитная система управления пучками удерживает их от расплывания. При движении через ускоритель поперечные размеры пучков поддерживаются довольно большими — порядка миллиметров, но в точке пересечения пучков они сильно фокусируются, вплоть до нескольких сотых долей миллиметра.
http://elementy.ru/images/lhc/relative_beam_sizes_660.gif
Рис. 1. Изменение поперечных размеров пучков при их движении в ускорительном кольце вблизи точки столкновений. На этом рисунке продольный масштаб сильно сжат; для реальной картины надо в тысячи раз растянуть этот рисунок в продольном направлении. Изображение с сайта lhc-machine-outreach.web.cern.ch (http://lhc-machine-outreach.web.cern.ch/lhc-machine-outreach/collisions.htm)
На рис. 1 показаны расчетные траектории двух встречных пучков вблизи точки пересечения внутри детектора ATLAS. Масштаб рисунка сильно сжат: если поперечные размеры показанного параллелепипеда равны нескольким сантиметрам, то его длина составляет на самом деле несколько сот метров. Для настоящего масштаба этот рисунок надо растянуть вдоль примерно в 10 тысяч раз. Изломы на траектории пучков соответствуют положению различных магнитов, которые отклоняют или фокусируют пучки. Заметьте, насколько сильно сфокусированы пучки в месте пересечения по сравнению с их размерами в остальной части ускорителя.
Магнитная система LHC
Как и любое тело, сгусток элементарных частиц, предоставленный сам себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно. Поэтому для того, чтобы удерживать его внутри ускорительного кольца, требуется постоянно воздействовать на пучок.
Удобнее всего это делать с помощью магнитного поля. Электрически заряженные частицы, пролетая сквозь область магнитного поля, поворачиваются в плоскости, перпендикулярной полю. Угол поворота зависит от силы поля и от импульса частиц. Благодаря этому можно конструировать магниты, которые будут выполнять самые разные задачи по управлению пучком: поворачивать, фокусировать или корректировать его орбиту (см. полный список магнитов для LHC (http://lhc-machine-outreach.web.cern.ch/lhc-machine-outreach/components/magnets/types_of_magnets.htm)).
Поворотные магниты
Поворотные магниты — это мощные электромагниты, стоящие вдоль всего ускорительного кольца и направляющие протонные пучки по узкой вакуумной трубе. Внутри трубы они создают магнитное поле перпендикулярно плоскости ускорительного кольца и с его помощью поворачивают пролетающие мимо протоны на небольшой угол.
http://elementy.ru/images/lhc/15-m_long_dipole_600.jpg
Рис. 1. 15-метровый поворотный магнит спускают в шахту для установки на LHC. Фото с сайта press.web.cern.ch (http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2005/PR02.05E1er-aimant.html)
Поворотные магниты создавались для LHC по уникальной технологии. Во-первых, из-за того, что надо поворачивать два встречных пучка протонов, пришлось делать не один, а два магнита с противоположными полярностями под единой оболочкой. Во-вторых, для того, чтобы минимизировать соединения между магнитами, их сделали очень длинными — длиной почти 15 метров. Подчеркнем, что провода наматывались вовсе не вокруг вакуумной трубы, а вдоль нее — именно так можно создать магнитное поле, перпендикулярное плоскости кольца.
http://elementy.ru/images/lhc/main_lhc_magnet_cross-section_600.jpg
Рис. 2. Поперечное сечение поворотного магнита. Рисунок из статьи Oliver Brüning, Paul Collier «Building a behemoth» // Nature 448, 285–289 (19 July 2007)
Всего на LHC установлено 1232 таких магнитов. Это сверхпроводящие магниты, сделанные из низкотемпературного сверхпроводника ниобий–титан и рассчитанные на работу при температуре 1,9 К. Каждый из них может держать до 11 килоампер тока и создавать магнитное поле с индукцией 8,3 тесла — в сотню тысяч раз больше, чем магнитное поле Земли. Полная энергия, запасенная в одном магните, составляет примерно 10 МДж. Ниобий-титановые кабели (http://lhc-machine-outreach.web.cern.ch/lhc-machine-outreach/components/cable.htm) состоят из множества тончайших волокон, в 10 раз тоньше человеческого волоса; полная длина всех волокон, созданных для LHC, превышает расстояние от Земли до Солнца. В течение нескольких лет на создание волокон для LHC уходило свыше четверти всего производимого в мире ниобий-титанового сплава.
http://elementy.ru/images/lhc/superconducting_dipoles_600.jpg
Рис. 3. Длинные обмотки сверхпроводящего электромагнита в стальных воротниках. Фото с сайта lhc-machine-outreach.web.cern.ch (http://lhc-machine-outreach.web.cern.ch/lhc-machine-outreach/components/magnets.htm)
К поворотным магнитам предъявляются очень строгие требования.
Они должны создавать очень сильное магнитное поле: чем сильнее магнитное поле, чем более высокоэнергетические протоны можно удержать внутри кольца заданного радиуса. Сверхпроводящие дипольные магниты, использующиеся на LHC, создают магнитное поле вплоть до 8,2 тесла. Именно это число и определяет максимальную энергию протонов на LHC — 7 ТэВ.
Магнитное поле должно быть очень однородным по всему сечению вакуумной трубы, иначе чуть отклонившиеся протоны уже начнут заворачиваться по слегка иному радиусу и «не впишутся» в вакуумную трубу (радиус вакуумной трубы составляет всего 5 см, а радиус кольца — 4 км!).
Как и во всяком синхротроне, сила магнитного поля должна плавно подстраиваться под энергию протонов. Поэтому она должна быть легко управляема.
Из-за того что используются сверхпроводящие электромагниты, необходимо принять меры безопасности, связанные с переходом из сверхпроводящего состояния в нормальное. В сверхпроводящем состоянии сильный ток циркулирует в обмотках электромагнита без затухания и не нагревает его. Однако если какой-то участок обмотки слегка нагрелся, например из-за попадания пучка протонов, то он перейдет в нормальное состояние, обретет ненулевое сопротивление, и на нём начнет выделяться тепло, которое быстро разрушит магнит.
Чтобы этого избежать, дипольные магниты спроектированы таким образом, что, как только начинается локальное выделение тепла, сразу по всему магниту включаются «нагреватели», которые быстро переводят весь магнит целиком в нормальное состояние. В этом случае вся запасенная в магните энергия (7 мегаджоулей) выделяется не локально в магните, а сбрасывается на специальном демпфирующем резисторе и не приводит к каким-либо разрушениям. Этот процесс называется «гашением тока» (по-английски — «quench»); все магниты, установленные в LHC, проверялись на безопасное гашения тока. Авария, случившаяся на LHC 19 (http://elementy.ru/news/430839) сентября 2008 года, при которой около 100 магнитов безопасно перешли в нормальное состояния с гашением тока, невольно послужила хорошей проверкой этой системы.
Фокусирующие магниты
Поскольку пучки состоят из положительно заряженных протонов, они стремятся разойтись в стороны из-за электрического отталкивания между протонами. Чтобы это предотвратить, пучки требуется фокусировать. Отчасти эту задачу выполняют поворотные магниты: в них поле устроено так, чтобы частицы, отклонившиеся от оптимальной траектории, возвращались к ней.
http://elementy.ru/images/lhc/quadrupole_600.jpg
Рис. 4. Торец квадрупольных магнитов LHC. Четыре обмотки с чередующейся полярностью на каждой вакуумной трубе оказывают на пучок фокусирующее или дефокусирующее воздействие. Фото с сайта irfu.cea.fr (http://irfu.cea.fr/en/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=2411)
Однако перед точками столкновений очень важно сфокусировать пучки как можно лучше. Чем меньше поперечный «размер фокуса», тем больше вероятность столкновений протонов друг с другом, а значит, тем выше светимость ускорителя. Уменьшение поперечного размера пятна в 2 раза приводит к увеличению светимости в 16 раз (то есть один и тот же эксперимент можно вместо одного года провести за пару недель).
http://elementy.ru/images/news/protection_system_magnets_300.jpg
Рис. 5. Специальные магниты, использующиеся в системе сброса пучка. Протонный пучок на своем пути проходит через специальный магнит — септум (1). В нём близко друг к другу расположены два канала: один с сильным магнитным полем, второй — без поля. В норме пучок идет по каналу без поля. Однако в случае необходимости кикер (2) резко включается и смещает пучок в канал с магнитным полем. В этом случае протонный пучок на выходе идет уже по другому пути. Он проходит через расфокусирующий магнит (3) и затем направляется в специальный зал, где он поглощается массивными блоками (4). Рис. с сайта www.symmetrymagazine.org (http://www.symmetrymagazine.org/cms/?pid=1000570)
Эта фокусировка пучков перед точками столкновений осуществляется «магнитными линзами» — фокусирующими квадрупольными магнитами. Эти магниты длиной свыше трех метров создают внутри вакуумной трубы перепад магнитного поля 223 тесла/метр. У квадрупольного магнита есть важное отличие от обычной оптической линзы — он может фокусировать пучок в вертикальной плоскости, дефокусируя его в горизонтальной, или наоборот. Поэтому для того, чтобы сфокусировать пучок в обоих направлениях, требуется использовать комбинацию из нескольких квадрупольных магнитов разного действия.
Магниты специального назначения
В месте инжекции протонов в кольцо LHC, а также в точке сброса пучка стоят специальные магниты — кикеры (англ. «kickers») и септумы (англ. «septa», мн. ч. от «septum»). В ходе нормальной работы LHC эти магниты выключены, а включаются они только в тот момент, когда очередной сгусток протонов «впрыскивается» в LHC из предварительного ускорителя или когда пучок выводится из ускорителя.
Главная особенность этих магнитов в том, что они включаются очень быстро, примерно за 3 микросекунды — это намного меньше, чем время полного оборота пучка по LHC. Если, скажем, система слежения за пучком обнаружила, что он вышел из-под контроля и начинает задевать аппаратуру, то эти магниты включаются в точке 6 и быстро выводят пучок из ускорителя.
Происшествие на Большом адронном коллайдере задерживает эксперименты на неопределенный срок
Температура магнитов Большого адронного коллайдера в секторе 34 по состоянию на вечер 19 сентября. Один из магнитов нагрелся почти до 100 К. Изображение с сайта hcc.web.cern.ch
После череды небольших технических неисправностей, которые были преодолены довольно быстро, в пятницу случилось более серьезное происшествие — резкий скачок температуры одного из магнитов и выброс гелия в туннель LHC. Степень серьезности поломки и время, необходимое для ее устранения, пока неизвестны.
Первая неделя после запуска Большого адронного коллайдера прошла очень неровно. С одной стороны, сам запуск пучков в ускорительное кольцо был осуществлен 10 сентября на удивление быстро. В первые же часы физикам удалось заставить протоны совершить несколько оборотов по круговой траектории внутри ускорителя, а уже на следующий день стабильный пучок непрерывно циркулировал в LHC. Чуть позже была успешно проведена синхронизация пучка с ускорительной секцией — важный предварительный этап для дальнейшего ускорения протонов до высоких энергий.
Однако затем одна за другой стали возникать технические неполадки. В ночь на 13 сентября в системе охлаждения ускорителя в точке 8 (схема LHC см. в нашей недавней новости), неоднократно беспокоившей физиков еще на этапе предварительных тестов, произошла поломка. Вышел из строя тридцатитонный трансформатор, из-за чего упало напряжение в криогенной системе сектора, и температура подскочила до 4,5 К — то есть до температуры кипения гелия. Впрочем, гелий в жидком состоянии удалось удержать, а трансформатор в воскресенье был заменен на запасной.
В четверг, 18 сентября, на официальном сайте ЦЕРНа появился краткий анализ первой недели работы LHC, где были описаны также и проблемы с трансформатором. Эта информация затем прошла по многим СМИ (с момента аварии к тому времени прошло уже 5 дней).
Однако параллельно с поломкой и починкой трансформатора возникли неполадки с системой охлаждения в других секторах ускорителя, в результате чего LHC простаивал без пучков до вечера четверга, 18 сентября. Впрочем, от этой вынужденной паузы была и некоторая польза — во время нее не только устранялись неисправности, но и проводились дальнейшие тесты различных элементов ускорителя и детекторов.
В четверг поздно вечером пучок 1 (движущийся по часовой стрелке) был запущен в ускоритель. Ночью и утром следующего дня проводились рутинные проверки и измерения, пока примерно в полдень 19 сентября не случилось новое происшествие. Один из магнитов в секторе 34 перешел из сверхпроводящего состояния в нормальное с мгновенной потерей тока (по-английски это называется quench, «гашение тока»). В принципе, такие события могут происходить время от времени без вреда для аппаратуры. Собственно, магниты были сконструированы и «натренированы» так, чтобы в случае локального нагрева выше точки сверхпроводимости весь магнит безопасно выходил из сверхпроводящего состояния и безопасно гасил ток.
Однако похоже, что в секторе 34 произошло что-то более серьезное. Во-первых, на графиках температуры видно, что участок этого сектора нагрелся почти до 100 К. Это значит, что жидкий гелий там удержать не удалось. Во-вторых, на пользовательской странице ЦЕРНа появилось короткое специальное сообщение, в котором говорится, что в 12:05 местного времени в секторе 34 имело место происшествие, приведшее к значительному выбросу гелия в туннель LHC. Никаких подробностей пока не сообщается, однако говорится, что над проблемой будут работать в течение выходных.
Судя по этому краткому описанию, новая проблема может оказаться намного более серьезной, чем поломка трансформатора. Если во время инцидента произошло повреждение магнита или системы охлаждения, то потребуется их замена или ремонт на месте. Поскольку магнит встроен в кольцо, это подразумевает нагрев большой секции ускорителя до комнатной температуры, а затем новое охлаждение. Если это подтвердится, то дальнейшие эксперименты на LHC могут быть отложены на неопределенное время — вплоть до нескольких недель.
В целом, по мере слежения за новостями с LHC, становится всё более очевидным, что 10 сентября был произведен запуск коллайдера в очень «сыром», плохо подготовленном состоянии. Автор этой заметки полагает, что, по-видимому, была поставлена задача «не испортить шоу» по запуску первого пучка даже в ущерб технической готовности машины. Судя по развитию событий, подобная торопливость оказалась совершенно неуместной при введении в строй самой сложной установки, которая когда-либо была создана человеком.
Дополнение от 20 сентября:
Предварительное расследование показало, что причиной инцидента по всей видимости стало бракованное соединение между двумя магнитами. В ходе тестов электропитания (при отсутствующем пучке) оно расплавилось под действием сильного тока и привело к механическому разрушению части криогенной системы. Для починки криогенной системы потребуется повысить температуру этого участка ускорительного кольца и затем охладить его вновь. По оценкам ЦЕРНа, на это потребуется минимум два месяца. Это ставит под вопрос всю физическую программу исследований, запланированную на 2008 год.
Зачем вообще нужен LHC?
Узнав впервые о существовании LHC, повосхищавшись его размерами, поудивлявшись непонятности и практической бесполезности его задач, читатель, как правило, задает вопрос: а зачем вообще нужен этот LHC?
В этом вопросе есть сразу несколько аспектов. Зачем людям вообще нужны эти элементарные частицы, зачем тратить столько денег на один эксперимент, какая будет польза для науки от экспериментов на LHC? Здесь я попробую дать ответы, пусть краткие и субъективные, на эти вопросы.
Зачем обществу нужна фундаментальная наука?
Начну с аналогии. Для первобытного человека связка бананов имеет очевидную пользу — их можно съесть. Острый нож тоже полезен на практике. А вот электродрель с его точки зрения — бессмысленная вещь: ее нельзя съесть, из нее нельзя извлечь какую-либо иную непосредственную пользу. Думая исключительно об удовлетворении сиюминутных потребностей, он не сможет понять ценность этого агрегата; он просто не знает, что бывают ситуации, в которых электродрель оказывается чрезвычайно полезной.
Отношение большей части общества к фундаментальной науке — примерно такое же. Только вдобавок человек в современном обществе уже пользуется огромным количеством достижений фундаментальной науки, не задумываясь об этом.
Да, люди, конечно, признают, что высокие технологии делают жизнь комфортнее. Но при этом они неявно полагают, что технологии эти — результат чисто прикладных разработок. А вот это — большое заблуждение. Надо четко понимать, что перед практической наукой регулярно встают задачи, которые она сама решить просто не в состоянии — ни с помощью накопленного практического опыта, ни через прозрение изобретателей-рационализаторов, ни методом проб и ошибок. Зато они решаются с помощью фундаментальной науки. Скажем, те свойства вещества, которые недавно казались совершенно бесполезными, вдруг открывают возможность для создания принципиально новых устройств или материалов с неожиданными возможностями. Или же вдруг обнаруживается глубокая параллель между какими-то сложными объектами из сугубо прикладной и из фундаментальной науки, и тогда абстрактные научные результаты удается использовать на практике.
В общем, фундаментальная наука — это основа технологий в долгосрочной перспективе, технологий, понимаемых в самом широком значении. И если какие-то небольшие усовершенствования существующих технологий можно сделать, ограничиваясь сугубо прикладными исследованиями, то создать новые технологии — и с их помощью преодолевать новые проблемы, регулярно встающие перед обществом! — можно, лишь опираясь на фундаментальную науку.
Опять же, прибегая к аналогиям, можно сказать, что пытаться развивать науку, ориентируясь только на немедленную практическую пользу — это словно играть в футбол, прыгая исключительно на одной ноге. И то, и другое, в принципе, можно себе представить, но в долгосрочной перспективе эффективность от обоих занятий почти нулевая.
Почему фундаментальной наукой занимаются сами ученые?
Кстати, стоит подчеркнуть, что большинство ученых занимается наукой вовсе не потому, что это может оказаться полезно для общества. Люди занимаются наукой, потому что это жутко интересно. Даже когда просто изучаешь открытые кем-то законы или построенные кем-то теории, это уже «щекочет мозги» и приносит огромное удовольствие. А те редкие моменты, когда удается самому открыть какую-то новую грань нашего мира, доставляют очень сильные переживания.
Эти ощущения отдаленно напоминают чувства, возникающие при чтении детектива: автор построил перед тобой загадку, а ты пытаешься разгадать ее, стараясь увидеть в описываемых фактах скрытый, взаимосвязанный смысл. Но если в детективе глубина и стройность загадки ограничены фантазией автора, то фантазия природы выглядит пока неограниченной, а ее загадки — многоуровневыми. И эти загадки не придуманы кем-то искусственно, они настоящие, они вокруг нас. Вот ученым и хочется справиться хотя бы с кусочком этой вселенской головоломки, подняться еще на один уровень понимания.
Кому нужны элементарные частицы?
Хорошо, положим, фундаментальной наукой действительно стоит заниматься, раз она спустя несколько десятков лет сможет привести к конкретным практическим достижениям. Тогда давайте будем изучать фундаментальное материаловедение, будем манипулировать отдельными атомами, будем развивать новые методики диагностики веществ, поучимся рассчитывать сложные химические реакции на молекулярном уровне. Можно легко поверить в то, что спустя десятки лет всё это приведет к новым практическим приложениям.
Но трудно себе представить, какая в принципе может быть конкретная практическая польза от топ-кварков или от хиггсовского бозона. Скорее всего, вообще никакой. Тогда какой толк в развитии физики элементарных частиц?
Толк огромный, и заключается он вот в чём.
Физические явления эффективнее всего описываются на языке математики. Эту ситуацию обычно называют удивительной (знаменитое эссе Ю. Вигнера о «непостижимой эффективности математики»), но тут есть и другой, не менее сильный повод для удивления. Всё головокружительное разнообразие явлений, происходящих в нашем мире, описывается лишь очень небольшим числом математических моделей. Осознание этого поразительного, совсем не очевидного свойства нашего мира — одно из самых важных открытий в физике.
Пока знания ограничиваются лишь «повседневной» физикой, эта тенденция может оставаться незаметной, но чем глубже знакомишься с современной физикой, тем более яркой и завораживающей выглядит эта «математическая экономность» природы. Явление сверхпроводимости и хиггсовский механизм возникновения масс элементарных частиц, электроны в графене и безмассовые элементарные частицы, жидкий гелий и внутренности нейтронных звезд, теория гравитации в многомерном пространстве и сверххолодное облачко атомов — вот лишь некоторые пары разных природных явлений с удивительно схожим математическим описанием. Хотим мы или нет, но эта связь между разными физическими явлениями через математику — это тоже закон природы, и им нельзя пренебрегать! Это полезный урок для тех, кто пытается рассуждать о физических явлениях, опираясь только на их «природную сущность».
Аналогии между объектами из разных областей физики могут быть глубокими или поверхностными, точными или приблизительными. Но благодаря всей этой сети математических аналогий наука физика предстает как многогранная, но цельная дисциплина. Физика элементарных частиц — это одна из ее граней, которая через развитие математического формализма крепко связана со многими более «практическими» областями физики, да и естественных наук в целом.
Поэтому, кто знает, может быть, изучая теорию гравитации, мы в конце концов придем к пониманию турбулентности, развитие методов квантовой теории поля позволит по-иному взглянуть на генетическую эволюцию, а эксперименты по изучению устройства протона откроют нам новые возможности для создания материалов с экзотическими свойствами.
Кстати, иногда в ответ на вопрос о пользе физики элементарных частиц начинают перечислять те конкретные методики и приборы, которые явились побочным результатом изучения элементарных частиц. Их уже немало: адронная терапия раковых опухолей, позитронно-эмиссионная томография, мюонная химия, цифровые малодозные рентгеновские установки, самые разнообразные применения синхротронного излучения, плюс еще несколько методик в процессе разработки. Это всё верно, но надо понимать, что это именно побочная, а не главная польза от физики элементарных частиц.
Зачем надо изучать нестабильные частицы?
Окружающий нас мир состоит из частиц трех типов: протонов, нейтронов, электронов. Казалось бы, если мы хотим знать устройство нашего мира, давайте изучать только эти частицы. Кому интересны частицы, которые живут мгновения, а потом слова распадаются? Какое отношение эти частицы имеют к нашему микромиру?
Причин тут две.
Во-первых, многие из этих нестабильных частиц напрямую влияют на свойства и поведение наших обычных частиц — и это, кстати, одно из важных открытий в физике частиц. Оказывается, эти нестабильные частицы на самом деле присутствуют в нашем мире, но не в виде самостоятельных объектов, а в виде «некоторого» облачка, окутывающего каждую обычную частицу. И то, как обычные частицы взаимодействуют друг с другом, зависит не только от них самих, но и от окружающих их «облачков». Эти облачка порождают ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в ядра, они заставляют распадаться свободный нейтрон, они наделяют обычные частицы массой и другими свойствами.
Эти нестабильные частицы — невидимая, но совершенно неотъемлемая часть нашего мира, заставляющая его крутиться, работать, жить.
Вторая причина тоже вполне понятная. Если вам надо разобраться с устройством или с принципом работы какой-то очень сложной вещи, ваша задача станет намного проще, если вам разрешат как-то изменять, перестраивать эту вещь. Собственно, этим и занимаются отладчики (не важно чего: техники, программного кода и т. п.) — они смотрят, что изменится, если сделать так, повернуть эдак.
Экзотические для нашего мира элементарные частицы — это тоже как бы обычные частицы, у которых «что-то повернуто не так». Изучая все эти частицы, сравнивая их друг с другом, можно узнать о «наших» частицах гораздо больше, чем в экспериментах только с протонами да электронами. Уж так устроена природа — свойства самых разных частиц оказываются глубоко связаны друг с другом!
Зачем нужны такие огромные ускорители?
Ускоритель — это по своей сути микроскоп, и для того, чтобы разглядеть устройство частиц на очень малых масштабах, требуется увеличивать «зоркость» микроскопа. Предельная разрешающая способность микроскопов определяется длиной волны частиц, используемых для «освещения» мишени — будь то фотоны, электроны или протоны. Согласно квантовым законам, уменьшить длину волны квантовой частицы можно путем увеличения ее энергии. Поэтому-то и строятся ускорители на максимально достижимую энергию.
В кольцевых ускорителях частицы летают по кругу и удерживаются на этой траектории магнитным полем мощных сверхпроводящих магнитов. Чем больше энергия частиц — тем большее требуется магнитное поле при постоянном радиусе или тем большим должен быть радиус при постоянном магнитном поле. Увеличивать силу магнитного поля очень трудно с физической и инженерной точки зрения, поэтому приходится увеличивать размеры ускорителя.
Впрочем, физики сейчас работают над новыми, намного более эффективными методиками ускорения элементарных частиц (см., например, новость Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским (http://elementy.ru/news/430743)). Если эти методы оправдают свои ожидания, то в будущем максимально достижимая энергия частиц сможет увеличиться при тех же размерах ускорителей. Однако ориентироваться тут можно лишь на срок в несколько десятков лет.
Но не стоит думать, что гигантские ускорители — это единственное орудие экспериментальной физики элементарных частиц. Есть и «второй фронт» — эксперименты с меньшей энергией, но с очень высокой чувствительностью. Тут примером могут служить так называемые b-фабрики BaBar в Стэнфорде и Belle в Японии. Это электрон-позитронные коллайдеры со скромной энергией (около 10 ГэВ), но с очень высокой светимостью. На этих коллайдерах рождаются B-мезоны, причем в таких больших количествах, что удается изучить чрезвычайно редкие их распады и заметить проявление разнообразных тонких эффектов. Эти эффекты могут быть вызваны новыми явлениями, которые изучаются (правда, с другой точки зрения) и на LHC. Поэтому такие эксперименты столь же важны, как и эксперименты на коллайдерах высоких энергий.
Зачем нужны такие дорогие эксперименты?
Часто можно услышать возмущенные голоса: а по какому праву физики тратят такие огромные деньги налогоплательщиков на удовлетворение собственного любопытства? Ведь их можно потратить и с гораздо большей конкретной практической пользой!
На самом деле, если взглянуть на ситуацию реалистично, то альтернатива LHC состояла не в том, чтобы пустить эти же деньги на какую-то «практически полезную» деятельность, а в том, чтобы провести на них еще несколько десятков экспериментов по физике элементарных частиц, но среднего масштаба.
Логика тут совершенно прозрачна. Правительства большинства стран понимают, что некоторую долю бюджета необходимо тратить на фундаментальные научные исследования — от этого зависит будущее страны. Эта доля, кстати, не такая уж и большая, порядка 2-3% (для сравнения, военные расходы составляют, как правило, десятки процентов). Расходы на фундаментальную науку выделяются, разумеется, не в ущерб другим статьям бюджета. Государства тратят деньги и на здравоохранение, и на социальные проекты, и на развитие технологий с конкретными практическими применениями, и на благотворительность, и на помощь голодающим Африки и т. д. «Научные» деньги — это отдельная строка бюджета, и эти деньги сознательно направлены на развитие науки.
Как это финансирование распределяется между разными научными дисциплинами, зависит от конкретной страны. Значительная часть уходит в биомедицинские исследования, часть — в исследования климата, в физику конденсированных сред, астрофизику и т. д. Своя доля уходит и в физику элементарных частиц.
Типичный годовой бюджет экспериментальной физики элементарных частиц, просуммированный по всем странам, — порядка нескольких миллиардов долларов (см., например, данные по США). Большинство этих денег тратится на многочисленные эксперименты небольшого масштаба, которых поставлено в последние годы порядка сотни, причем они финансируются на уровне отдельных институтов или в редких случаях — стран. Однако опыт последних десятилетий показал, что если объединить хотя бы часть денег, выделяемых на ФЭЧ во многих странах, в результате может получиться эксперимент, научная ценность которого намного превзойдет суммарную ценность множества мелких разрозненных экспериментов.
Именно с целью резкого увеличения научной эффективности при тех же деньгах и был создан LHC. Подробности про ожидаемую научную ценность экспериментов можно узнать из списка задач, стоящих перед LHC.
Задачи, стоящие перед LHC
Обычно утверждается, что целью LHC является открытие хиггсовского бозона. Несмотря на всю важность этой задачи, это всего лишь один из пунктов довольно обширной научной программы LHC. Вот основные пункты этой программы.
Изучение хиггсовского механизма
Физиков интересует, на самом деле, не столько сам хиггсовский бозон, сколько хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии. Именно изучение этого механизма, возможно, натолкнет физиков на новую теорию нашего мира, более глубокую, чем Стандартная модель.
Хиггсовский бозон — это «частица-отголосок» этого механизма; его просто удобнее всего изучать именно через открытие и изучение хиггсовского бозона. Научная программа LHC, разумеется, не ограничивается одним лишь обнаружением бозона Хиггса, но и включает в себя многочисленные задачи по доскональному изучению его свойств.
Поиск суперсимметрии
Суперсимметрия — это очень сильная и глубокая теоретическая идея об устройстве нашего мира. Она пока не подтверждена экспериментом, но, возможно, LHC сможет найти ее проявления.
Изучение топ-кварков
Топ-кварки — самые тяжелые из известных на сегодня фундаментальных частиц, причем они намного тяжелее всех остальных кварков. Это наводит физиков на мысль, что топ-кварки могут играть важную роль в самом процессе нарушения электрослабой симметрии. Кроме того, топ-кварки могут оказаться удобным рабочим инструментом для поиска хиггсовского бозона. Всё это требует внимательного изучения свойств топ-кварков на LHC.
Подробнее про изучение топ-кварков на LHC
Программа по изучению топ-кварка
Особенности топ-кварка
Прежде всего, стоит пояснить, с чем связан интерес к детальным исследованиям именно топ-кварков.
Топ-кварк — самый тяжелый кварк, и более того, это самая тяжелая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 171,4 ± 2,1 ГэВ. Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока на одном лишь ускорителе — Тэватроне (на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения). Физики шутят, что с запуском LHC топ-кварки наконец-то «увидят» и в Старом свете.
Большая масса топ-кварка интересует физиков еще и по следующим причинам.
Масштаб нарушения электрослабой симметрии v = 246 ГэВ. Массы всех остальных фермионов (как лептонов, так и кварков) намного меньше этого значения, а масса топ-кварка — нет. Это всё наводит на мысль, что топ-кварк может (или должен?) принимать очень активное участие в механизме нарушения электрослабой симметрии, а не просто быть пассивным наблюдателем, как другие фермионы. Например, один из неминимальных вариантов хиггсовского механизма опирается на конденсат топ-кварк–антикварковых пар.
В стандартной модели массы фермионов определяются по формуле mf = gf v/√2, где gf — безразмерная константа связи фермиона с хиггсовским полем. Для топ-кварка соответствующая константа gt примерно равна единице. Случайно ли такое совпадение или в нём есть глубокий смысл, пока неизвестно.
Петли с виртуальными топ-кварками дают самый большой вклад в петлевые поправки к свойствам хиггсовских бозонов (к эффективному потенциалу и к массе бозона Хиггса).
Несмотря на то, что топ-кварк распадается за счет слабого взаимодействия и что такие распады обычно протекают медленно, в данном случае из-за большой массы топ-кварка этот распад происходит на редкость быстро, заметно быстрее типичного адронного масштаба времени. За время своей жизни они успевают пролететь дистанцию порядка 0,1 фм, и на них не успевает повлиять конфайнмент кварков. Получается, топ-кварки рождаются и распадаются фактически свободными, не успев образовать мезоны.
Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения хиггсовского бозона. Один из наиболее важных каналов рождения хиггсовского бозона на LHC — ассоциативное рождение вместе с топ-кварк–антикварковой парой. Для того чтобы надежно отделять такие события от фона, надо вначале хорошо изучить свойства самих топ-кварков.
Что планируется изучать на LHC
Несмотря на то что топ-кварки уже изучались на Тэватроне, именно LHC станет настоящей «фабрикой» топ-кварков. Сечение рождения топ-кварк–антикварковых пар возрастет по сравнению с Тэватроном в сто раз, и при проектной светимости LHC (которая тоже на порядки превышает светимость Тэватрона) ожидается по 80 миллионов кварк-антикварковых пар и 34 миллиона одиночных топ-кварков в год.
Этого будет достаточно, чтобы измерить массу топ-кварка с точностью лучше 1 ГэВ и изучить разнообразные каналы распада. Если в распадах топ-кварка появится какая-то экзотика, то ее можно будет заметить, даже если вероятность такого распада составляет одну миллионную.
В некоторых вариантах хиггсовского механизма появляются заряженные хиггсовские бозоны. Если они достаточно легкие, то они могут быть среди продуктов распада топ-кварка, и это может стать даже главным каналом рождения заряженных хиггсовских бозонов.
Изучение ассоциативного рождения бозона Хиггса с t–анти-t-парой позволит измерить константу связи gt с точностью до 15%. Это измерение будет важно для выяснения роли топ-кварков в нарушении электрослабой симметрии.
Если существуют резонансы с массой больше 2mt, они будут хорошо видны как всплески в сечении рождения топ-кварковых пар. Другой вариант, возможный в суперсимметричных моделях, — рождение тяжелых партнеров топ-кварка, в распаде которого встречается и сам топ-кварк. Наконец, возможны экзотические ситуации, приводящие к множественному рождению топ-кварков. Задача экспериментаторов сейчас — разработать эффективные системы распознавания разнообразных событий такого рода.
Изучение кварк-глюонной плазмы
На LHC будут происходить не только протон-протонные столкновения, но и столкновения ядер свинца (ожидается, что примерно 1 месяц в году будет проходить в режиме ядерных столкновений). При лобовом столкновении двух ультрарелятивистских ядер на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход в состояние кварк-глюонной плазмы и ее остывание) очень нужно для построения более совершенной теории сильных взаимодействий, которое окажется очень полезным как для ядерной физики, так и для астрофизики.
Изучение фотон-адронных и фотон-фотонных столкновений
Протоны электрически заряжены, поэтому ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов становится еще сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Эти фотоны могут столкнуться со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, или даже друг с другом.
Проверка экзотических теорий
Теоретики за последние годы выдвинули огромное число интересных и необычных идей относительно устройства нашего мира, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, модели с большими дополнительными пространственными измерениями, преонные модели, в которых кварки и лептоны являются составными частицами, модели с новыми типами взаимодействия (например, квирковая модель (http://elementy.ru/news/430762)), модели с нечастицами (http://elementy.ru/news/430490) и т. д.
Все эти теории могут показаться странными и необычными, но они не вступают в противоречие с имеющимися пока экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для LHC, экспериментаторы планируют проверять эти предсказания и искать следы тех или иных теорий в своих данных. Ожидается, что результаты, полученные на LHC, смогут ограничить фантазию теоретиков, закрыв некоторые из предложенных конструкций. Впрочем, остается, конечно, и шанс, что какая-то из этих экзотических теорий «попадет в точку». Если это открытие произойдет, то за ним последует новый период бурного развития физики элементарных частиц.
Безопасность экспериментов на LHC
Одной строкой
Безопасны ли эксперименты на LHC? Не возникнет ли в их ходе какой-нибудь опасный экзотический объект, который может привести к глобальной катастрофе?
Да, безопасны. Эта уверенность основана на надежно проверенных законах физики, на экспериментальных данных с предыдущих ускорителей, а также на астрофизических данных.
Общие замечания
В экспериментах на ускорителях высоких энергий изучаются самые экстремальные состояния материи. Хотя эти экстремальные состояния возникают в крошечных объемах и на совершенно ничтожное время, эти объекты всё же «чужеродны» для привычного нам мира. Поэтому при проектировании новых ускорителей на сверхвысокие энергии полезно задавать себе вопрос: не могут ли эксперименты на этом ускорителе нанести вред окружающему нас миру?
Этот вопрос был, разумеется, поставлен перед началом работы над созданием LHC, и на него был дан отрицательный ответ. Физики-экспериментаторы — по-хорошему консервативные люди, и если бы существовали малейшие поводы для реальных сомнений в безопасности LHC, события развивались бы совсем иначе.
Для того чтобы максимально объективно изучить и изложить положение вещей, при LHC была создана специальная группа LSAG (the LHC Safety Assessment Group), которая снова перепроверила вопросы безопасности LHC. Ее окончательный отчет (http://lsag.web.cern.ch/lsag/LSAG-Report.pdf) (PDF, 580 Кб) основан на более свежих теоретических, экспериментальных и наблюдательных данных и подтверждает, а иногда и усиливает более ранние выводы (подобные отчеты делались и раньше, в том числе и для других ускорителей).
Ниже перечислены четыре возможности, которые, в принципе, могли бы привести к «катастрофическому сценарию» экспериментов на LHC. Для каждого варианта кратко описано, при каких теоретических предположениях он мог бы реализоваться, и затем приведены экспериментальные или астрофизические данные, которые доказывают безопасность LHC.
Главный аргумент против «катастрофического сценария» заключается в том, что, по меркам природы, LHC — очень скромный эксперимент. Когда космические лучи бомбардируют Землю, то время от времени происходят столкновения, энергетически эквивалентные столкновениям на LHC. За всё время существования Земли она «накопила» столкновений в сто тысяч раз больше, чем планируется набрать на LHC за время его работы. Если же принять во внимание другие небесные тела, то число возрастает на порядки. Оценено, что каждую секунду (!) во Вселенной происходят миллионы экспериментов, превосходящих LHC по энергии и количеству столкновений.
В прессе иногда пишут, что, согласно ЦЕРНу, официальная оценка вероятности катастрофического сценария — 1 шанс к 50 миллионам. Это неверная информация. Во-первых, в отчетах по безопасности фигурирует не сама вероятность, а ограничение сверху на эту вероятность (то есть утверждается, что эта вероятность заведомо меньше некоторого предела, но какая она на самом деле, не утверждается). Оценить вероятность того, что какая-то экзотическая теория окажется верной, вряд ли возможно, а из наблюдательных данных (то есть отсутствия свидетельств разрушения небесных тел под действием космических лучей) ничего, кроме ограничения сверху, определить нельзя. Во-вторых, фигурирующие в отчете ограничения сверху на много порядков меньше этого числа.
Надо подчеркнуть, что, несмотря на все эти отчеты, время от времени находятся люди, которые считают, что физики ошибаются в расчетах вероятности катастрофы, и поэтому их выводам не доверяют. Как правило, эти люди сами не физики и тем более не специалисты по физике элементарных частиц, поэтому их аргументация не относится к научным утверждениям, используемым специалистами для доказательства безопасности LHC. Такие люди будут появляться и в будущем, о них будут писать СМИ, но к этим сообщениям не стоит относиться серьезно.
Микроскопические черные дыры
В представлении обыкновенного читателя черные дыры выглядят неким «оплотом зла» — они втягивают в себя всё вещество без разбора и за счет этого растут. Неудивительно, что когда кто-то краем уха слышит про возможность рождения черных дыр на LHC, он может забеспокоиться.
Тут есть распространенное заблуждение, что черные дыры обязательно будут рождаться на LHC, а физики-де пытаются убедить весь мир, что они будут безопасными. На самом деле, черные дыры в том виде, в котором мы их сейчас знаем, вообще не могут рождаться на LHC. А станет этот процесс возможным, только если окажется верной одна очень смелая гипотеза теоретиков — о том, что гравитация становится сильной на масштабе энергий порядка 1 ТэВ. Никакого экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла, и большинство физиков полагает, что это лишь занятная математическая конструкция, но не более того.
Тем не менее, нужно рассмотреть вариант, когда эта гипотеза оказывается верной. Тогда, согласно ей, микроскопические черные дыры действительно будут рождаться на LHC и, согласно ей же, — тут же распадаться на обычные частицы. Такая микроскопическая черная дыра просто не успеет ничего начать поглощать.
Можно также совсем отказаться от теоретических рассуждений и воспользоваться наблюдательными данными. Если черные дыры смогут родиться на LHC, то они тогда должны рождаться и при столкновении космических лучей с небесными телами. Тот факт, что Земля, Солнце, а также компактные звезды существуют миллиарды лет и не превратились в черную дыру, означает, что на самом деле этой опасности нет.
Нестабильность вакуума
Самая глобальная катастрофа, которую можно себе представить, — это разрушение всей Вселенной. Такое могло бы случиться, если бы вакуум в нашем мире был не настоящим, а «ложным» вакуумом, с некоторым запасом энергии. Тогда если бы была возможность перевести вакуум из ложного в настоящий в некотором начальном объеме, то возник бы пузырь настоящего вакуума, который бы расширялся во все стороны со скоростью света и с большим энерговыделением. В результате такого перехода на месте пузыря возникла бы более стабильная Вселенная с иными свойствами.
Надо понимать, что нет никаких теоретических, а тем более экспериментальных свидетельств в пользу гипотезы, что мы живет в ложном вакууме. Это лишь одна из многочисленных «математически разрешенных» идей, которая может иметь, а может и не иметь отношение к реальности. Даже если она верна, то отсюда еще не следует, что переход нынешней Вселенной из ложного в истинный вакуум возможен в процессах столкновения частиц.
Это то, что касается положения дел в теории. А в эксперименте всё намного проще. Если хоть где-то во всей наблюдаемой части Вселенной такой процесс произошел бы в столкновении космических лучей, то разрушилась бы вся Вселенная. Но мы существуем, следовательно, такие процессы не происходят. Не произойдут они на LHC, поскольку природа уже провела огромное число экспериментов масштаба LHC.
Магнитные монополи
Монополи — это гипотетические объекты, несущие на себе отдельный магнитный заряд. Современная физика не запрещает существование таких объектов, а в некоторых теориях они даже с необходимостью появляются. Проводились многочисленные эксперименты по поиску природных монополей, но все они неизменно давали отрицательные результаты.
Можно часто слышать утверждение, что монополи обязательно будут вызывать распад протона, словно наличие магнитного заряда как-то дестабилизирует протон. Это не так. Прежде всего, неизвестно, распадается ли протон вообще. Здесь тоже ставились многочисленные эксперименты, но ни в одном из них распад ни одного протона не был зарегистрирован.
Когда же говорят про распад протона, то имеют в виду пока чисто теоретические конструкции, не подтвержденные экспериментально. Например, распад протона возникает в теориях Великого объединения (то есть объединения сильного и электрослабого взаимодействий), однако ни одной по-настоящему работающей теории такого типа пока не построено. Именно в таких теориях появляются объекты, способные катализировать протонный распад, и по некоторой случайности эти объекты имеют также магнитный заряд. Так что с точки зрения распада протона «опасны» только гипотетические монополи из теорий Великого объединения, и то если их сечение взаимодействия собычной материей достаточно велико.
Описывают ли эти теории реальность или нет (то есть существуют ли опасные монополи в природе) — пока неизвестно. Еще более неизвестно, могут ли они рождаться на LHC. Однако здесь работает такой же астрофизический критерий, как и для черных дыр. Если такие объекты смогут рождаться на LHC, то они бы в изобилии рождались при бомбардировке космическими лучами поверхности Земли, Солнца и других небесных тел и давно бы их разрушили. А раз этого не произошло, то и от LHC вреда не будет.
Странное вещество
На стыке ядерной физики и физики элементарных частиц есть одно направление исследований, которое бурно развивается в последние годы. Это изучение свойств ядерного вещества при высоких температурах и давлениях. Уже установлено, что в зависимости от условий ядерная материя может существовать в разных состояниях, и эти состояния обладают разной степенью устойчивости.
Всё это разнообразие состояний реализуется лишь при очень высоких температурах или давлениях. В нормальных же условиях ядерное вещество образует обычные ядра, состоящие из протонов и нейтронов. Однако некоторое время назад у теоретиков закралось подозрение (а не доказательство!), что одно из этих состояний — так называемая странная материя (то есть ядерное вещество с большой концентрацией странных кварков) — может оказаться стабильнее обычной ядерной материи. Если это так, то тогда капелька такой странной материи, которую называют «стрейнджлет» (strangelet) или «страпелька», родившись на ускорителе, будет стабильной. Более того, она может вступать в реакцию с обычными ядрами и превращать их тоже в странную материю. Иными словами, возникает еще один вариант «сценария катастрофы», при котором страпелька разрушает всю Землю, превращая ее в комок странной материи.
Такого, конечно, не произойдет — здесь тоже применимы указанные выше астрофизические аргументы. Однако из всех предложенных сценариев катастрофы, этот опирается, по крайней мере, на общепринятую область физики элементарных частиц. Она хорошо исследована в эксперименте, в частности на ускорителе тяжелых ионов RHIC и на более ранних экспериментах с меньшей энергией. Результаты многолетних опытов говорят об отсутствии образования устойчивых страпелек в столкновении ультрарелятивистских ядер, а также указывают на то, что теории, предсказывавшие образование страпелек, неверны.
Что касается LHC, то вероятность рождения страпелек — даже если они и существуют! — там будет еще меньше, чем в ускорителях на меньшие энергии. Это неудивительно, поскольку страпельки должны быть очень хрупкими объектами и могут существовать только при низкой температуре. Температуры, возникающие при столкновении ультрарелятивистских ядер, на порядки выше, поэтому ядерное вещество просто испаряется тепловым образом. Кроме того, даже если бы страпельки и образовывались в столкновении ядер и оказывались устойчивыми относительно испарения, они бы разрушились при первом же столкновении с обычными ядрами из-за своей большой скорости.
Какова вероятность катастрофы на LHC?
Даже если читатель доверяет ученым, ему всё равно хочется просто узнать число — мол, согласно расчетам экспертов, вероятность катастрофы составляет такую-то ничтожную величину — и успокоиться на этом. На самом деле, такую вероятность дать просто невозможно, и вот почему.
Вероятность или ограничение сверху?
Главное утверждение таково:
Осмысленной оценки вероятности катастрофического развития событий на LHC в принципе не существует.
Максимум, что можно сделать, — это получить ограничение сверху на эту вероятность, то есть сказать, что она заведомо меньше какого-то числа. Но насколько меньше — в десять раз или на сто порядков, — неизвестно.
Тут есть два рассуждения. Если опираться на теорию, то, как уже подчеркивалось, все придуманные на сегодня варианты глобальной катастрофы на LHC обязательно требуют, чтобы оказалась верной какая-то экзотическая теория, никак пока не подтвержденная на опыте. Оценить вероятность того, что та или иная принципиально новая гипотеза об устройстве нашего мира окажется верной, просто невозможно. Тут не поможет никакая теория вероятности; ответом может быть только эксперимент.
С другой стороны, можно опираться не на теорию, а на наблюдательные данные. Эти данные говорят, что за несколько миллиардов лет никакой катастрофы с Землей, Солнцем и другими небесными телами не произошло. И вообще, при всём богатстве астрономических наблюдений, не зафиксировано ни одного случая катастрофического процесса во Вселенной, который можно было бы однозначно связать со столкновением двух высокоэнергетических протонов. Вот тут теория вероятностей уже работает в полную силу: если какое-то редкое событие не произошло ни разу, то можно сосчитать лишь ограничение сверху на его вероятность, но никак не саму вероятность.
Как можно вычислить ограничение сверху?
Тут полезно вспомнить самые основы теории вероятностей, а именно такое правило:
Если какое-то событие происходит только при одновременном выполнении нескольких независимых условий, то вероятность этого события равна произведению вероятностей отдельных условий.
Например, две единицы на игральных костях могут выпасть только в том случае, если на первой выпадет единица и на второй — тоже единица. Каждое из этих двух независимых условий имеет вероятность 1/6, а значит, общая вероятность есть их произведение, то есть 1/36.
Один из способов получения ограничения сверху — это принять, что вероятность какого-то из условий нам неизвестна. Мы знаем только то, что она не больше единицы, и поэтому вычисляем все оставшиеся вероятности. Например, пусть одну игральную кость кидаем мы, а вторую нам не показывают, а только сообщают результат. Мы не знаем, что это за вторая игральная кость, может быть, она «обманная», и на ней везде проставлены только единицы (или только шестерки). Поэтому мы можем быть уверены только в том, что вероятность выпадения единицы на «нашей» кости 1/6, и значит вероятность выпадения двух единиц — не более 1/6. Это и есть ограничение сверху.
В отношении катастрофического сценария на LHC ситуация похожая. Для того чтобы он реализовался, надо, во-первых, чтобы некая теория была верна, а во-вторых, чтобы при этом всё так «статистически удачно сложилось», что никаких катастроф из-за бомбардировки небесных тел космическими лучами до сих пор не было, а при работе LHC катастрофа вдруг произошла.
Вероятность того, что та или иная теория верна, мы посчитать не можем, поэтому вычисляем только чисто статистическую вероятность, полагая, что реализуется самая «опасная» теория. Именно эти числа и приводятся в отчетах по безопасности. Подчеркнем, что это вовсе не значит, что физики действительно считают такие теории вероятными — это лишь способ подсчета ограничения сверху, не более того.
Чему равно ограничение сверху?
Подсчет статистической вероятности — то есть вероятности того, что катастрофа «случайно» не произошла до сих пор, но произойдет за счет LHC, — зависит от конкретного процесса.
Например, вероятность того, что LHC вызовет переход вакуума (при условии, что этот переход действительно возможен!), составляет не более чем 10–31. Эта оценка основана на простом подсчете примерного числа экспериментов, эквивалентных LHC, которые уже провела природа во всей вселенной.
Вероятность того, что родившиеся на LHC микроскопические черные дыры (при условии, что это действительно возможно!) навредят нашей Земле, вычисляется сложнее. Мы берем самую «опасную» гипотезу: черные дыры рождаются на LHC, причем рождаются сразу с нулевой скоростью и падают в центр Земли, не испаряются, зато поглощают вещество довольно активно, так что смогут навредить Земле, скажем, за миллиард лет. (Подробнее про микроскопические черные дыры.)
В этом случае очень надежные расчеты (опирающиеся, по сути, только на предположение, что законы физики на Земле и в далеком космосе одни и те же) говорят, что белые карлики (очень компактные звезды, изученные уже довольно хорошо) разрушились бы из-за космических лучей за время меньше миллиона лет. Однако известны белые карлики с возрастом в сотни миллионов лет. Какова вероятность, что они смогли бы выжить так долго в рамках нашей «опасной» гипотезы?
Подсчеты показывают, что за это время на поверхности типичного белого карлика под действием космических лучей родится как минимум несколько миллионов черных дыр подобных той, что может породить LHC. Большая часть этих черных дыр поглотится белым карликом, и каждая из них вызовет быстрое его разрушение. Поэтому выжить белый карлик сможет только в том случае, если по какой-то случайности на его поверхности ни разу не родится подходящая черная дыра. Вероятность этого в выбранных условиях — порядка 10–1000000.
Ограничения сверху на вероятность катастрофы, связанные с возможным рождением монополей или страпелек, вычисляются аналогично и приводят к столь же малым значениям.
В случае страпелек есть дополнительная возможность получить ограничение сверху на вероятность их рождения на LHC. Устойчивыми могут в принципе быть страпельки только с массой как минимум несколько десятков масс нуклона. Для того чтобы они родились и не развалились тут же, требуется, чтобы в столкновении ядер родилось много адронов, летящих в одинаковом направлении. Даже для обычной, не странной материи, вероятность того, что 20 нуклонов случайно полетят в одну сторону и образуют ядро, составляет примерно 10–50. За всё время работы на LHC произойдет порядка 1017 таких «попыток», то есть вероятность рождения страпельки не превышает 10–33. И снова подчеркнем: это не значит, что эта вероятность равна 10–33, поскольку неизвестно вообще, может ли странная материя быть устойчивой и какова минимальная масса устойчивой страпельки.
Подробности про микроскопические черные дыры
Гипотетическая опасность, связанная с микроскопическими черными дырами, состоит в том, что если они смогут родиться в столкновении протонов на LHC и если они по каким-то причинам окажутся стабильными, то, провалившись в центр Земли, они начнут поглощать вещество и за короткое время разрушат Землю. Однако как теоретические, так и экспериментальные аргументы убедительно показывают, что такой сценарий невозможен.
Теоретические возможности
Еще десять лет назад возможность создания микроскопических черных дыр на ускорителе всерьез не рассматривалась. Дело в том, что в рамках «обычной» (то есть экспериментально проверенной) теории гравитации вероятность родить черную дыру исчезающе мала. Связано это с тем, что черная дыра — это гравитационный объект, а гравитация остается чрезвычайно слабой при энергиях, достижимых на ускорителях.
Несколько лет назад появился новый класс теорий, в которых гравитация становится сильной при энергиях столкновений порядка тераэлектронвольт (ТэВ, 1012 эВ), то есть в области энергий LHC. В таких теориях рождение черных дыр (а также других гравитационных объектов) на LHC становится возможным и происходит довольно часто.
Важно, однако, понимать, что все такие процессы остаются пока в высшей степени гипотетическими. В основе соответствующих теорий лежат интересные, но сугубо теоретические допущения — например, существование «больших» дополнительных пространственных измерений (см. популярную заметку Трехмерен ли наш мир?). Ни сами эти допущения, ни разнообразные последствия этих теорий пока не получили экспериментального подтверждения. Отражают ли эти теории реальность или являются лишь забавной математической конструкцией — пока неизвестно. Возможно, LHC прояснит этот вопрос, но на сегодняшний день большинство физиков настроены довольно скептично по отношению к этим теориям (хотя экспериментаторы на всякий случай проверяют те или иные их последствия в своих данных).
Если всё же одна из этих экзотических теорий действительно относится к реальности, то, согласно ей, черные дыры будут рождаться на LHC. И согласно ей же, они будут тут же, прямо внутри вакуумной трубы, распадаться на обычные частицы. Детектор «увидит» лишь процесс pp → черная мини-дыра → частицы, и такая черная дыра просто не успеет ничего начать поглощать.
В принципе, возможен совсем уж экзотический вариант теории со стабильными черными дырами. Так может получиться, если в природе имеется некое новое взаимодействие с сохраняющимся зарядом, причем все известные частицы к этому взаимодействию нечувствительны, а черные дыры рождаются с этим новым зарядом. В силу закона сохранения нового заряда, черная дыра не сможет распасться полностью, но она не сможет и расти. Как только она поглотит частицу обычной материи, она тут же излучит полученную массу обратно, ведь обычное вещество новым зарядом не обладает. В результате активность такой черной дыры всегда будет оставаться очень низкой.
Оценки из астрофизических данных
Вне зависимости от теоретических рассуждений, в отсутствии опасности можно убедиться и с помощью накопленных на сегодня астрофизических данных.
Предположим, что, благодаря какому-то экзотическому механизму, микроскопические черные дыры всё же могут рождаться на LHC и оставаться стабильными. Тогда, проходя через обычное вещество, они будут его поглощать и из-за этого расти в размерах. Если такая черная дыра попадет внутрь Земли, то она быстро осядет в ее центре, начнет расти и в конце концов полностью разрушит Землю.
Однако если черные дыры могут рождаться на LHC, то они могут возникать и при бомбардировке Земли космическими лучами сверхвысоких энергий. Энергетический спектр космических лучей измерен хорошо; известно, что в них довольно часто встречаются и протоны с энергией выше 1017 эВ, что при столкновении с неподвижным протоном эквивалентно энергии LHC. Светимость таких столкновений с Землей за всё время ее жизни на несколько порядков превышает светимость LHC, поэтому рождение такой черной дыры в космических лучах даже более вероятно, чем на LHC. Поскольку Земля (да и другие небесные тела) дожили до наших дней и никакой катастрофы не случилось, значит, она не случится и в результате экспериментов на LHC.
В принципе, можно выдвинуть возражение к этой аргументации. Черные дыры, родившиеся в столкновении космических лучей с неподвижной частицей, будут лететь вперед с околосветовой скоростью. Даже пронзив Землю насквозь, они не успеют затормозиться и улетят в космическое пространство, не причинив Земле никакого заметного вреда. На LHC, в отличие от космических лучей, сталкиваются встречных пучки, и поэтому в принципе возможна (хотя очень маловероятна) ситуация, при которой рождается очень медленная черная дыра, со скоростью меньше первой космической скорости на Земле. Именно такая черная дыра сможет упасть внутри Земли и начнет ее поглощать.
Это возражение устраняется таким аргументом. Существуют компактные объекты, в которых плотность вещества на несколько порядков превосходит среднюю плотность Земли. Это белые карлики (плотность порядка 106 г/см3) и нейтронные звезды (плотность порядка 1014 г/см3). Черные дыры, возникающие при бомбардировке космическими лучами поверхности этих компактных объектов, быстро в них застревают и начинают их разрушать. Скорость разрушения может быть как большой, так и маленькой, в зависимости от конкретной теории гравитации. В первом случае это приводит к очень быстрому исчезновению звезды, что противоречит астрономическим наблюдениям (известны нейтронные звезды и белые карлики с возрастом в сотни миллионов лет). Во втором случае это не приведет ни к каким существенным изменениям, а это значит, что воздействие такой черной дыры на Землю будет на много порядков слабее и останется незаметным в течение миллиардов лет.
Вывод: даже если микроскопические черные дыры действительно могут родиться на LHC и упасть в центр Земли и даже если они при этом действительно начнут расти (что само по себе чрезвычайно маловероятно), то никакого ощутимого эффекта на свойства Земли за время жизни Солнца они не окажут.
Толковый словарик журналистских штампов
LHC уже давно привлекает повышенное внимание СМИ. Подавляющее большинство изданий не пишут полностью оригинальный текст, а заимствуют многие выражения из чужих, более ранних материалов. В результате появляются журналистские штампы — избитые выражения, кочующие из одной новости про LHC в другую. В одних случаях это ошибочные утверждения, которые журналисты с удовольствием приводят в силу их «яркости». В других случаях это просто метафоры, но, будучи многократно повторенными без должного объяснения, они становятся просто бессмысленными присказками.
Здесь собраны и объяснены некоторые из таких расхожих выражений.
Божественная частица
«Божественной частицей» (God particle) журналисты любят называть хиггсовский бозон, поиск которого — одна из главных задач LHC. Под «божественностью» обычно подразумевают свойство хиггсовского поля наделять другие частицы массами через хиггсовский механизм. Иногда встречается другой, столь же малоосмысленный эпитет — «Святой Грааль», — который намекает на то, что поиск хиггсовского бозона является центральной задачей LHC.
Сталкиватель атомов
Это словосочетание (atom smasher) очень популярно среди англоязычных изданий. В нём есть важная ошибка — в коллайдере LHC сталкиваются не атомы, а протоны или атомные ядра. Это может показаться излишней придиркой, но не стоит забывать, что атомные явления (то есть взаимодействие цельных атомов) происходит при энергиях в триллионы раз меньше, чем энергия протонов на LHC. Атомные явления и то, что изучается на LHC, — это совершенно разные миры.
К сожалению, другие подобные словосочетания (атомная бомба, энергия атома), будучи столь же неправильными, уже настолько вошли в нашу жизнь, что искоренить их невозможно. Впрочем, эти словосочетания родились полвека назад, когда ядерные явления были для людей чем-то новым. Сейчас же повторять эти ошибки уже недопустимо.
LHC откроет темную материю
Астрономические наблюдения показывают, что подавляющее большинство вещества во Вселенной находится в виде некой темной материи. Из чего именно она состоит, пока не известно, но астрофизики склоняются к мысли, что главный ее компонент — это некие стабильные тяжелые частицы, очень слабо взаимодействующие с обычным веществом. Существует очень много теоретических конструкций, в которых такие частицы появляются. Среди них особенно популярные суперсимметричные теории, в которых часто возникают тяжелые стабильные нейтральные частицы под названием нейтралино.
То, что сможет сделать LHC (если конечно эти теории отражают реальность), — это открыть нейтралино в эксперименте. Однако это еще вовсе не будет доказательством того, что именно нейтралино образуют темную материю. Может случиться, например, так, что вклад нейтралино в «общую копилку» темной материи невелик, а главный вклад дают какие-то еще более тяжелые и неведомые пока частицы.
Для определения того, из чего же состоит темная материя, потребуется прямая регистрация составляющих ее частиц, как это делается, например, в эксперименте DAMA. Поэтому LHC, возможно, сможет уточнить наши знания о темной материи, но не откроет ее.
Ученые намерены воспроизвести Большой взрыв, или LHC воссоздаст свойства Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва
Непосвященному читателю может показаться, что физики таким способом попытаются создать как бы новую вселенную. Это конечно же не так. Речь идет лишь о том, что при столкновении лоб в лоб тяжелых ядер на LHC на очень короткое время образуется «комок» адронного вещества с очень высокой температурой и давлением. Похожие температуры и давления действительно имели место в ранней Вселенной, однако на этом сходство заканчивается. В ранней Вселенной расширялось пространство вместе с веществом, в то время как «горячий комок», возникший в ядерном столкновении, просто расширяется и остывает в обычном пространстве. Кроме того, состав и течения этой горячей ядерной материи в ранней Вселенной и в столкновении сильно различаются. Поэтому говорить о воссоздании ранней Вселенной можно только с оговорками. Ну и, конечно, сам Большой взрыв такие опыты ни в коей мере не могут смоделировать.
Физиков такие столкновения интересуют, разумеется, не для того, чтобы просто «копировать природу», а для того, чтобы узнать, как плавится ядерное вещество. Лучшее понимание теории сильных взаимодействий, которое должно возникнуть по результатам этих экспериментов, окажется полезным как для ядерной физики, так и для космологии и астрофизики нейтронных звезд.
LHC откроет окно в параллельные вселенные (создаст машину времени, проверит квантовую гравитацию и т. д.)
Теоретики в последние годы активно изучают гипотезу о том, что гравитация — влияние которой на элементарные частицы при обычных энергиях очень слабо — становится неожиданно сильной при энергиях столкновений, доступных на LHC. Эту гипотезу обычно называют «гравитация на Тэвном масштабе». На ее основе уже построено много конкретных теорий, но общее мнение специалистов таково: такие теории, конечно, пока имеют право на существование, раз они пока не запрещены экспериментальными данными, но очень уж они экзотические, и мало кто всерьез верит в то, что они реализуются в природе.
Если же все-таки одна из этих моделей окажется верна, то на LHC можно будет наблюдать совершенно новый класс событий и объектов, связанных с гравитацией, — высокоэнергетические гравитоны (возможно, уходящие из нашего мира в дополнительные измерения), гравитонные резонансы (связанные состояния гравитонов) и микроскопические черные дыры. Кроме этого, в определенных разновидностях этих теорий есть и совсем экзотические возможности — например, теоретически возможны такие микроскопические пространственно-временные конфигурации, в которых время может течь назад.
Важно понимать, что ни к каким макроскопическим явлениях это не приведет, поэтому воспользоваться этим «окном в другие миры» не удастся. Дело тут не столько в размерах, сколько в том, что все эти объекты крайне нестабильны и быстро распадаются на обычные частицы. При этом выделяется ровно та же энергия, которая пошла на их создание, поэтому с энергетической точки зрения нет никакой разницы между процессами pp → частицы и pp → черная мини-дыра → частицы.
LHC может разрушить Землю или даже всю Вселенную
Существуют физические теории, в которых предполагается, что наша Вселенная — в том виде, в каком мы ее знаем, — нестабильна и может превратиться в другую, более стабильную Вселенную с иными свойствами. Этот переход будет сопровождаться выделением огромной энергии и разрушением вещества в том виде, как мы его знаем. Существуют опасения, что столкновения на LHC могут породить «зародыш» этой более стабильной Вселенной, который начнет разрастаться со скоростью света и разрушит нашу Вселенную. В другом «катастрофическом сценарии» предполагается, что могут существовать некие экзотические частицы или иные объекты, которые начнут поглощать обычное вещество и разрушат Землю.
Эти опасения совершенно беспочвенны потому, что в природе уже давно есть ускорители мощнее, чем LHC. Если бы такой «распад Вселенной» или разрушение Земли могли произойти на LHC, то они бы давным-давно уже произошли по вине частиц космических лучей гораздо большей энергии. Эти частицы непрерывно бомбардируют Землю и другие небесные тела, и длилось это практически всегда, миллиарды лет. Поскольку Вселенная дожила до наших дней и не распалась (Земля дожила и не разрушилась), этого не произойдет и в экспериментах на LHC.
Авария 19 сентября 2008 года и ее последствия
Описание инцидента
В пятницу, 19 сентября 2008 года, в ходе электрических тестов сектора 3-4 Большого адронного коллайдера произошла серьезная авария, перечеркнувшая все планы на остаток 2008 года и как минимум на начало 2009 года.
Внешне авария выглядела как внезапный выход из сверхпроводящего состояния около сотни поворотных магнитов сектора 3-4, причем некоторые из них получили механические повреждения. Повреждения получила также криогенная система, из-за чего в туннель LHC было выброшено несколько тонн гелия. Подробности см. в заметке Происшествие на Большом адронном коллайдере задерживает эксперименты на неопределенный срок. Поскольку во время работы ускорителя доступ в туннель был закрыт, никто из персонала в ходе аварии не пострадал.
http://elementy.ru/images/news/lhc_cryodipole_600.jpg
Схематичный вид 15-метровых дипольных магнитов Большого адронного коллайдера. Желтым пунктиром показано расположение плохого электрического контакта, вызвавшего аварию 19 сентября. Изображение из доклада Йорга Веннигера от 25.11.2008
Расследование инцидента показало, что причиной аварии стало сочетание брака при монтаже ускорителя с конструкторским просчетом при разработке систем безопасности ускорительного кольца. Вкратце, события развивались таким образом:
один из электрических контактов между двумя криостатами был смонтирован недостаточно хорошо и начал резко нагреваться под действием сильного электрического тока; на это отреагировала автоматическая диагностическая система и безопасно погасила ток.
Однако к тому времени на месте электрического контакта возник дуговой разряд, который пробил стенку криогенной системы. Гелий стал быстро испаряться внутрь криостата, в результате чего возникло давление, действующее на стенки между криостатами.
Предохранительные клапаны, которые должны в такой ситуации открыться и вывести наружу избыток гелия, не справились с задачей; из-за высокого давления внутренности криостатов сместились относительно оболочки, а некоторые из криостатов даже сдвинулись со своих опор, сломав крепления к бетонному полу.
Как следствие, гелий начал свободно испаряться наружу, пока его подача не была перекрыта.
Подробное посекундное описание развития событий в ходе аварии см. в заметке Опубликован отчет о расследовании аварии на Большом адронном коллайдере. (http://elementy.ru/news/430878)
Последствия
Поломки
После того как весь сектор 3-4 был прогрет до комнатной температуры, ускоритель был вскрыт. Осмотр и измерения показали, что у нескольких магнитов имеются серьезные внутренние механические повреждения, и такие магниты будут заменены.
http://elementy.ru/images/lhc/broken_magnets_600.jpg
Смещение магнитов относительно друг друга привело к механическим повреждениям обслуживающей их инфраструктуры. Фото из пресс-релиза ЦЕРНа (http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2008/PR17.08E.html)
Еще у несколько десятков магнитов нужно будет сменить внешнюю изолирующую оболочку. Кроме того, потребуется чистка вакуумных труб, внутри которых осели частицы материалов, расплавившихся под действием тока. В целом, потребуется поднять на поверхность около 50 поворотных магнитов и других элементов ускорительного кольца.
Усиление мер безопасности
Сразу после того, как были установлены причины аварии, в ЦЕРНе началась разработка мер, призванных минимизировать риск возникновения подобных инцидентов в будущем и уменьшить последствия в случае, если авария всё же произойдет. Были предложены следующие меры:
разработка диагностической системы, способной заранее замечать перепад напряжения на сверхпроводящем магните до наступления критической ситуации; проверка с помощью этой системы всех силовых электрических контактов в ускорительном кольце LHC с целью поиска дефектных;
разработка и внедрение новой системы клапанов, сбрасывающих высокое давление внутри криостата в нештатной ситуации;
укрепление опор криостатов и других механических креплений;
разработка еще более строгих процедур допуска персонала в подземные помещения при проведении даже незначительных испытаний.
Новая диагностическая система была успешно разработана в октябре 2008 года и благодаря ей в секторе 1-2 было обнаружено еще одно дефектное соединение, но не между магнитами, а внутри одного из них. Несмотря на то что этот магнит успешно прошел тестирование на энергии 5 ТэВ, он будет заменен.
Изменения в планах работы LHC
Поднятие на поверхность, ремонт/замена, спуск поврежденных магнитов в шахту и новая сборка ускорителя потребуют несколько месяцев. Кроме того, как минимум месяц-два понадобится на охлаждение сектора до рабочей температуры и проведение всех нужных тестов. На декабрь 2008 года официальная оценка возобновления экспериментов на Большом адронном коллайдере — не ранее июля 2009 года. Если всё пойдет по плану и не будет дальнейших задержек, то в 2009 году останется 2-3 месяца на физические исследования.
Ход ремонтных работ
Стоимость ремонтных работ оценивается в 10 млн евро плюс еще примерно столько же будет потрачено на восполнение запасов магнитов; в ходе ремонтных работ в ЦЕРНе будет задействовано около ста специалистов (см. видеоролик (http://cdsweb.cern.ch/record/1143641) о ремонте дипольных магнитов).
Первые поврежденные магниты были отсоединены уже в конце октября, однако из-за трудностей с транспортировкой их поднятие на поверхность задержалось на несколько дней (эти магниты приходится транспортировать к ближайшей шахте через другие сектора LHC). Ожидается, что к концу 2008 года все элементы ускорителя, требующие ремонта или замены, будут подняты на поверхность. Будет установлено также около 20 запасных поворотных магнитов.
Готово!
молодец! извини, не удержалась)
МОСКВА, 18 мая - РИА Новости. Ученые обнаружили новую закономерность взаимодействия элементарных частиц материи и антиматерии, благодаря которой, вероятно, существует Вселенная и все её компоненты, включая планету Земля и населяющих её людей, сообщается в статье исследователей, принятой к публикации в журнале Physical Review D.
там еще видео есть (http://www.rian.ru/science/20100518/235877013.html)
Речь идет о так называемой симметрии материи и антиматерии, которая, согласно идеализированным математическим представлениям о строении Вселенной, должна приводить к равновероятному образованию частиц материи и антиматерии в результате взаимодействий элементарных частиц.
Если бы этот принцип был справедлив, то в момент Большого взрыва, положившего начало формированию первых звезд и галактик во Вселенной, вся материя и антиматерия, образовавшиеся в одинаковых количествах, вступили бы друг с другом во взаимодействие, что привело бы к их взаимному уничтожению (аннигиляции).
Несмотря на то, что объективная реальность - существование Вселенной и всех её компонентов, "сделанных" из материи и практически полное отсутствие антивещества - указывает на то, что этот принцип симметрии каким-то образом нарушается. За счет чего это происходит, ученым до сих пор неизвестно.
Первые объяснения такой "асимметрии" материи и антиматерии были предложены еще советским академиком Андреем Сахаровым, согласно работам которого свойства частиц с обратными квантовомеханическими функциями не полностью противоположны. Эти различия приводят к тому, что в одних и тех же условиях частицы материи и антиматерии ведут себя не диаметрально противоположно, а с небольшими отклонениями от подобной симметрии.
В течение нескольких последних десятилетий работы разных групп в области физики элементарных частиц приводили к обнаружению примеров подобной асимметрии материи и антиматерии, однако подобные реакции до сих пор относились к разряду "экзотических" и не могли объяснить имеющегося в природе превосходства материи над антиматерией.
В своей новой работе международный коллектив из 500 физиков, работающих в Национальной ускорительной лаборатория им. Энрико Ферми в США, приводит данные, полученные с помощью второго по мощности ускорителя элементарных частиц, Теватрона, и указывающие на заметное отклонение от симметрии частиц материи и антиматерии.
В своей работе ученые с помощью ускорителя проводили столкновения протонов и антипротонов, в результате чего происходило образование других элементарных частиц. Свое внимание ученые обращали на так называемые В-мезоны, которые в свою очередь распадаются на мюоны и антимюоны.
В результате 8 лет работы и накопленных данных о результатах сотен триллионов столкновений протонов и антипротонов ученые смогли показать, что образование мюонов при распаде В-мезонов на 1% более вероятно, чем образование антимюонов.
Это отклонение в 50 раз превышает отклонение от симметрии материи и антиматерии, предсказываемое законами Стандартной модели взаимодействия элементарных частиц, что может означать обнаружение учеными свидетельств существования новых ранее неизвестных законов физики и или элементарных частиц.
Прояснить это предстоит, судя по всему, команде ученых, работающих на Большом адроном коллайдере.
Все может быть...но пока не одна теория не стала общепризнанной
vBulletin® v3.7.4, Copyright ©2000-2025, Jelsoft Enterprises Ltd. Перевод: zCarot