Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
ГЛАВА 1. ПОИСК НОВОЙ ФИЗИКИ В БОЛЬШОМ АДРОННОМ КОЛЛАЙДЕРЕ
В конце 1960-х гг. XX в. физикам удалось разработать стандартную модель теории элементарных частиц (СМ), которая объединяет три из четырёх видов фундаментальных взаимодействий, существующих в природе – сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие по-прежнему описывается в терминах общей теории относительности (ОТО). Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия в природе описываются двумя общепринятыми теориями: ОТО и СМ. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания теории квантовой гравитации (ТКГ), которая призвана завершить создание новой физики будущего.
Стандартная модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира, той частью, которая видна в экспериментах на коллайдерах, при энергиях порядка 1 ТэВ (Тера – это 1012). Такие теории коллективно называются новой физикой или «За пределами Стандартной модели».
Главная задача Большого адронного коллайдера (БАК) – получить хотя бы первые намеки на то, что представляет собой эта более глубокая теория. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий в одной теории используются различные подходы: теория струн, получившая своё развитие в М-теории (теории бран), теория супергравитации, петлевая квантовая гравитация и др. Некоторые из этих теорий имеют свои внутренние проблемы, и ни у одной из них нет экспериментального подтверждения. Проблема в том, что для проведения соответствующих экспериментов нужны такие энергии, которые не достижимы на современных ускорителях заряженных частиц. Большой адронный коллайдер позволяет провести такие эксперименты, которые ранее были невозможны, что, вероятно, может подтвердить или опровергнуть часть этих теорий. Так, существует целый спектр физических теорий с размерностями больше четырёх, которые предполагают существование «суперсимметрии» – например, теория струн, которую иногда называют теорией суперструн именно из-за того, что без суперсимметрии она утрачивает всякий физический смысл. Подтверждение существования суперсимметрии могло бы стать косвенным подтверждением истинности этих теорий.
Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) – это ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в Центре Европейских ядерных исследований (ЦЕРНе), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвуют десятки тысяч учёных из более чем ста стран мира.
Большим коллайдер назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет 26 659 м; адронным – из-за того, что он ускоряет адроны (тяжёлые частицы, состоящие из кварков); коллайдером (collider – сталкиватель) – из-за того, что пучки частиц ускоряются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных точках столкновения, которые можно зафиксировать.
Траектория протонов (и тяжёлых ионов свинца) начинается в линейных ускорителях (в точках p и Pb, соответственно). Затем частицы попадают в бустер протонного синхротрона PS, через него – в протонный суперсинхротрон SPS, и, наконец, непосредственно в туннель большого адронного коллайдера LHS.
Российские учёные принимали самое активное участие как в строительстве самого БАК, так и в создании всех работающих на нём детекторов.
Изучение топ-кварков. Топ-кварк – это самый тяжёлый кварк и самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам, его масса составляет 173,1 ± 1,3 ГэВ/c?. Из-за своей большой массы топ-кварк до сих пор наблюдался пока лишь на одном ускорителе – Тэватроне, на других ускорителях просто не хватало энергии для его рождения. Топ-кварки интересуют учёных не только сами по себе, но и как рабочий инструмент для изучения бозона Хиггса. Один из наиболее важных каналов рождения бозона Хиггса в Большом адроном коллайдере – его ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой.
Для того, чтобы надёжно отделять такие события от других фоновых событий, предварительно необходимо изучение свойств самих топ-кварков.
Изучение механизма электрослабой симметрии. Одной из целей проекта является экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса, частицы, предсказанной шотландским физиком Питером Хиггсом в 1964 г. в рамках Стандартной модели. На диаграмме Фейнмана показаны возможные варианты рождения W- и Z-бозонов, которые вместе образуют нейтральный бозон Хиггса.
Бозон Хиггса является квантом так называемого поля Хиггса, при прохождении через которое частицы испытывают сопротивление, представляемое нами как поправки к массе. Сам бозон нестабилен и имеет большую массу (более 120 ГэВ/c?). На самом деле, физиков интересует не столько сам бозон Хиггса (который часто называют частицей бога), сколько хиггсовский механизм нарушения симметрии электрослабого взаимодействия.
Изучение кварк-глюонной плазмы. Ожидается, что примерно один месяц в год будет проходить в ускорителе в режиме ядерных столкновений. В течение этого месяца коллайдер будет разгонять и сталкивать в детекторах не протоны, а ядра свинца.
При неупругом столкновении двух ядер на ультрарелятивистских скоростях на короткое время образуется и затем распадается плотный и очень горячий комок ядерного вещества. Понимание происходящих при этом явлений (переход вещества в состояние кварк-глюонной плазмы и её остывание) нужно для построения теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики.
Поиск суперсимметрии. Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение существования явления суперсимметрии – теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет более тяжёлого партнера, или суперчастицу.
Изучение фотон–адронных и фотон–фотонных столкновений. Электромагнитное взаимодействие частиц описывается как обмен фотонами. Таким образом, фотоны являются переносчиками электромагнитного поля. Протоны электрически заряжены и окружены электростатическим полем, и это поле можно рассматривать как облако виртуальных фотонов. Всякий протон включает в себя облако виртуальных частиц. При столкновении протонов между собой взаимодействуют и виртуальные частицы, окружающие каждый из протонов. Математически процесс взаимодействия частиц описывается длинным рядом поправок, каждая из которых описывает взаимодействие посредством виртуальных частиц (диаграммы Фейнмана). При исследовании столкновения протонов изучается и взаимодействие вещества с фотонами высоких энергий, представляющее большой интерес для теоретической физики. Также рассматривается особый класс реакций – непосредственное взаимодействие двух фотонов, которые могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон–адронные столкновения, так и друг с другом. В режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра, влияние электромагнитных процессов имеет ещё большее значение.
Проверка теорий. В конце XX в. теоретики выдвинули много необычных идей относительно устройства вселенной, которые все вместе называются «экзотическими моделями». Сюда относятся теории с сильной гравитацией, на масштабе энергий порядка 1 ТэВ, теории и модели с большим количеством пространственных измерений, преонные модели, в которых кварки и лептоны сами состоят из частиц, модели с новыми типами взаимодействия. Накопленных экспериментальных данных оказывается всё ещё недостаточно для создания одной–единственной теории, а сами теории вполне совместимы с имеющимися экспериментальными данными. Поскольку в этих теориях можно сделать конкретные предсказания для результатов БАК, экспериментаторы планируют проверить предсказания и найти следы тех или иных теорий в своих данных.
Результаты, полученные на ускорителе, смогут доказать истинность какой-либо из теорий и отклонить некоторые из предложенных построений.
Технические характеристики. В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ в системе центра масс на летающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ на каждую пару
сталкивающихся нуклонов. БАК
уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена – протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 го-
да работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США).
Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии все остальные подобные установки в мире.
Глубина залегания туннеля – от 50 до 175 метров, причём кольцо туннеля наклонено примерно на 1,4 % относительно поверхности Земли.
Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км.
Магниты работают при температуре 1,9 K (?271 °C), что немного ниже температуры перехода гелия в сверхтекучее состояние.
Детекторы: на Большом адронном коллайдере работают 4 основных и 3 вспомогательных детектора.
Детекторы ATLAS и CMS имеют общее назначение и предназначены для поиска бозона Хиггса и нестандартных физических явлений, в частности тёмной материи. Детектор ALICE планируется для изучения кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжёлых ионов свинца, LHCb – для исследования физики b-кварков, что позволит лучше понять различия между материей и антиматерией. TOTEM предназначен для изучения рассеяния частиц на малые углы, такие, что возникают при близких пролётах без столкновений, что позволяет точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера. Детектор LHCf нужен для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же несталкивающихся частиц. Седьмой, незначительный в плане бюджета и сложности, экспериментальный детектор MoEDAL, предназначен для поиска медленно движущихся тяжёлых частиц.
Во время работы коллайдера столкновения проводятся одновременно во всех четырёх точках пересечения пучков, независимо от типа ускоряемых частиц (протоны или ядра). При этом все детекторы одновременно набирают статистические данные.
Процесс ускорения частиц в коллайдере. Скорость частиц в БАК на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители производят инжекцию протонов и ионов свинца для дальнейшего ускорения. Затем частицы попадают в бустер и далее в протонный синхротрон, приобретая энергию в 28 ГэВ. При этой энергии они уже движутся со скоростью, близкой к световой. После этого ускорение частиц продолжается в протонном суперсинхротроне, где энергия частиц достигает 450 ГэВ.
Затем сгусток протонов направляют в главное, 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимального значения 7 ТэВ. В точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. На начальных этапах отладки процесса ускорения циркулируют лишь по одному сгустку в пучке длиной несколько сантиметров и небольшого поперечного размера. Затем начинают увеличивать количество сгустков. Сгустки располагаются в фиксированных позициях относительно друг друга, которые синхронно движутся вдоль кольца. Сгустки в определённой последовательности могут сталкиваться в четырёх точках кольца, где расположены детекторы частиц. Кинетическая энергия всех сгустков адронов в БАКе при полном его заполнении сравнима с кинетической энергией реактивного самолета, хотя масса всех частиц не превышает нанограмма и их даже нельзя увидеть невооружённым глазом. Такая энергия достигается за счёт скорости частиц, близкой к скорости света. Сгустки проходят полный круг ускорителя быстрее, чем за 0,0001 секунды, совершая, таким образом, свыше 10 тысяч оборотов в секунду.
Потребление энергии. Во время работы БАК расчётное потребление энергии равно 180 МВт. Энергозатраты за год работы коллайдера составят 1000 ГВт·ч.
Вопросы безопасности БАК. Значительная доля внимания со стороны представителей общественности и СМИ связана с обсуждением катастроф, которые могут произойти в связи с функционированием БАК. Наиболее часто обсуждается опасность возникновения микроскопических чёрных дыр с последующей цепной реакцией захвата окружающей материи. Специалисты опровергают подобные слухи.
Распределённые вычисления и анализ результатов. Для управления, хранения и обработки данных, которые будут поступать с ускорителя БАК и детекторов, создаётся распределённая вычислительная сеть LCG. Для определённых вычислительных задач требуется расчет и корректировка параметров магнитов путем моделирования движения протонов в магнитном поле. Обработка полученных экспериментальных данных весьма сложна и связана с большим объёмом информации, необходимым для передачи на удаленные компьютеры (сотни гигабайт). В рамках проекта распределенных вычислений производится моделирование столкновений пучков протонов, чтобы сопоставить полученные модельные и экспериментальные данные.
Научные результаты. Благодаря большей энергии, по сравнению с предшествовавшими коллайдерами, БАК позволяет заглянуть в недоступную ранее область высоких энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей. Краткий перечень полученных научных результатов:
_ открыт бозон Хиггса, его масса определена как 125,3 ± 0,6 ГэВ;
_ при энергиях до 8 ТэВ изучены статистические характеристики протонных столкновений – количество рождённых адронов, бозе-эйнштейновские корреляции мезонов, дальние угловые корреляции, вероятность остановки протона;
_ показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов;
_ обнаружены необычные корреляции протонов, летящих в разных направлениях;
_ получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков;
_ получены более веские, по сравнению с предыдущими экспериментами, признаки возникновения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях;
_ исследован процесс возникновения адронных струй;
_ подтверждено существование топ-кварка, обнаруженного на Тэватроне ;
_ обнаружено два новых канала распада Bs-мезонов, получены оценки вероятностей сверхредких распадов B- и Bs-мезонов на мюон-антимюонные пары;
_ открыты новые, теоретически предсказанные частицы;
_ получены данные о протон–ионных столкновениях на рекордной энергии.
Были предприняты попытки обнаружить гипотетические объекты: лёгкие чёрные дыры; возбуждённые кварки ; суперсимметричные частицы; лептокварки ; неизвестные ранее взаимодействия и их частицы-переносчики. Несмотря на то, что объекты пока не зафиксированы, получены более четкие данные об их возможной массе.
Финансирование проекта. Бюджет проекта на 2012 г. составил 6,5 миллиардов долларов – столько было инвестировано в строительство установки, которое продолжалось семь лет.
В проекте задействовано более 700 специалистов из России. Общая стоимость заказов, полученных российскими предприятиями, достигает 120 миллионов долларов.
Официальная стоимость проекта БАК не включает стоимость ранее существовавших инфраструктуры и наработок. Основное оборудование смонтировано в тоннеле ранее существовавшего коллайдера LEP, при этом использовалось многокилометровое кольцо SPS в качестве предварительного ускорителя. Если бы Большой адронный коллайдер пришлось строить с нуля, его стоимость оказалась бы заметно выше.