Коллайдер - Пол Хэлперн

Пол Хэлперн

Коллайдер

Введение. Мастерская совершенства

Тайны мироздания

В поисках теории всего сущего

На золотых приисках. Эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

Ударными темпами. Первые ускорители

Фундаментальные силы - занимательный квартет

Сказ о двух кольцах: «Теватрон» и Протонный суперсинхротрон

Однажды в Техасе. Взлет и падение Сверхпроводящего суперколлайдера

Рожденный наносить удары. Как строился Большой адронный коллайдер

Темными дорогами. Загадки темной материи и темной энергии

На поле браны. В поисках подкопов в другие измерения

Черные мини-дыры - конец света или начало новой науки?

Послесловие. Будущее физики высоких энергий. Международный линейный коллайдер и прочее

Литература для дальнейшего чтения

Обзор литературы

Перевод с английского и редакция В. И. Строкова

Предисловие. Путешествие к сердцу Большого адронного коллайдера

Посвящается Джозефу и Арлин Финстон За их неиссякаемую доброту

В те времена, когда Хаос уже начал сгущаться, но еще не были явлены ни Силы, ни Формы, и не было еще ничему Имени, и ни в чем Деяния, кто мог бы тогда познать его образ?

«Кодзики» - японские «Записи о деяниях древности» (Перевод Е.М. Пинус)

Проходя по улице мимо комплекса АТЛАС (ATLAS), ни за что не догадаешься, что здесь находится самая большая в мире установка для исследования физики элементарных частиц. Довольно загруженное шоссе, отделяющее наземную часть комплекса от зданий ЦЕРНа, - это Рут-де-Мейрен. Из окна проезжающего по нему автомобиля АТЛАС легко принять за складское помещение вроде тех, что встречаются рядом с бензозаправками. Чего я только себе не представлял, пока наконец передо мной не распахнулись двери главного входа.

ЦЕРН, Европейский центр ядерных исследований (CERN - сокращение от франц. Conseil Еигорёеп pour la Recherche Nucleaire), расположенный на швейцарско-французской границе, славится своей открытостью. В отличие от военных объектов, здесь, если у тебя есть пропуск, можно фотографировать все что угодно. Однако современные детекторы элементарных частиц - очень сложные и небезопасные установки, поэтому проход в их «логова» жестко регламентирован.

Когда я пошел смотреть еще не законченную часть комплекса, мне дали нечто вроде строительной каски. А на моих гидах - ученых Ларри Прайсе и Чарли Янге - были значки радиации: так отрабатывается инструкция, по которой эти эмблемы обязательно нужно носить рядом с установками, где уже запущены пучки. Но вот получено разрешение, Прайс с Янгом вводят код, дверь автоматически открывается, и мы попадаем в святая святых.

Прежде чем спуститься под землю, мы осматриваем две огромные шахты, по которым узлы детектора спускали на глубину более 100 м. Я стою на краю одного такого колодца и вглядываюсь в пропасть, старательно вытягивая шею в попытке увидеть дно. Дух захватывает от высоты! Даже не знаю, чего мне хочется больше: заглянуть поглубже или не упасть.

Над второй шахтой раньше стоял кран, который опускал вниз различные детали. Прямо скажем, задача не из легких: привезти сюда узлы, изготовленные в совершенно разных концах света, собрать их вместе под землей, да так, чтобы случайно не испортить сложнейшую электронику. Каждый шаг этого смелого проекта требовал и требует тщательного обдумывания.

Мы заходим в скоростной лифт и спускаемся в так называемую плоскость пучка. Теперь мы на той самой глубине, на которой в Большом Адронном Коллайдере (БАК) будут бегать пучки частиц. Сам БАК представляет собой огромное кольцо. В нем удерживаются протоны и другие частицы, которые, двигаясь по кругу в противоположных направлениях, сначала ускоряются до рекордных энергий, а затем сталкиваются. В одной из точек, где протоны претерпевают лобовой удар, и установлен детектор АТЛАС, причем таким образом, что плоскость пучка рассекает его ровно пополам. Это сделано для того, чтобы поймать по возможности все осколки, беспорядочно разлетающиеся от места соударения.

Проходы, ведущие от лифта к пунктам управления и обзорной площадке, довольно замысловатые. В случае утечки радиации они послужат защитным барьером, поскольку большая часть радиоактивного излучения не проникнет через толстые стены. Кроме того, в качестве меры предосторожности уровень радиоактивного фона постоянно измеряется специальными датчиками.

В коридорах немного душно. Воздух накачивают сюда по вентиляции принудительно, а его состав тщательно контролируется. Детектор содержит, в частности, жидкий аргон, температура которого всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля - начала отсчета температуры по шкале Кельвина. Если аргон вдруг нагреется, испарится и выйдет наружу, он может быстро вытеснить весь пригодный для дыхания воздух. Избежать этой опасности позволяет разветвленная система оповещения, которая в экстренном случае подаст сотрудникам сигнал, чтобы они смогли вовремя эвакуироваться на лифте.

Наконец я дошел до обзорной площадки и стою, не в силах оторвать глаз от открывшейся передо мной картины: впервые в своей жизни вижу в одном месте такое скопление сверкающего металла и электроники. Когда смотришь на длинный, лежащий на боку цилиндр, заканчивающийся гигантским блестящим колесом с бессчетными спицами («колесо обозрения»), такое ощущение, будто набрел на крупнейший инопланетный корабль во Вселенной, пристыковавшийся к соответствующих размеров космической станции.

Если в ближайшие годы на ускорителе будут открыты новые массивные частицы (например, бозон Хиггса, который, как считают теоретики, отвечает за массы остальных элементарных кирпичиков), то это даст известную пищу для размышлений. Но такого рода открытия происходят не по мановению волшебной палочки, а в результате кропотливого статистического анализа гигантских залежей данных, накопленных за долгое время. Может, люди были бы не прочь увидеть фейерверк из новорожденных частиц, льющийся им на головы, но сегодня без помощи статистики нечего и надеяться разглядеть хотя бы малую его долю.

Задолго до моего приезда внутреннюю часть детектора герметично закрыли, поэтому там ничего не было видно. Снаружи проглядывали крупные магниты в форме тора (бублика), которые изгибают траектории летящих от оси заряженных частиц, а именно мюонов. Мюоны похожи на электроны, но тяжелее, и этот детектор благодаря своему большому размеру является самым точным в мире прибором для их регистрации. Спицы «колеса обозрения» - это как раз мюонные камеры.

Современные детекторы элементарных частиц (АТЛАС - живой пример) напоминают многослойную ловушку. Каждый настроен на свой сорт частиц, и то, что ускользнуло от одного прибора, попадает в другой. Главное предназначение набора таких ловушек - возможность поймать почти все, что движется.

Представьте дом, полный разных насекомых и паразитов. Поставите на кухне мышеловку - от грызунов избавитесь, но муравьи ее и не заметят. На средство против муравьев некоторые из них, вероятно, сбегутся, но мухи будут надоедать по-прежнему. Так и АТЛАС сделан из нескольких слоев, каждый из которых реагирует на свойства «своих» частиц.

Скажем, электроны и фотоны (частицы света) задерживаются в одном из внутренних слоев, так называемом электромагнитном калориметре. Тот самый жидкий аргон взаимодействует со светом и меряет выделившуюся энергию. В следующем слое, известном как адронный калориметр, остаются протоны и нейтроны. Все эти внутренние слои мне, собственно, не удалось увидеть.

Единственные заряженные частицы, ускользающие от внутренних детекторов, - это мюоны, которые с легкостью выходят наружу. Поэтому внешняя оболочка АТЛАСа так и называется - мюонная система. Выглядит она как лежащая на боку бочка с осью на траектории пучка и внушительными «заглушками» по обе стороны. Задача последних - отобрать как можно больше мюонов, так что в любом эксперименте, где рождаются такие частицы, этот прибор окажется кстати.

Но каким бы хорошим детектором АТЛАС ни был, у некоторых частиц получается его обмануть. Нейтрино, невероятно легкие нейтральные частицы, проходят его беспрепятственно. Ученые почти ничего не могут с этим поделать - им остается считать недостающую энергию и импульс. Давно известно, что нейтрино очень трудно поймать. Кроме того, в детекторе, естественно, надо оставить лазейку для пронизывающего его пучка, поэтому продукты столкновений, движущиеся под малыми углами, тоже теряются. Но поскольку исследователей интересуют обычно частицы, отлетающие под большими углами, нестрашно, если осколки, почти сонаправленные с пучком, останутся незамеченными.