Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» - Джим Бэгготт

МССМ устраняет и еще один недостаток Стандартной модели. Как показали Вайнберг, Джорджи и Куинн в 1974 го ду, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия Стандартной модели становятся почти равными на высоких энергиях. Однако они не становятся абсолютно равными, как можно было бы ожидать в полностью объединенной теории поля электроядерного взаимодействия. МССМ предсказывает, что силы трех взаимодействий сойдутся в одной точке (см. рис. 23).

Кроме того, суперсимметрия может решить давнишнюю проблему космологии. В 1934 году швейцарский астроном Фриц Цвикки обнаружил, что средняя масса галактик в скоплении Волос Вероники, вычисленная по их гравитационным эффектам, не соответствует средней массе, вычисленной по светимости галактик в ночном небе. Целых 90 процентов массы, необходимой для объяснения гравитационных эффектов, как будто отсутствовала или была невидима. Эту невидимую массу назвали темной материей.

Рис. 23 (а) Если экстраполировать силы взаимодействий в Стандартной модели, из этого следует уровень энергии (и время после Большого взрыва), при котором они одинаковы и объединены. Однако они не сливаются полностью в одной точке. (b) В минимальной суперсимметричной Стандартной модели (МССМ) дополнительные квантовые поля влияют на экстраполяцию, и взаимодействия сливаются

Проблема темной материи не ограничилась одним скоплением галактик. Темная материя – ключевой компонент современной Стандартной модели космологии Большого взрыва, модели Лямбда-CDM (сокращение от Cold Dark Matter, холодная темная материя). Последовательные наблюдения микроволнового фонового излучения, произведенные спутником COBE и в последнее время спутником WMAP, позволяют предположить, что темная материя составляет около 22 процентов массы-энергии Вселенной. Около 73 процентов – это темная энергия, связанная со всепроникающим энергетическим полем вакуума, и таким образом на долю «видимой» материи Вселенной – звезд, нейтрино и тяжелых элементов, то есть всего, что мы есть, и всего, что мы видим вокруг, – приходится меньше 5 процентов.

Суперсимметрия предсказывает существование суперчастиц, на которые не влияет ни сильное, ни электромагнитное взаимодействие. Поэтому суперчастицы, например нейтралино, являются кандидатами на роль так называемых «вимпов» – слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP), которые, как считается, составляют значительную часть темной материи[148].

Возможно, существование такого сонма суперсимметричных частиц кажется фантастическим, но история физики элементарных частиц сплошь состоит из фантастических открытий, основанных на теоретических прогнозах, от которых поначалу многие отмахиваются, считая их абсурдными. Если суперсимметричные частицы действительно существуют, то некоторые из них, как ожидается, проявятся на энергиях порядка тераэлектронвольт.

Когда в начале нового тысячелетия на глубине более 150 метров под швейцарской и французской землей началось строительство Большого адронного коллайдера, было очевидно, что у него гораздо более масштабная задача, чем обнаружение электрослабого бозона Хиггса или даже нескольких бозонов или суперсимметричных частиц, предсказанных МССМ. Смысл был в том, чтобы выйти за пределы Стандартной модели; в нашей способности разобраться, из чего состоит и как устроен мир.

В декабре 2000 года начался демонтаж БЭП. Пришлось вывезти 40 тысяч тонн материала. Полностью туннель освободили к ноябрю 2001 года, когда инженеры-геодезисты начали размечать первый из 7 тысяч участков, отведенных под компоненты БАКа.

Неизбежно возникали задержки. В октябре 2001 года Майани установил значительный перерасход средств сверх сметы, и из-за последующей нехватки бюджетных средств завершение проекта отодвинулось еще на год, с 2006 на 2007. Как и у американцев, которые обнаружили это на примере своего незаконченного проекта по строительству ССК, новая технология с использованием сверхпроводящих магнитов забирала гораздо больше денег, чем закладывалось в смету.

Сооружение крупнейшей в мире охладительной системы, способной охлаждать сверхпроводящие магниты до температуры –271,4 °C, закончилось в октябре 2006 года. Последний из 1746 сверхпроводящих магнитов БАКа был установлен в мае 2007 года.

Хотя под БАК отвели тот же 27-километровый туннель, в котором располагался БЭП, для размещения новых детекторных установок снова требовалось вынимать грунт.

В первоначальной планировке у БАКа предусматривалось четыре основные детекторные установки. Это ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus, тороидальный аппарат БАК), CMS (Compact Muon Solenoid, компактный мюонный соленоид), ALICE (A Large Ion Collider Experiment, большой ионный коллайдер) для изучения столкновений тяжелых ионов (ядер свинца) и LHCb (Large Hadron Collider beauty, большой адронный коллайдер b-кварков), специально предназначенный для изучения физики прелестных кварков.

Потом к ним добавились еще два детектора намного меньшего размера. TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement, измерение полного сечения упругого дифракционного рассеяния) предназначен для измерения исключительно высокоточных протонов и установлен недалеко от центра детектора CMS, где сталкиваются протоны. И наконец, это LHCf (Large Hadron Collider forward, большой адронный коллайдер «передний»), задача которого – изучать частицы, образующиеся в «передней» части протон-протонных столкновений, вылетающие в направлении почти совпадающем с направлением сталкивающихся пучков. Он расположен рядом с детектором ATLAS, недалеко от точки пересечения пучков.

Многоцелевые детекторы ATLAS и CMS предназначены для поиска бозона Хиггса и другой «новой физики», которая может продемонстрировать существование суперсимметричных частиц и разрешить загадку темной материи. Детектор ATLAS состоит из ряда все более увеличивающихся концентрических цилиндров, расположенных вокруг точки пересечения протонных пучков. Функция внутреннего детектора в том, чтобы отслеживать заряженные частицы, идентифицировать их и измерять импульс. Внутренний детектор окружен большим соленоидальным (в виде катушки) сверхпроводящим магнитом, который изгибает траекторию движения заряженных частиц.

Снаружи находятся электромагнитный и адронный калориметры, которые поглощают заряженные частицы – фотоны и адроны – и выводят их энергию из создаваемых ими потоков частиц. Мюонный спектрометр измеряет импульс мюонов, которые проходят сквозь другие элементы детектора. В нем используется тороидальное (в форме пончика) магнитное поле, создаваемое большими сверхпроводящими магнитами, образующими восемь баррелей и два торцевых тороида. Это самые крупные сверхпроводящие магниты в мире (см. рис. 24).

Рис. 24

Детектор ATLAS использует тороидальное (в форме пончика) магнитное поле, генерируемое огромными сверхпроводящими магнитами, которые образуют восемь цилиндрических баррелей и два торцевых тороида. Это крупнейшие сверхпроводящие магниты в мире. Источник: © copyright CERN

ATLAS не может распознавать нейтрино, и их присутствие приходится выводить из расхождения энергии между столкнувшимися и обнаруженными частицами. Поэтому детектор должен быть герметичным: ни одна частица, кроме нейтрино, не должна ускользнуть незамеченной.

Детектор ATLAS имеет около 45 метров в длину и 25 метров в высоту, примерно вдвое меньше собора Парижской Богоматери. Он весит около 7 тысяч тонн, как Эйфелева башня или сто «Боингов-747» без пассажиров. Коллаборацию ATLAS возглавляет итальянский физик Фабиола Джанотти, она включает 3 тысячи физиков из более чем 174 университетов и лабораторий 38 разных стран.

У детектора CMS другая конструкция, но аналогичные возможности. Внутренний детектор представляет собой трекинговую систему из кремниевых пиксельных и стриповых детекторов, которые измеряют положение заряженных частиц, что позволяет восстановить их путь. Как и в детекторе ATLAS, электромагнитный и адронный калориметры измеряют энергию заряженных частиц, фотонов и адронов. Мюонный спектрометр фиксирует данные о мюонах, проникающих сквозь калориметры.

Детектор CMS называется компактным, то есть в нем используется один крупный соленоидальный сверхпроводящий магнит, поэтому он меньше детектора ATLAS. Однако он не так уж мал: 21 метр в длину, 15 метров в ширину и 15 метров в высоту (см. рис. 25). На веб-сайте детектора можно узнать, что он расположен в подземной «пещере, где могли бы поместиться все жители Женевы, хотя и без удобства»[149]. Коллаборацию детектора CMS возглавляет итальянский физик Гвидо Тонелли, и она также включает 3 тысячи физиков и инженеров из 183 институтов 38 стран.

В 1997 и 1998 годах началась работа по строительству компонентов ATLAS и CMS и рытье котлованов под их размещение. Монтаж детекторов закончился в начале 2008 года.

Рис. 25