Наука - Лобовое столкновение

В ускорителях с неподвижной мишенью, описанных в прошлом номере «ПМ», далеко не вся кинетическая энергия разогнанной частицы расходуется «по назначению» – то есть на образование новых частиц или возбуждение атомного ядра мишени. Согласно закону сохранения импульса, родившиеся в результате столкновения частицы должны иметь такой же импульс, как и породившая их частица. А это значит, что большая часть кинетической энергии разогнанной в ускорителе частицы перейдет в кинетическую же энергию продуктов реакции.

На переднем крае современной ядерной физики используется «тяжелая артиллерия» – ускорители на встречных пучках, или коллайдеры (от английского collide – сталкиваться). Поскольку частицы в этом случае движутся навстречу друг другу, их импульсы противоположны по знаку. В этом случае меньше энергии переходит в кинетическую энергию продуктов реакции, и «полезная» энергия оказывается куда больше, чем в случае ускорителей с неподвижной мишенью.

Все ныне действующие коллайдеры можно перечесть по пальцам. Шесть подобных машин разгоняют навстречу друг другу электроны и позитроны. Одна из них, ВЭПП-4M, находится в России, в Институте ядерной физики имени Г.И. Будкера, две – в США, одна – в Китае, одна – в Италии и еще одна – в Японии. В США также действуют протонно-антипротонный коллайдер, знаменитый Тэватрон (TEVATRON), принадлежащий Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми, и брукхейвенский ускоритель RHIC, сталкивающий протоны, ядра дейтерия и тяжелые ионы. Еще недавно в ФРГ работал уникальный электронно-протонный коллайдер HERA (Hadron Electron Ring Anlage), однако прошедшим летом его закрыли. Во время написания этой статьи новосибирские физики отлаживали новый электронно-позитронный коллайдер ВЭПП-2000.

Частицы в Тэватроне доводят до кондиции в несколько стадий. Сначала молекулы водорода прогоняют через два линейных ускорителя, где они ионизируются, достигают 400 МэВ, отдают электроны и превращаются в протоны. Протоны направляют в бустерный синхротрон. Там они приобретают энергию в 8 ГэВ, после чего попадают в еще один вспомогательный ускоритель (так называемый главный инжектор), который доводит их энергию до 120 ГэВ или 150 ГэВ. Сгустки протонов с энергией 150 ГэВ немедленно инжектируют в главный синхротрон, кольцо километрового радиуса, окруженное как обычными, так и сверхпроводящими магнитами. Там они разгоняются до 980 ГэВ и приобретают скорость в 99,89% световой. Протоны с энергией 120 ГэВ бомбардируют никелевую мишень и порождают антипротоны. Те собираются в отдельном кольце, а потом попадают в главный синхротрон, где тоже разгоняются до 980 ГэВ.

Самым большим электронно-позитронным коллайдером до недавнего времени был ускоритель LEP (Large Electron Positron), который работал в ЦЕРНе в 1989–2000 годах. Сооружение этой машины потребовало строительства кольцевого подземного туннеля сечением 3 м и длиной 27 км, пролегающего под территориями Швейцарии и Франции на глубине 50–150 м. На первых порах эффективная энергия столкновения частиц не превышала 90 ГэВ, но со временем ее довели до 200 с лишним ГэВ (чуть больше 100 ГэВ на пучок).

Оставшийся от LEP туннель обрел вторую жизнь. Теперь там сооружен ускоритель тяжелых частиц Large Hadron Collider (LHC), Большой адронный коллайдер (БАК), который, по последним прогнозам, вступит в строй во второй половине 2008 года (правда, реальные эксперименты начнутся спустя еще год-полтора). Любопытно, что о нем впервые заговорили в 1977 году, когда и проект LEP еще не был утвержден. В 1991 году эти планы получили предварительную санкцию cовета ЦЕРНа, а три года спустя – окончательную. Чуть раньше, в октябре 1993 года, американский конгресс аннулировал программу строительства протонного суперколлайдера на 40 ТэВ из-за ее непомерной дороговизны.

Хотя проект БАК несколько скромнее, эта машина откроет для физики микромира принципиально новые возможности. Поначалу она будет разгонять только протоны – до энергии 7 ТэВ (энергия столкновения – 14 ТэВ). Позднее БАК станет сталкивать и тяжелые ионы, причем полная эффективная энергия их соударений достигнет 1150 ТэВ.

Процесс ускорения, как и на Тэватроне, будет многоступенчатым. Протоны наберут 50 МэВ в линейном ускорителе, а затем пройдут через три синхротрона, которые последовательно увеличат их энергию до 1,4 ГэВ, 26 ГэВ и 450 ГэВ. Затем пучки протонов направят в главное кольцо БАК и разгонят во встречных направлениях в двух камерах, окруженных сверхпроводящими магнитами, охлаждаемыми жидким гелием. На одном из промежуточных этапов предполагается генерировать пучки антипротонов с энергией 2 ГэВ, которые тоже найдут применение в различных экспериментах.

Встречные протонные пучки пересекутся в выделенных зонах камеры ускорителя, где располагаются системы магнитов, которые будут сводить протоны с круговых путей и направлять их навстречу друг другу. В первое время протонные пучки будут пересекаться каждые 75 наносекунд, но позже этот интервал сократят втрое. В итоге в течение одной секунды будет происходить около 40 млн подобных встреч, в каждой из которых примет участие сотня миллиардов частиц. Практически все они проскочат мимо друг друга, так что в среднем каждая встреча закончится всего 25 реальными столкновениями (физики называют их неупругими). Однако в перерасчете на секунду это число окажется вовсе не маленьким – порядка миллиарда. Если учесть, что каждое соударение оставляет за собой ливень из множества частиц, становится ясно, что анализ экспериментальных данных потребует гигантских усилий электронных мозгов. Эти вычисления будут распределены по компьютерным центрам многих стран, в том числе и России.

Коллайдеры предъявили специфические требования к детекторам частиц (см. врезки). Рожденные в коллайдере вторичные частицы разных поколений могут разлетаться по любым направлениям. Идеальный многоцелевой детекторный комплекс обязан зарегистрировать все эти осколки, за исключением всепроникающих нейтрино и, возможно, каких-то гипотетических частиц, которые очень слабо взаимодействуют с обычным веществом. Естественно, что такой комплекс должен содержать множество разнообразных специализированных регистраторов частиц, то есть быть мультидетектором. Типичный мультидетектор «полного отлова» – это слоеный цилиндр, охватывающий зону межчастичных столкновений. Во внутреннем слое расположены кремниевые микроскопы, регистрирующие треки наиболее короткоживущих частиц, а ближе к периферии – детекторы других типов, такие как дрейфовые камеры и черенковские счетчики. Внешние слои заполнены жидкими и твердыми средами (к примеру, жидкий аргон и железо или свинец), которые полностью поглощают фотоны и прочие частицы за исключением мюонов и нейтрино. Эти компоненты детектора оснащены собственными регистрирующими устройствами, которые измеряют полную энергию частицы (благодяря чему этот блок называют калориметром). Мюоны практически беспрепятственно проникают сквозь калориметр и регистрируются специальными внешними счетчиками, а нейтрино уходят в окружающее пространство. Разумеется, детектор снабжен магнитами, которые отклоняют заряженные частицы.

Что представляют собой детекторы БАК? Вдоль главного кольца ускорителя рядом с зонами встречи пучков в глубоких кавернах установлены шесть детекторов. Два крупнейших, ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS, Тороидальный аппарат Большого адронного коллайдера) и CMS (Compact Muon Solenoid, Компактный мюонный соленоид), предназначены для сбора максимально разнообразной информации о частицах. Фактически они будут отслеживать одни и те же превращения, но различными методами. Остальные четыре детектора – LHCb, ALICE, TOTEM и LHCf – не столь велики и более специализированы.

Масштабы обоих универсальных детекторов вполне сопоставимы с масштабом самого коллайдера. ATLAS – это 7000-тонный многослойный цилиндр длиной 46 м и диаметром 25 м. Детекторный комплекс CMS несколько меньше – длина 21 м, диаметр 16 м, масса 12 500 т. «Он только называется компактным. На самом деле это сооружение величиной с пятиэтажный дом, нафаршированное множеством разнообразных детекторов и прочих устройств. Общее количество электронных каналов, которые там задействованы, составляет около ста миллионов. Полную стоимость CMS оценить трудно, но думаю, что она приближается к $1 млрд, – объясняет «Популярной механике» профессор физики Флоридского университета Генах Мицельмахер, экспериментатор, который вложил немало труда в разработку этого детектора. – У комплекса ATLAS три сверхпроводящих электромагнита, а CMS оснащен всего одним – но каким! В мире нет другого магнита, запасающего такую же энергию магнитного поля – чуть меньше трех гигаджоулей. Внутри его полости расположены кремниевые микроскопы и два калориметра, электромагнитный и адронный. Первый будет измерять энергии электронов, позитронов и фотонов, второй – протонов, нейтронов, пионов и других тяжелых частиц. Мюоны свободно пройдут через оба калориметра, и поэтому пропорциональные камеры для их регистрации установлены вне соленоида. Я и мой итальянский коллега Фабрицио Гаспарини возглавляем группу физиков, которые собираются работать с этими приборами».

«Я думаю, что нам наконец-то удастся узнать, почему слабое и электромагнитное взаимодействие так отличаются друг от друга, хотя их описывают одни и те же фундаментальные уравнения. В этом повинно какое-то нарушение симметрии, и его следы предстоит обнаружить в экспериментах на новом коллайдере, – говорит один из крупнейших физиков-теоретиков нашего времени, профессор принстонского Института фундаментальных исследований Эдвард Виттен. – Я надеюсь также, что мы сможем выяснить, справедлива ли теория суперсимметрии. Эта проблема еще глубже, но возможности современных ускорителей не позволяют ее разрешить».

Большинство физиков считают, что за нарушение симметрии, которое упомянул Виттен, скорее всего, отвечает механизм Хиггса, теоретически разработанный в 1964 году еще до создания теории электрослабого взаимодействия. Он обеспечивает появление большой массы у промежуточных векторных бозонов (переносчиков слабого взаимодействия), в то время как фотоны (носители электромагнитных сил) остаются безмассовыми. Поэтому радиус слабого взаимодействия очень мал, а электромагнитного – бесконечен. Механизм Хиггса постулирует существование скалярного поля, пронизывающего все пространство и в чем-то напоминающего эфир, столь любимый физиками XIX века. Все частицы за исключением фотонов и гравитонов приобретают массу просто потому, что это поле сопротивляется их движению.

Согласно этой модели, то, что мы считаем массой, – просто проявление трения частиц о хиггсовское поле. Его кванты должны показывать себя в виде сильно нестабильной частицы, хиггсовского бозона. Вычисления подтверждают, что его масса, по всей видимости, лежит в диапазоне 115–250 ГэВ и, во всяком случае, не превышает 0,5 ТэВ. Получается, что хиггсовский бозон обязан рождаться в протонных столкновениях на БАК, энергии для этого хватит (любопытно, что Виттен в своем объяснении об этой частице даже не упомянул – судя по всему, он допускает, что несоблюдение электрослабой симметрии может иметь иные причины; аналогичного мнения придерживается и Мицельбахер).

«Теория суперсимметрии – одна из самых глубоких концепций теоретической физики ХХ века. Ее придумали в начале 1970-х, причем в трех местах одновременно – в Москве, Харькове и ЦЕРНе. Речь идет об особой геометрической симметрии пространства-времени, из которой как раз и вытекает существование частиц-партнеров: у каждого бозона имеется партнер-фермион, а у каждого фермиона – бозон, – поясняет профессор теоретической физики Университета Миннесоты Михаил Шифман. – Почти все теоретики полагают, что в физике высоких энергий без нее никак не обойтись, однако до сих пор нет никаких экспериментальных указаний, что она действительно существует в природе. Я надеюсь, что эксперименты на Большом адронном коллайдере выявят следы суперсимметрии. Во всяком случае, ресурсы его детекторов и его энергетические возможности позволяют на это рассчитывать. Доказательство существования суперсимметрии стало бы одним из крупнейших физических открытий за последние пятьдесят лет. Если же эксперименты по-прежнему дадут нулевой результат, физика элементарных частиц столкнется с величайшей загадкой, поскольку разумных альтернатив суперсимметрии пока просто не существует».

«БАК должен проложить дорогу к новой физике. Первым шагом на этом пути стало бы открытие хиггсовской частицы или же демонстрация ее отсутствия. При любом раскладе эти эксперименты позволят лучше понять механизм возникновения массы, – говорит физик-теоретик из Нью-Йоркского университета и ЦЕРНа Гия Двали. – Второй важнейший вопрос – это так называемая проблема иерархии. Между энергиями электрослабого взаимодействия и энергетическим масштабом гравитации существует разрыв в 17 порядков. Почему он именно таков и что его стабилизирует, пока неясно, хотя кандидаты имеются – например, суперсимметрия, о которой упомянули Виттен и Шифман. Но это не единственный вариант. Например, не исключено, что не так уж далеко от электрослабого взаимодействия начинает проявляться квантовая гравитация, которая описывается теорией струн. Эксперименты на БАК помогут ответить и на этот вопрос».

Экспериментаторы более конкретны. «Мы будем ловить мюоны с помощью многопроводных пропорциональных камер. Многопроводных – это сказано очень мягко, число проводов в камере составляет 2 млн! Это самые совершенные в мире детекторы данного типа, они способны отслеживать частицы с точностью до ста микрометров, – объясняет еще один разработчик детектора CMS, профессор Флоридского университета Андрей Корытов. – Рождение мюонов нередко связано с очень нетривиальными физическими событиями, которые мы и будем искать. В частности, бозон Хиггса, вероятнее всего, распадается именно на мюоны. Точнее, он может распасться и на пару фотонов, но для этого его масса не должна превышать 130 ГэВ. А если она лежит неподалеку от 160 ГэВ, что куда вероятней, хиггс распадается на два W-бозона, каждый из которых в свою очередь превращается в пару мюонов. Вот эти мюонные тетрады мы и надеемся увидеть».

Результаты, о которых говорят Виттен, Шифман, Двали и Корытов, будут получены (если, конечно, будут) в результате анализа межпротонных столкновений. А что можно ожидать от соударений между массивными ядрами? Спросим профессора Университета штата Нью-Йорк в Стони Брук Эдуарда Шуряка, специалиста в области теоретической ядерной физики. «Эти исследования задуманы как продолжение экспериментов с тяжелыми ионами, которые уже седьмой год проводятся в Брукхейвене. Лобовые столкновения массивных ядер порождают плазму, состоящую из кварков и глюонов – переносчиков межкварковых взаимодействий. Внутри протонов и нейтронов кварки настолько стянуты глюонными цепями, что не могут оторваться друг от друга. Но если ядра столкнуть при очень высоких энергиях, эти цепи порвутся и кварки с глюонами обретут относительную свободу. Такое состояние называется кварк-глюонной плазмой, оно впервые было получено в Брукхейвене. Теперь надо идти дальше. Мы не знаем, сильно или слабо связаны друг с другом плазменные глюоны и кварки, иначе говоря, на что эта плазма больше похожа – на жидкость или на газ? Вот это главным образом и предстоит выяснить».

Детекторы субатомных частиц (название «элементарные частицы» стало потихоньку выходить из употребления) появились много раньше первых ускорителей. В этом качестве сначала применяли обыкновенные фотопластинки (именно с их помощью была открыта радиоактивность), к которым затем присоединился газоразрядный счетчик, изобретенный ассистентом Резерфорда Гансом Гейгером в 1908 году. Примерно тогда же Резерфорд создал простейший сцинцилляционный счетчик, покрытый сернистым цинком экран, который под ударами альфа-частиц испускал слабые вспышки света.

В 1911 году Чарльз Вильсон построил первый прибор, давший возможность фотографировать траектории заряженных частиц. Проходя сквозь камеру с пересыщенным паром, частица оставляет за собой ионный след, а сконденсировавшийся на ионах пар повторяет рисунок
ее траектории. Если такую камеру поместить в магнитное поле, то по кривизне трека можно определить импульс частицы и знак ее заряда. Вплоть до середины ХХ века камера Вильсона и похожая на нее диффузионная камера оставались единственными устройствами, обладающими подобными возможностями.

В старой доброй камере Вильсона пар сильно разрежен, и поэтому ультрарелятивистская частица может пролететь значительное расстояние, не ионизировав ни единого атома. Для полной обрисовки трека странной частицы со сроком жизни порядка 10–8 секунд необходима технически невозможная камера в сотню метров длиной. К тому же паровой камере нужно не менее минуты для восстановления рабочего состояния. Синхротроны 1950-х годов выстреливали порции протонов каждые две-три секунды, так что для них потребовалось нечто иное.

Первым трековым детектором нового поколения стала пузырьковая камера, которую в 1952 году изобрел американец Дональд Глазер. По сути, это та же вильсоновская камера, но заполненная не паром, а перегретой жидкостью (жидкий водород, пропан, фреоны и т.п.). Заряженная частица оставляет за собой ионизированные атомы, вокруг которых образуются мельчайшие пузырьки пара. Они растут, становятся видимыми и образуют след, который для получения стереоскопической картины одновременно фотографируют с нескольких направлений. Поскольку жидкость много плотнее газа, пузырьковая камера позволяет отслеживать все этапы жизни частицы на относительно короткой дистанции; к тому же цикл приготовления перегретой жидкости занимает всего около секунды. Но у нее есть существенный минус: количество частиц, зарегистрированных в течение одного цикла, невелико.

Этого недостатка нет у искровых камер, появившихся в конце 1950-х. Сначала они представляли собой погруженные в инертный газ параллельные металлические пластины, разделенные миллиметровыми щелями. Когда в камеру попадала заряженная частица, на пластины подавали короткий высоковольтный электрический импульс и между соседними пластинами возникала разность потенциалов. Поскольку пролетающая заряженная частица ионизировала газ, вдоль ее пути возникали искровые разряды, координаты которых передавались в память компьютера. Анализ этих данных позволял восстановить трек частицы. Позднее вместо пластин стали использовать параллельно натянутые провода, что сильно улучшило пространственное разрешение прибора. Продвинутые искровые камеры в тысячи раз опередили пузырьковые и по скорости, и по числу детектируемых частиц.

Искровые камеры были в ходу до 1970-х, а затем их сменили более совершенные аналоги – многопроводные пропорциональные камеры и дрейфовые камеры. Позже появились полупроводниковые детекторы – кремниевые, германиевые и даже алмазные (некоторые разновидности природных и искусственных алмазов не изоляторы, а полупроводники). Кремниевый детектор состоит из разделенных узкими промежутками параллельных полос кремния шириной около ста микрометров. Пролетающая заряженная частица опять-таки оставляет за собой трек из ионизированных атомов, который фиксируют электронные приборы. С помощью кремниевых микроскопов удалось зарегистрировать B-мезоны (время жизни – 10–13 секунд), которые распадаются, пролетев всего 300 микрометров.