Пол Хэлперн - Коллайдер
Но электромагнитный калориметр отправляет в нокдаун лишь легковесные частицы вроде электронов, позитронов и фотонов. Более тяжелые (и не имеющие отношения к электромагнетизму) частицы проходят через него насквозь и встречают на своем пути толстую стальную пластину, переложенную сцинтилляторами, - адронный калориметр. Окружающие пластину датчики регистрируют тепло, выделяемое любым участником сильных взаимодействий. В этом приборе протоны, нейтроны, пионы и их адронные сообщники последний раз дают свидетельские показания.
Единственные заряженные частицы, которые не способен уловить ни тот ни другой калориметр, - это мюоны. За ними охотятся внешние, самые толстые слои, составляющие мюонную систему. Она во многом напоминает внутренний детектор, те же магниты и система слежения, но размах у нее гигантский по сравнению с остальными узлами АТЛАСа. На фотографиях готового прибора невозможно не заметить исполинскую заглушку мюонной системы, «колесо обозрения».
По форме огромные сверхпроводящие магниты отличаются от центрального магнита, представляющего собой соленоид. Они имеют форму сильно растянутого тора (бублика), а их длина, равная четверти длины футбольного поля, делает их самыми большими сверхпроводящими магнитами в мире. Разделяя внешний барабан на восемь частей, они придают ему вид порезанного на восемь долек фрукта. Эти магниты отклоняют мюоны сильнее благодаря уже одному только размеру. А мюоны на всем своем длинном пути находятся под неусыпным наблюдением тысяч датчиков, скрупулезно подсчитывающих импульсы частиц.
Вид на детектор АТЛАС с его восемью впечатляющими тороидальными магнuтами.
Частицы, равнодушные к электромагнитному и сильному взаимодействиям, беспрепятственно проходят через весь набор детекторов. Первые подозреваемые среди них, конечно, нейтрино, Они отвечают только на слабые и гравитационные силы, поэтому их так трудно зарегистрировать впрямую, АТЛАС и не пытается этого делать - значения их импульсов и энергий рассчитываются путем сведения баланса. Поскольку протоны до столкновения движутся вдоль пучка, их полный поперечный (направленный под прямым углом к пучку) импульс строго равен нулю. Законы сохранения диктуют нам, что полный поперечный импульс после столкновений, то есть сумма поперечных компонент импульса для всех зарегистрированных частиц, тоже обязан равняться нулю. Если это не так, то баланс можно свести только за счет поперечного импульса ускользнувших осколков. Так группа АТЛАСа может без проблем понять, сколько с собой унесли нейтрино.
На диаметрально противоположной стороне кольца БАК, прямо под французской деревушкой Сесси, расположился другой многоцелевой детектор - CMS («компактный мюонный соленоид»). Слово «компактный» в его названии указывает на тот факт, что CMS претендует на исследование тех же физических процессов, какие идут внутри АТЛАСа, но при этом меньше последнего по размерам. Правда, жилой дом все равно смотрится рядом с ним коротышкой. CMS не богат на магниты - у него всего один, зато исполинский сверхпроводящий соленоид (катушка), который выдает поле примерно в тысячу раз интенсивнее земного, 4 тесла. Магнит отклоняет пролетающие через его внутренность частицы, а установленные там калориметры и кремниевые пиксели системы слежения с высокой точностью меряют импульсы осколков. Зная импульсы, экспериментаторы могут восстановить последовательность событий и обнаружить пропажу (например, нейтрино).
Второе различие между CMS и АТЛАСом кроется в том, как именно они заставляют участников электромагнитных взаимодействий «попасть под ливень». Вместо студеного жидкого аргона электромагнитный калориметр CMS населен восьмьюдесятью тысячами кристаллами вольфрамовокислого свинца. В них возникают ливни, в которых электроны, позитроны и фотоны выделяют свою энергию. Что касается адронов, они поглощаются в плотных занавесках из латуни и стали, а мюоны оканчивают свой путь в дрейфовых камерах и железных пластинах, идущих сразу за магнитом.
У двух коллабораций много общего: большой коллектив исследователей со всего мира, великие цели, многофункциональные измерительные установки, чтобы этих целей добиться… Данные, накопленные каждой группой, будут насчитывать миллионы событий, даже с учетом того, что фильтры заранее отсеют заведомо неинтересные. Информацию в электронном виде разошлют по сотням вычислительных центров, и тысячи компьютеров, объединенных в новейшую систему под названием «Грид», займутся ее обработкой.
Детектор CMS перед установкой.
У обоих коллективов есть все, чтобы обнаружить бозон Хиггса, если, конечно, его масса лежит в пределах досягаемости БАК, Когда одна из групп найдет божественную частицу, другая подхватит эстафету, чтобы подтвердить это открытие. Статью, сообщающую радостную новость, будет предварять список без преувеличения из тысяч фамилий. Нобелевскому комитету придется немало поломать голову, размышляя о вопросах приоритета, прежде чем присудить премию одному или нескольким экспериментаторам. В отличие, например, от случая с Руббиа и Ван дер Мером, удостоенным высочайшей научной награды за открытия слабых бозонов, здесь выбор будет далеко не очевиден (теоретик, чьим именем зовется частица, само собой).
Квартет детекторов, расставленный по всем точкам столкновений, замыкает пара узкоспециализированных детекторов тоже порядочных размеров: БАК-b и «Алиса». Еще два миниатюрных детектора - БАК-f (LHCf) и ТОТЕМ - размещены соответственно рядом с цехами АТЛАСа и CMS.
Цель эксперимента БАК-b - производить частицы, содержащие b-кварки, и изучать их каналы распада. Эти частицы, как правило, очень тяжелые и, скорее всего, дают весьма разнообразные продукты распада, среди которых ученые надеются увидеть намеки на явления, выходящие за рамки Стандартной модели. В частности, группа БАК-b будет искать факты в пользу нарушения так называемой СР-инвариантности[24] Этот термин означает ситуацию, когда один слабый процесс немного отличается от своего двойника, полученного следующим преобразованием: все заряды меняем на противоположные (плюсы на минусы, минусы на плюсы) и переключаем четность (смотрим на процесс в зеркале). Если заряд частицы изменить на противоположный, выйдет античастица. Ее поведение в распадах с участием слабого взаимодействия, бывает, отличается от поведения самой частицы. Та же история с четностью: как показали Ли и Янг, в слабых процессах она не сохраняется. У физиков была гипотеза, что комбинация этих преобразований даст уже сохраняющуюся величину. Однако в 1964 г. американцы Джеймс Кронин и Вэл Фитч продемонстрировали, что некоторые процессы с участием каонов нарушают эту симметрию. Мезоны, содержащие b-кварк, тоже иногда в слабых распадах нарушают CP-инвариантность. Этими процессами как раз и займется эксперимент БАК-b.
Детектор БАК-b не похож на АТЛАС и CMS, которые со всех сторон окружают свою точку столкновения. Он состоит из набора вспомогательных детекторов, расположенных в ряд вдоль направления вылета осколков. В коллаборацию БАК-b входят несколько сотен ученых из более десятка стран.
«Алиса» - это эксперимент, в котором будут изучаться столкновения ионов, а не протонов. Под него выделят один месяц в году, в течение которого по кольцу будут циркулировать ионы свинца. Столкнувшись, они, возможно, превратятся в так называемую кварк-глюонную плазму - текучую смесь из адронных ингредиентов, похожую, как полагают, на первичный бульон, заполнявший очень раннюю Вселенную. В нормальных условиях все кварки разбиваются на группы по два или по три и, удерживаемые глюонами, образуют адроны. Но в пекле БАК, где эффективная температура в сотни тысяч раз выше, чем в солнечном ядре, эти крепостные стены, уверены физики, падут, выпустив кварки и глюоны на волю. Однако эта свобода будет длиться недолго. Массивный детектор, фиксирующий результаты этих столкновений, представляет собой многослойный барабан из восемнадцати узлов, среди которых калориметры и системы слежения разных типов. В эксперименте участвуют свыше тысячи исследователей из более чем ста научных организаций.
Детектор БАК-f, самый маленький на БАК, питается остатками трапезы АТЛАСа. Он отстоит примерно на 150 м от точки столкновения АТЛАСа и, подобно вратарю, ловит частицы, родившиеся в лобовом соударении протонов. Его задача - оценивать качество различных детекторов космических лучей. Над ней работают несколько десятков ученых из шести стран.
Наконец мы добрались до ТОТЕМа. Этот длинный тонкий детектор напрямую подсоединен к трубке БАК, где бегает пучок. Ему предстоит проводить прецизионные измерения сечений протонов (их эффективных размеров). ТОТЕМ расположен на расстоянии примерно 215 м от детектора CMS и состоит из набора кремниевых дорожек, помещенных в восемь специальных вакуумных камер, в так называемые римские горшки. С помощью этой установки экспериментаторы смогут найти, как меняется угол отклонения в зависимости от прицельного параметра протонов в пучке. Коллаборация ТОТЕМ насчитывает свыше 80 исследователей из и институтов, расположенных в восьми странах.
