БАК (большой адронный коллайдер) – реальность, перспективы, надежды

Размещено на http://www.allbest.ru/

БАК (большой адронный коллайдер) - реальность, перспективы, надежды

Ю.И.Бохан

ВВЕДЕНИЕ

Быть может эти электроны

Миры, где пять материков.

Искусство, знанье, войны, троны

И память тысячи веков.

В.Брюсов

Пожалуй со времени создания А.Эйнштейном общей теории относительности события научного мира, а точнее создание, пусть уникальной, но экспериментальной установки, не вызывало столь большого интереса широкой, и, в общем далекой от фундаментальной науки, публики. Ввод в эксплуатацию Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе вызвал оживление в СМИ и породил большое количество спекулятивных публикаций в печати. Достаточно того факта, что некоторые обыватели подали в суд (США) на физиков, якобы желающих превратить нашу планету Земля в черную дыру в результате запуска БАКа. К сожалению, автору пришлось отвечать на такие «любопытные» вопросы и специалистам, пусть не в физике высоких энергий (ФВЭ), но по своему образованию должным достаточно квалифицированно оценивать поступающую информацию. Из этой посылки и родилась идея написать статью с, по возможности, достаточно, но без профанации, простым изложением целей и задач, которые ставятся перед БАК. Необходимо разъяснить и некоторые вымыслы, которые сопровождают это событие. К сожалению, в Беларуси не издается журнал, аналогичный переводному «В мире науки», который не всем (увы!) доступен. Кроме того требования «В мире науки» (статья без формул, но понятна специалисту, далекому от темы) выглядят несколько «экстремистскими». Физика, все-таки, наука точная и без формул изложить материал о передовых фундаментальных исследованиях, по-видимому, невозможно. По крайней мере, автору это не удавалось никогда. Публикация статьи в журнале «Фізіка. Праблемы выкладання” наиболее актуальна, так как в журнале публикуются статьи, связанные с преподаванием физики в школе. Автор считает, что школьные учителя физики уже не раз отвечали любопытным учащимся, что такое БАК. Если представленная статья поможет в этом вопросе, автор будет считать свою задачу выполненной.

1. РЕАЛЬНОСТЬ

Прежде чем рассматривать особенности БАКа [1], приведем несколько основных параметров таких физических приборов, как ускорители заряженных частиц. Прежде всего, коллайдер (англ. collider от англ. collide-- сталкиваться) -- ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений. По виду коллайдеры подразделяются на кольцевые, например, Большой адронный коллайдер в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований (фр. Conseil Europйen pour la Recherche Nuclйaire, CERN) и линейные. Благодаря коллайдерам учёным удаётся придать элементарным частицам вещества высокую энергию, а после их столкновений -- наблюдать образование других частиц. В настоящее время в мире работает ряд ускорителей, основные из которых и их технические параметры приведены в таблице 1. [2]

Таблица 1.

Из приведенных данных следует, что уникальность БАКа состоит, прежде всего, в высокой энергии сталкивающихся частиц (более чем в 7 раз выше, чем на Тэватроне) и высочайшей светимости, сравнимой с коллайдерами на электрон-позитронных пучках. Эти основные параметры позволяют надеяться на высокую достоверность получаемых результатов, т.е. высокую точность измерений. Прейдем к оценке основных параметров БАКа. Идея проекта Большого адронного коллайдера родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Его строительство началось в 2001 году, после окончания работы предыдущего ускорителя-- Большого электрон-позитронного коллайдера. В ускорителе предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14Ч10¹² электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5, 5 ГэВ (5, 5Ч·10⁹ электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. Таким образом, БАК будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов-- протон-антипротонный коллайдер "Тэватрон", который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им.Э.Ферми (США), и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).Ускоритель расположен в том же туннеле, который прежде занимал Большой электрон-позитронный коллайдер. Туннель с длиной окружности 26, 7км проложен на глубине около ста метров под землёй на территории Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22км. Магниты будут работать при температуре 1, 9 K (?271 °C). 11 августа 2008г. успешно завершена первая часть предварительных испытаний, во время которых пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК. Таким образом, учёным удалось проверить работу синхронизации предварительного ускорителя, так называемого протонного суперсинхротрона (SPS), и системы правой доставки луча. Эта система передаёт в основное кольцо разогнанные пучки таким образом, что они начинают двигаться по кольцу по часовой стрелке. В результате испытаний удалось оптимизировать работу системы. На втором этапе испытаний была протестирована инжекция протонов в ускорительное кольцо БАК в направлении против часовой стрелки. 10 сентября 2008г. был произведён официальный запуск коллайдера, во время которого запущенный пучок протонов успешно прошёл весь периметр коллайдера по часовой стрелке, а затем и против часовой стрелки. Чуть позже пучок был запущен вновь и циркулировал уже непрерывно, прерываясь лишь в случае необходимости. На этом задача по установлению циркулирующего пучка завершилась и физики приступили к подробным тестам магнитной системы. Однако в ходе тестов магнитной системы сектора 3-4 произошёл инцидент, отодвинувший дальнейшие эксперименты как минимум на два месяца. Согласно данным предварительного расследования, один из электрических контактов между магнитами расплавился под действием сильного тока, что привело к механическому разрушению части криогенной системы, выбросу около тонны жидкого гелия в туннель и, как следствие, резкому росту температуры. Для восстановления криогенной системы потребуется вернуть этот участок ускорителя к комнатной температуре, а после ремонта -- охладить его снова до рабочей температуры. Официальный представитель CERNа сообщил, что БАК возобновит работу не раньше весны 2009 года. На следующем этапе испытаний будут производиться одновременные запуски пучков навстречу друг другу, чтобы наблюдать, что происходит при их «лобовых» столкновениях. Затем частицы будут сталкиваться на более высоких энергиях. Выход на энергию 14ТэВ протон-протонного столкновения намечен на начало 2009 года.

Рис.1. Общая схема БАК. [2]

Рис.2. Вид основного кольца БАК. [2]

Рис.3. Структура кольца БАК. [2]

большой адронный коллайдер физика

Рис.4. Конфигурация электрических и магнитных полей внутри кольца (компьютерная модель). [2]

Огромное энергетическое преимущество ускорителей на встречных пучках сделало их совершенно необходимым атрибутом ведущих современных центров исследования физики элементарных частиц. Есть две основные схемы реализации коллайдеров [1]. Если встречные пучки состоят из частиц, имеющих равные массы и противоположные по знаку заряды (т.е. античастицы, например, электрон-позитрон или протон-антипротон), то для обоих пучков используется одно кольцо магнитов. В некоторых точках этого кольца имеются участки взаимодействия ускоренных встречных пучков. Если же встречные частицы имеют одинаковые заряды или разные массы (например, протон-протон или электрон-антипротон), то необходимы два кольца магнитов и в некоторых местах создаются области столкновения (пересечения) пучков. Во встречных пучках, двигающихся навстречу друг другу, накапливается максимально возможное число частиц (до 10¹⁵ в пучке). Однако накапливаемые плотности частиц малы и при каждом обороте реальные столкновения испытывают немногие частицы. Взаимодействие пучков почти не нарушает динамику их движения в ускорительном кольце и пучки многие часы, и даже сутки, могут циркулировать в ускорителе без пополнения. Важной характеристикой коллайдеров является светимость.

Встречные пучки состоят из отдельных сгустков частиц, называемых банчами (от англ. bunch), двигающихся с определенным интервалом (частотой) друг за другом. Рассмотрим два цилиндрических банча одинакового сечения, летящих навстречу друг другу и затем сталкивающихся. Будем считать, что банчи равномерно заполнены частицами и при столкновении полностью перекрываются. В левом банче n₁ частиц, а в правом n₂. Число взаимодействий N₁ в единицу времени между частицами этих двух банчей (т. е. число актов реакций в единицу времени) можно вычислить по формуле, приняв левый банч за частицы-снаряды, а правый - за мишень:

N = jnSl = (n₁/S)n₂,

где у- эффективное сечение взаимодействия. Здесь учтено, что плотность потока падающих на правый банч частиц левого банча j=n₁/S, а полное число частиц в правом банче (принятом в качестве мишени) n₂=nSl, где n - концентрация частиц в правом банче. Если банчи сталкиваются f раз в единицу времени (т. е. с частотой f), то число актов реакции N будет даваться выражением

N = f(n₁n₂/S) = L,

где L = f(n₁n₂/S) и есть светимость коллайдера. Светимость L выражается в см-²·с-¹. Для того чтобы узнать, как часто будет происходить какой-то процесс на данном коллайдере, надо умножить сечение процесса на светимость коллайдера. Например, при проектной светимости БАК, равной 10³⁴см-²·с-¹, процесс рождения хиггсовского бозона с массой 200ГэВ, имеющий сечение 20pb (2·10-³⁵см²), будет происходить со средней частотой один раз в пять секунд.

Для того чтобы определить какие частицы образовались в результате столкновение используются детекторы. Детекторы, используемые в физике высоких энергий для регистрации частиц, состоят, как правило, из нескольких структур, входящих в состав единого регистрирующего комплекса. Каждая структура рассчитана для регистрации частиц с определенными характеристиками. Отдельные структуры детектора расположены так, чтобы различного типа частицы, последовательно проходя через них, оставляли определённую информацию о прошедшей через них частице. На основе этой информации затем восстанавливаются такие характеристики частицы как её тип, энергия, импульс, характеристики распада. Принципы организации такого комплексного детектора иллюстрируются рис. 5. Частицы рождаются в самой левой части рисунка в результате взаимодействия либо сталкивающихся пучков коллайдера, либо одного пучка ускоренных частиц с неподвижной мишенью. Рожденные частицы удаляются от точки своего появления, последовательно проходя различные структуры детектора. Заряженные частицы, такие как протоны, пионы и каоны, детектируются трековым детектором (он расположен ближе всего к точке реакции) и далее - электромагнитным и адронным калориметрами. Электроны детектируются трековым детектором и электромагнитным калориметром. Нейтральные частицы, такие как нейтроны и фотоны, не детектируются в трековом детекторе. Фотоны детектируются электромагнитным калориметром, а нейтроны идентифицируются по энергии, выделяемой в адронном калориметре.

Рис. 5. Принципы организации комплексного детектора в экспериментах по физике высоких энергий

Рис.6. Схема детектора ATLAS.[2]

Рис.7. Внешний вид детектора ATLAS. [2]

На БАК будут работать шесть детекторов: ALICE (A Large Ion Collider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment), TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement) и LHCf (The Large Hadron Collider forward). Детекторы ATLAS и CMS предназначены для поиска бозона Хиггса и «нестандартной физики», в частности тёмной материи, ALICE -- 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 -- для изучения не сталкивающихся частиц (forward particles), что позволит точнее измерить размер протонов, а также контролировать светимость коллайдера, и, наконец, LHCf -- для исследования космических лучей, моделируемых с помощью тех же не сталкивающихся частиц.

Рис.8. Схема расположения детекторов БАК. [2] (Жирным выделено место, где произошла авария)

Соударения протонных пучков будут происходить каждые 25 наносекунд, т. е. с частотой 40 МГц. При планируемой на первом этапе светимости ускорителя 10³³ см^-2сек^-1 при каждом столкновении пучков будет происходить в среднем 2- 3 протонных соударения. При проектной светимости 10³⁴ см^-2сек^-1 при каждом столкновении пучков будет происходить уже 25 протонных соударений. БАК будет создавать в центре детектора почти 10⁹ протон-протонных столкновений в секунду (протонные банчи будут сталкиваться каждые 25 наносекунд). Такому числу рр-столкновений отвечает объем информации, превышающий 40 миллионов мегабайт. Гигантский объём информации, поступающий с детектора ATLAS (примерно 10⁶ гигабайт в год), будет делиться среди примерно 2000 физиков из 34 стран и анализироваться ими. Вычислительные ресурсы, необходимые для такого анализа, эквивалентны более чем 10000 РС Pentium III с частотой 500 МГц.

Во время работы коллайдера расчётное потребление энергии составит 180 МВт. Предположительные энергозатраты всего CERNа на 2009 год с учётом работающего коллайдера -- 1000 ГВт·ч, из которых 700 ГВт·ч придётся на долю ускорителя. Эти энергозатраты -- около 10% от суммарного годового энергопотребления кантона Женева. Сам CERN не производит энергию, имея лишь резервные дизельные генераторы.

2. ПЕРСПЕКТИВЫ

К исходу ХХ столетия физики имели завершенную и весьма успешную теорию элементарных частиц, описывающую три из четырех фундаментальных сил, действующих в природе, -- электромагнитные, слабые и сильные ядерные взаимодействия. В основе понимания физики элементарных частиц лежит квантовая теория поля, то есть квантово-механическая теория локальных полей. Как явствует из Стандартной модели физики элементарных частиц, а именно из теории электрослабых взаимодействий и квантовой хромодинамики (КХД), квантовая теория поля, насколько можно судить, теоретически описывает все наблюдаемые в природе силы. Стандартная модель (СМ) крайне успешна и очень хорошо проверена. Сотни экспериментов, проведенных, в основном, на ускорителях элементарных частиц, позволили проникнуть в структуру материи на расстояния до 10-¹⁸см. И во всех этих экспериментах теория -- Стандартная модель -- работает очень хорошо. Точность экспериментальной проверки Стандартной модели необычайно высока. В случае квантовой электродинамики (КЭД) можно проверить теоретические предсказания с точностью до 10^-10. В случае объединенной теории электрослабых взаимодействий точность экспериментальных проверок теории иногда приближается к 10^-5. И даже в случае сильных взаимодействий сегодня получена точность экспериментальной проверки предсказаний КХД с погрешностью менее одного процента, приближающаяся в некоторых экспериментах к одной тысячной. Таким образом, Стандартная модель на основе квантовой теории поля необычайно успешна. Более того, не предвидится никаких оснований полагать, что эта общая концептуальная модель (квантовая теория поля) не работает вплоть до масштабов, соизмеримых с длиной Планка (где начинают проявляться квантовые эффекты гравитации), которая составляет порядка 10-³³см. Завершение теоретической разработки Стандартной модели -- одно из величайших естественнонаучных достижений ХХ века. Фактически развита всеобъемлющая теория всех негравитационных сил, действующих в природе, работающая в интервале расстояний начиная с длины Планка и заканчивая размерами Вселенной, то есть различающихся на 60 порядков!

По величине спина все элементарные частицы делятся на два класcа: фермионы -- частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино) и бозоны -- частицы с целым спином (например, фотон). Элементарные частицы делятся на следующие группы: адроны -- частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий и лептоны -- фермионы, которые имеют вид точечных частиц вплоть до масштабов порядка 10^?18м. и не участвуют в сильных взаимодействиях. Адроны состоят из кварков -- дробнозаряженных частиц, которые в свободном состоянии не наблюдаются (конфаймент кварков). Кварки и лептоны делятся на 6 типов и являются бесструктурными. Кроме того имеются калибровочные бозоны -- частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

· фотон -- частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

· восемь глюонов -- частиц, переносящих сильное взаимодействие;

· три промежуточных векторных бозона W⁺, W^? и Z⁰, переносящие слабое взаимодействие;

· гравитон -- гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие.

Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель. Адроны и лептоны образуют вещество. Кроме того, в Стандартной Модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, пока ещё не обнаружен экспериментально.

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, т.е. не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков. Таким образом, самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) и применяется термин «фундаментальные частицы».

Стандартная модель включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон, глюоны, W- и Z-бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и не обнаруженный на данный момент бозон Хиггса, отвечающий за наличие массы у частиц. 12 ароматов фермионов разделяются на 3 семейства (поколения) по 4 частицы в каждом. Шесть из них -- кварки. Другие шесть -- лептоны, три из которых являются нейтрино, а оставшиеся три несут единичный отрицательный заряд: электрон, мюон и тау-лептон. Однако Стандартная модель не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью, такие как гравитон (частица, переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц.

Рис.9. Стандартная модель. [2]

Чем же СМ не удовлетворяет физиков? Во-первых, СМ содержит около двадцати свободных параметров (массы фундаментальных частиц, константы взаимодействий, вакуумные средние и т.д.). Во-вторых, в СМ проведено последовательное объединение только электромагнитного и слабого взаимодействий, которые можно рассматривать как различные грани универсального электрослабого взаимодействия. Универсальность обоих взаимодействий проявляется начиная с энергий порядка масс W и Z⁰-бозонов. Сильное взаимодействие рассматривается как независимое, а гравитация вообще не входит в теоретическую схему СМ. В-третьих, СМ не дает ответа на вопрос о происхождении масс наблюдаемых элементарных частиц, количестве поколений фундаментальных фермионов, размерности нашего пространства-времени и механизме барионной асимметрии Вселенной.

Рассмотрим подробнее механизм генерации масс элементарных частиц в СМ. Помимо полей, отвечающих трем фундаментальным взаимодействиям (электромагнитному, сильному и слабому), в СМ предполагается существование еще одного поля, которое практически не отделимо от пустого пространства и не совпадает с гравитационным полем. Его принято называть полем Хиггса. Считается, что все пространство заполнено этим полем и что все фундаментальные частицы (лептоны, кварки и калибровочные бозоны) приобретают массу в результате взаимодействия с полем Хиггса. Те частицы, которые сильно взаимодействуют с полем Хиггса являются тяжелыми, а слабовзаимодействующие - легкими. Приближенно можно сказать, что этот эффект напоминает движение тела в вязкой жидкости, когда оно за счет взаимодействия с жидкостью приобретает эффективную массу, большую реальной массы тела. Наглядно хиггсовский механизм можно представить следующим образом. Возьмём кусок пенопласта и покрошите его на стол. Мы получим маленькие пенопластовые шарики, которые будут очень легкими. Если мы подуем на них, то они разлетятся. Это и будет аналогией безмассовых частиц, то есть частиц, у которых очень маленькая инертность. Теперь аккуратно нальём на стол воды и покрошим сверху пенопласт и снова слегка подуем на него. Мы увидим, что шарики отплывают, но уже неохотно. Если бы мы не видели воду, нам бы казалось, что у них появилась инертность, которой раньше не было. Эта инертность возникает из-за того, что им при движении приходится продираться сквозь воду. Вода в этой аналогии играет роль вакуумного хиггсовского поля. Если же мы подуем на воду без пенопластовых шариков, то по её поверхности побежит рябь -- это будет аналог хиггсовских бозонов. Неточность этой аналогии заключается в том, что вода мешает движению шариков, а хиггсовское вакуумное поле мешает ускорению частиц. Хиггсовский бозон обладает исключительным свойством -- чем тяжелее частица, тем сильнее он к ней «цепляется». Из-за этого распадаться хиггсовский бозон будет преимущественно на самые тяжелые частицы, разрешенные законом сохранения энергии. Именно поэтому картина распада хиггсовского бозона зависит от его массы. Пусть читателя не обманывает простота аналогий. На самом деле все обстоит гораздо сложнее и непонятнее. Например, СМ не может объяснить, почему одни частицы сильно взаимодействуют с полем Хиггса, а другие слабо.

В силу корпускулярно-волнового дуализма полю Хиггса должна соответствовать по крайней мере одна частица - квант этого поля, называемая бозоном Хиггса или, для краткости, просто Хиггсом. Бозон - потому, что спин кванта поля Хиггса должен быть равен нулю. На этот счет доказана строгая математическая теорема. Вопрос о том, почему механизм Хиггса стал основным для генерации масс фундаментальных частиц в СМ, существенно выходит за рамки данного предисловия. Читателю лишь важно знать, что без этого механизма вся конструкция СМ принципиально не может иметь места. До сих пор бозон (или бозоны) Хиггса экспериментально не найдены. Без доказательства его (их) существования СМ не может считаться окончательно подтвержденной. Существуют достаточно жесткие экспериментальные ограничения на массу нейтрального бозона Хиггса как снизу, так и сверху. Нижнее ограничение на массу Хиггса получено в экспериментах на LEPe и составляет на лето 2008 года 114.4 ГэВ на 95-и процентном уровне достоверности. Ограничение сверху получается из анализа вклада бозона Хиггса в различные измеренные на эксперименте параметры СМ (так называемый глобальный фит СМ) и составляет 196 ГэВ на 95-и процентном уровне достоверности. Согласно данным LEPa, опубликованным в ноябре 2007-ого года ожидалось, что масса бозона Хиггса лежит в районе 115 ГэВ, а потому бозон Хиггса может быть открыт на LEPe в течении года. По прошествии десяти месяцев со времени остановки LEPa, физическое сообщество переосмыслило многие прежние достаточно скоропалительные результаты и теперь склоняется к мысли, что предсказания относительно массы бозона Хиггса в районе 115 ГэВ, скорее всего, были ошибочными.

Выработаны несколько стратегий поиска хиггсовского бозона в зависимости от его массы. Если хиггсовский бозон легче 140 ГэВ, то распадаться он будет в основном на b-кварк-антикварковые пары. Эти кварки породят две адронные струи, которые смешаются со всеми остальными адронами, и найти следы бозона Хиггса в этой мешанине будет практически невозможно. Для того чтобы обойти эти трудности, предполагается искать редкие распады хиггсовского бозона (например, в два фотона) либо изучать более сложные события, когда хиггсовский бозон рождается вместе с другими тяжелыми частицами. Если масса хиггсовского бозона больше 140 ГэВ, то он будет распадаться в основном на два W-бозона или на два Z-бозона. В этом случае хиггсовский бозон будет найти легче, потому что W- и Z-бозоны могут при распаде давать электроны и мюоны, а их детектировать и изучать очень легко.

Разумеется, факт открытия какой-то частицы в подходящей области масс еще не означает, что это именно бозон Хиггса. После открытия частицы потребуется внимательное изучение ее свойств. Надо будет проверить, что у открытой частицы нулевой электрический заряд, нулевой спин и, самое главное, что она действительно взаимодействует с тяжелыми частицами сильнее, чем с легкими. Для этого потребуется изучать распад хиггсовского бозона в самые разнообразные наборы частиц и затем сравнить вероятности этих распадов с теоретическими предсказаниями (они уже давно сосчитаны и ждут проверки). Такова, по мнению автора, основная задача БАК.

Но кроме поиска бозона Хиггса перед коллайдером ставится еще ряд задач, которые частично были упомянуты в части, рассказывающей о детекторах БАК. И наибольший интерес здесь вызывает топ-кварк.

Топ-кварк -- самый тяжёлый кварк и, более того, это самая тяжёлая из открытых пока элементарных частиц. Согласно последним результатам Тэватрона, его масса составляет 171, 4 ± 2, 1 ГэВ. 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. Кроме того, топ-кварки интересуют физиков не только сами по себе, но и как «рабочий инструмент» для изучения хиггсовского бозона. Один из наиболее важных каналов рождения хиггсовского бозона в БАК-- ассоциативное рождение вместе с топ-кварк-антикварковой парой. Для того, чтобы надёжно отделять такие события от фона, надо вначале хорошо изучить свойства самих топ-кварков. Ожидается, что в ускорителе в режиме ядерных столкновений будут происходить не только протон-протонные столкновения, но и столкновения ядер 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 более совершенной теории сильных взаимодействий, которая окажется полезной как для ядерной физики, так и для астрофизики. Так как кварки и глюоны составляют структуру протона, то интерес представляет и изучение собственно протонов и нейтронов. Протоны электрически заряжены, поэтому ультрарелятивистский протон порождает облако почти реальных фотонов, летящих рядом с протоном. Этот поток фотонов становится ещё сильнее в режиме ядерных столкновений, из-за большого электрического заряда ядра. Эти фотоны могут столкнуться как со встречным протоном, порождая типичные фотон-адронные столкновения, так и друг с другом. Все эти данные позволят глубже понять характер внутриядерных взаимодействий и построить объединенную теорию электрослабых и ядерных взаимодействий. На БАК планируется проведение и ряда экспериментов, которые позволят продвинуться в понимании и, в этом и состоят основные надежды, ряда моделей, допускающих значительное расширении Стандартной модели.

Первым значительным научным достижением экспериментов на БАК может стать доказательство или опровержение «суперсимметрии»-- теории, гласящей, что любая элементарная частица имеет гораздо более тяжёлого партнера, или «суперчастицу». "Прелесть" суперсимметрии состоит в том, что она сокращает в два раза количество входных параметров Стандартной модели, но требует наличия суперпартнеров у известных частиц. Массы таких суперчастиц и лежат в области, достижимой на БАК. Кроме того на коллайдере будут проведены поиски суперслабого взаимодействия, которое, как предполагается в некоторых расширениях СМ, приводит к появлению частиц темной материи. Все эти задачи находятся на переднем крае ФВЭ и любые экспериментальные данные позволят существенно продвинуться вперед в изучении материи.

Уже в ближайшее время ученым предстоит решить колоссальные по сложности задачи. При расчетной «светимости» пучка в каждом столкновении подобных иглам сгустков протонов будет происходить 20 событий в интервале всего 25 нс. Частицы, разлетающиеся из точки одного столкновения пучков, будут все еще пролетать через внешние слои детектора, когда уже произойдет следующее столкновение. Индивидуальные элементы в каждом из слоев детектора реагируют на определенные частицы. Миллионы каналов данных от детектора создают приблизительно мегабайт информации от каждого события; каждые две секунды это получается петабайт (миллиард мегабайтов). Система обработки данных должна уменьшить данный поток до управляемой величины, и она имеет несколько уровней. Первый будет получать и анализировать данные только от подмножества компонентов всего детектора, из которого он может отбирать перспективные события. Система запуска более высокого уровня передает приблизительно 100 событий в секунду на концентратор вычислительных ресурсов глобальной сети БАК -- распределенную вычислительную сеть БАК (GRID). Сеть объединяет мощности вычислительных центров и делает их доступными пользователям, которые смогут входить в эту сеть прямо из кабинетов в своих институтах. Сеть БАК организована в виде рядов. Ряд 0 находится непосредственно в ЦЕРН и состоит из тысяч стандартных компьютерных. Данные, передаваемые на ряд 0 системами сбора и накопления данных, будут архивироваться на магнитной ленте. Это может показаться старомодным в эру дисков DVD/RAM и флэш-памяти, но Франсуа Грей (Franсois Grey) из Вычислительного центра ЦЕРН считает, что это самый рентабельный и надежный подход. Ряд 0 распределяет данные между 12 центрами ряда 1, которые расположены в ЦЕРН и в 11 других ведущих институтах во всем мире, включая Лабораторию Ферми и Национальную лабораторию в Брукхейвене, США, а также центры в Европе, Азии и Канаде. Таким образом, необработанные данные будут существовать в двух копиях: одна в ЦЕРН, а другая -- распределенная по всему миру. Каждый центр ряда 1 будет также иметь полный набор данных в компактной форме, со структурой, удобной для проведения исследований. Полная распределенная вычислительная сеть БАК включает также центры ряда 2, которые представляют собой вычислительные центры в университетах и научно-исследовательских институтах. Установленные здесь компьютеры будут вести распределенную обработку для всей сети в ходе анализа данных.

Рис.10.Моделированнное событие рождения бозона Хиггса c его последующим распадом в два Z-бозона, каждый из которых распадается в пару мюон-антимюон. Мюоны и антимюоны регистрируются мюонными камерами, на рисунке им соответствуют горизонтальные и вертикальные секции в разрезах цилиндра.

Рис.11. Моделированное событие рождения бозона Хиггса с последующим распадом на два фотона в детекторе CMS. Показаны только трекер и электромагнитный калориметр. Треки двух фотонов обозначены г1 и г2.

Как правило, полученные данные будут сопоставлять с уже имеющими моделями распада частиц. Таким образом, удастся избежать колоссального пересчета данных на конкретное событие.

3. НАДЕЖДЫ

Как и всякий уникальный физический прибор, а уникальность БАК состоит не в том, что он единственный, а в возможности достичь новых пределов в изучении природы, он вызывает не только надежды но и вымыслы. Причем, как правило, спекуляции вокруг БАК вызваны либо непониманием достижений физики высоких энергий, либо очень "вольной" трактовкой гипотез и моделей, которые разрабатываются физиками с целью теоретически продвинуться в область энергий, недостижимых в настоящее время. При этом доходит до смешного. Американец Уолтер Вагнер (доктор права, изучал физику и исследовал космические лучи в Калифорнийском университете в Беркли, работал в службе радиационной безопасности) и испанский ученый Луис Санчо обратились в федеральный суд штата Гавайи, утверждая, что коллайдер может создать черные дыры, а также «страпельки и магнитные монополи» (каждая из этих ситуаций опасна гибелью для Земли) и требуя проведения тщательной оценки планетной безопасности. Конечно, можно было бы посмеяться над этим казусом, но очень часто и люди с высшим образованием задают похожие вопросы, начитавшись популярных статей или новых "революционных" теорий, публикуемых в СМИ. Поэтому назрела необходимость разобрать, на достаточно простом уровне, некоторые заблуждения, что бы провести грань между "научными" вымыслами и рабочими гипотезами.

Одним из самых ярких вымыслов является "идея", что БАК может произвести черную дыру, в которую провалится планета Земля со всеми вытекающими последствиям. Разберем эту фантазию. Согласно теории гравитации А.Эйнштейна, чтобы Солнце стало черной дырой, его надо сжать до радиуса в 3 км, т.е. в 4 млн. раз, а Землю - до радиуса в 9 мм, т. е. в миллиард раз. Для дыры с массой Солнца нужна плотность около 10¹⁹ кг/м³, что выше плотности атомного ядра. Наблюдения показывают, что самые легкие кандидаты в черные дыры имеют массу, равную шести массам Солнца. Известные законы физики применимы до плотности вещества, равной так называемой плотности Планка (10⁹⁷ кг/м³), при которой сила гравитации становится так велика, что квантово-механические флуктуации должны порвать "ткань" пространства-времени. Такой плотности было бы достаточно, чтобы создать черные дыры диаметром всего лишь 10^-35 м (длина Планка) и массой 10^-8 кг (масса Планка). С.Хокинг предсказал, что дыра излучает тепло, как горячий уголек, с температурой, обратно пропорциональной массе дыры. У дыры с массой Солнца температура всего миллионные доли кельвина, что очень мало для нынешней Вселенной. Но у черной дыры с массой 10¹² кг (это масса средней горы) температура 10¹² К, что уже достаточно для испускания как безмассовых частиц, типа фотонов, так и массивных - электронов и позитронов.

Время полного испарения черной дыры пропорционально кубу его начальной массы. У дыры с массой Солнца жизнь невообразимо длинна - 10⁶⁴ лет. Дыра с массой 10¹² кг живет 10¹⁰ лет - возраст современной Вселенной. В БАК энергия протона достигает семи тераэлектрон-вольт (ТэВ). По формуле Эйнштейна E = mc² эта энергия эквивалентна массе 10^-23 кг, что в 7 тыс. раз больше массы покоя протона. Но масса 10^-23 кг намного меньше массы Планка в 10^-8 кг, которую обычная теория гравитации предлагает для самой легкой дыры. Этот нижний предел есть следствие квантовомеханического принципа неопределенности. Чтобы частица была как энергичной, так и компактной, она должна иметь энергию Планка, что в 10¹⁵ раз больше энергии БАК. Представления о чёрной дыре как об абсолютно поглощающем объекте были скорректированы С. Хокингом в 1975 году. Изучая поведение квантовых полей вблизи чёрной дыры, он предсказал, что чёрная дыра обязательно излучает частицы во внешнее пространство и тем самым теряет массу. Скорость испарения чёрной дыры тем больше, чем меньше её размеры. Испарением чёрных дыр звёздных (и тем более галактических) масштабов можно пренебречь, однако для первичных и в особенности для квантовых чёрных дыр процессы испарения становятся центральными. За счёт испарения все чёрные дыры теряют массу и время их жизни оказывается конечным. При этом интенсивность испарения нарастает лавинообразно, и заключительный этап эволюции носит характер взрыва, например, чёрная дыра массой 1000 тонн испарится за время порядка 84 секунды, выделив энергию, равную взрыву примерно десяти миллионов атомных бомб средней мощности. В то же время, большие чёрные дыры, температура которых ниже температуры реликтового излучения Вселенной (2, 7 К), на современном этапе развития Вселенной могут только расти, так как испускаемое ими излучение имеет меньшую энергию, чем поглощаемое. Данный процесс продлится до тех пор, пока фотонный газ реликтового излучения не остынет в результате расширения Вселенной. Без квантовой теории гравитации невозможно описать заключительный этап испарения, когда чёрные дыры становятся микроскопическими (квантовыми). Согласно некоторым теориям, после испарения должен оставаться «огарок»-- минимальная планковская чёрная дыра.

Рис.12. Область (размер-масса) существования черных дыр.

Но вот как раз квантовой теории гравитации у нас и нет. Кроме того, уже на ранних этапах астрофизических наблюдений был сделан вывод о том, что во Вселенной должна существовать большая «скрытая масса», не сводящаяся к наблюдаемой материи. Этот вывод совпадает с открытиями в радиоастрономии, сделанные в последнее десятилетие, которые подвели ученое сообщество к признанию того, что вся прежняя физика имела дела лишь с малой частью вещества, распределенного во Вселенной. Привычная нам «барионная» материя, по оценкам, составляет не более 5% вещества Вселенной. Еще 25% массы Вселенной составляют частицы неизвестной пока природы - так называемая «темная материя». И остальные 70% Вселенной приходятся на загадочную пока «темную энергию», которую можно интерпретировать как неизвестное пока состояние вещества (либо вакуума, ясности пока нет) с положительной плотностью и отрицательным давлением. Опубликованные гипотезы сводятся к тому, что «темную материю» могут составлять еще не открытые тяжелые частицы с массой, на два-три порядка превышающей массу протона, в том числе и квантовые черные дыры. Одним из возможных вариантов считается наличие сверхслабовзаимодействующих частиц, которые представляют собой продукт распада «магнитных монополей» и «страпелек», гипотетических частиц, оставшихся после рождения Вселенной. К сожалению создать условия для рождения этих и многих других экзотических объектов на БАК невозможно, не хватит энергии. Поэтому ученые обратили свой взор к космосу, а точнее к астрофизике.

Эксперименты в астрофизике дают уникальную возможность изучить физику элементарных частиц при энергиях, недоступных на ускорителях. Поэтому они очень важны для понимания физики за пределами Стандартной модели. Эта область знания интенсивно развивается, большое количество интересных экспериментальных данных появляется сейчас и ожидается в ближайшие годы. В частности, в настоящее время интенсивно исследуются космические лучи сверхвысоких энергий- свыше 5Ч10¹⁹ эВ. Ускорение заряженных частиц до таких энергий может происходить только в экстремальных астрофизических условиях и должно сопровождаться сильным гамма- и нейтринным излучением. Данные гамма- и нейтринной астрономии ставят серьезные ограничения на ускорительные механизмы в рамках СМ. Эта проблема может быть решена с привлечением новой физики за пределами СМ и должна изучаться в непосредственной связи с экспериментальными данными. Только полное понимание ситуации с космическими лучами сверхвысоких энергий позволит извлечь из экспериментальных данных информацию о новой высокоэнергетической физике и проверить разнообразные модели.

Особый интерес физиков к экстремально горячим плотным средам связан с желанием обнаружить особое состояние материи - так называемую кварк-глюонную плазму (КГП), существование которой предсказано современной теорией сильного взаимодействия - квантовой хромодинамикой (КХД). Согласно теории Большого взрыва, развитие Вселенной на ранних стадиях эволюции определялось свойствами этой плазмы. Кроме того, материя в таком состоянии может сформироваться внутри компактных звезд, наблюдаемых в настоящее время. Существование особых фаз материи может быть причиной особого поведения некоторых компактных звезд, процесс охлаждения которых не может быть объяснен на основе старых моделей, которые не учитывают существование кварк-глюонной плазмы в ядрах этих звезд. Телескопы, размещенные на околоземной орбите, позволили получить бесценный научный материал по наблюдению компактных звезд. Это дало толчок в астрофизике к развитию моделей звезд, учитывающих возможность существования КГП. Понятно, что в таких обстоятельствах необходимо развивать теоретические методы, позволяющие интерпретировать наблюдения и выявлять процессы, которые позволили бы судить о существовании КГП. Эта большая комплексная проблема разбивается на несколько самостоятельных задач, которые могут быть решены независимо. Одна из них- микроскопическое описание свойств адронов в обычных и экстремальных условиях, то есть исследование зависимости масс, времен жизни адронов и т.п. от температуры

В рамках квантовой теории поля можно представить себе и множество других видов силовых взаимодействий. Почему они не проявляются? Затем, в Стандартной модели мы не можем просто взять и рассчитать напряженность полей и заряды всех сил. Например, постоянная тонкой структуры, определяющая интенсивность электрического силового поля, вычисляется исключительно путем измерений. Мы понятия не имеем, почему она равна приблизительно 1/137. В отношении кварков остаются вопросы, на которые пока нет ответа:

· почему ровно три цвета?

· почему ровно три поколения кварков?

· случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений?

· случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире?

· откуда берётся такой разброс в массах кварков?

· из чего состоят кварки?

Впрочем, история с адронами и кварками, а также симметрия между кварками и лептонами, наводит на подозрение, что кварки могут сами состоять из чего-то более простого. Рабочее название для гипотетических частиц-составляющих кварков-- преоны (айконы). С точки зрения эксперимента, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от эксперимента. Серьёзного успеха в этом направлении пока нет. Другой подход состоит в построении теории Великого Объединения. Польза от такой теории была бы не только в объединении сильного и электрослабого взаимодействий, но и в едином описании лептонов и кварков. Почти 30 лет назад было обнаружено, что при экстраполяции всех трех сил они нивелируются в области предельных сверхвысоких энергий. Это стало первым ключом к существованию еще одного физического порога -- при сверхвысоких энергиях далеко за пределами современных возможностей наблюдения, -- за которым все силы по шкале энергий сливаются в рамках теории Великого Объединения. Несмотря на активные исследования, построить такую теорию также пока не удалось.

Получить ответы на все эти вопросы важно не просто ради удовлетворения нашего любопытства, но и потому, что без этих ответов мы не поймем истока и первоначала Вселенной. Мы не видим способов получения ответов на эти вопросы ни в рамках Стандартной модели, ни в рамках простых расширений Стандартной модели. Это наводит на мысль, что на сверхмалых расстояниях или при сверхвысоких энергиях начинают действовать принципиально новые физические законы. Возвращаясь ко временам всё более горячей и плотной Вселенной и всё более высокой энергии частиц, мы неизбежно упираемся в точку, начиная с которой физика, как мы полагаем, станет иной. Возможно, что такой теорией станет теория на основе суперсимметрии.

Суперсимметрия, возможно, идеально точно отражает симметрию законов природы, однако она была спонтанно нарушена уже в первоначальном основном состоянии Вселенной. Многие существующие в природе симметрии спонтанно нарушаются. И, если принять масштабы нарушения суперсимметрии достаточно большими, это объясняет, почему мы до сих пор не наблюдали ни одной из частиц-партнеров. Если же нам удастся обнаружить эти частицы на ускорителе БАК, то этим мы, фактически, откроем новые квантовые измерения пространства-времени. Вот почему всех нас так волнуют перспективы нового ускорителя в ЦЕРНе. У суперсимметрии много красивых свойств. Она объединяет по принципу симметрии фермионы -- кварки и лептоны (то есть составляющие первоэлементы материи) и бозоны -- мезоны, фотон, W- и Z-бозоны, глюоны в КХД и гравитон (то есть кванты силовых взаимодействий). Однако суперсимметрия представляется также и крайне полезным инструментом с точки зрения исследования феноменологии элементарных частиц. Она способна объяснить их иерархию, дать ответ на вопрос, почему шкала объединения столь велика по сравнению со шкалой слабого взаимодействия. Без суперсимметрии это соотношение шкал 10¹⁴ - 10¹⁸ приходится корректировать вручную. Но, что важнее всего, у нас имеется и непосредственный ключ к суперсимметрии, и он также подсказывает, что ее нарушение начинается в районе 1 ТэВ по шкале энергий. В последние 20 лет проводились всё более точные измерения сил, действующих в рамках Стандартной модели, и всё более точные расчеты их изменения в зависимости от энергии взаимодействий. И, выходит, что без суперсимметрии калибровочные связи не состыковываются; впрочем, трем прямым не обязательно пересекаться в одной точке. Однако если просто взять Стандартную модель и привнести в нее минимальную суперсимметрию, а затем предположить, что суперсимметрия нарушается при энергиях порядка 1 ТэВ, то все три калибровочные связи идеально сойдутся в одной общей точке. А это -- очень сильный ключевой аргумент в пользу существования суперсимметрии в природе и возможности открыть ее на БАК. Более точные экстраполяции такого рода помогают нам составить представление о том, где и при какой энергии смыкаются силы. Она оказывается еще выше -- порядка 10¹⁸ ГэВ, то есть в 10¹⁴ раз выше энергии, которую будет развивать БАК. Это ставит физику элементарных частиц перед серьезной проблемой. Как исследовать энергии такого масштаба и открывать новые физические явления? Способны ли теоретики в принципе экстраполировать модель на так много порядков? Другая причина, по которой мы можем рассчитывать на успешное объединение всех силовых взаимодействий, -- это прямой намек на включение гравитации в новую физическую теорию объединения. Энергия объединения в 10¹⁸ ГэВ очень близка к энергии превращения гравитации в сильное взаимодействие. При низких энергиях гравитация относится к разряду очень слабых взаимодействий. В атоме силы гравитационного притяжения между электроном и протоном в 10⁴⁰ раз слабее силы электрического притяжения между ними. Следовательно, мы можем пренебрегать гравитацией и в обычной атомной физике, и в физике элементарных частиц низких энергий. Но ведь сила гравитационного притяжения связана с массой, которая, в свою очередь, эквивалентна энергии. Поэтому сила гравитационного притяжения растет пропорционально квадрату энергии и быстро выравнивается и объединяется со всеми другими силами (которые зависят от энергии логарифмически) по достижении планковских масштабов энергии порядка 10¹⁹ ГэВ. Это очень важный ключ, поскольку он указывает, что следующий прорыв в физике, великое объединение всех сил природы, должен распространяться и на гравитацию. А также на то, что происходит это объединение на уровне энергий, при которых гравитация становится сильным взаимодействием и начинают проявляться квантовые эффекты. Поскольку очень трудно построить теорию, включающую все силы, в том числе гравитацию, и одновременно соответствующую нашим знаниям о явлениях, наблюдаемых при низких энергиях, у теоретиков, возможно, есть шанс разобраться, что там происходит, и без прямых экспериментальных измерений в планковских масштабах.

«Планковский масштаб» назван так в честь Макса Планка, который ввел это понятие более века тому назад. В физике мы измеряем все наблюдаемые величины тремя единицами -- длины, времени и массы. Все другие количественные физические характеристики могут быть выражены через эти единицы. Но фундаментальными константами размерности в природе являются отнюдь не метры, килограммы и секунды. Эти единицы изобретены человеком. Мы же подозреваем, что Природа использует единицы измерения, в основе которых лежат фундаментальные размерные константы: скорость света c, квант действия h и гравитационная постоянная Ньютона G. Последнюю из этих фундаментальных констант -- так называемую «постоянную Планка» h -- Планк ввел для описания излучения. Он понял, что h вместе с c и G можно использовать в качестве трех базовых единиц, нужных нам для описания всех физических явлений. Ученый был крайне рад, что ему удалось завершить триаду фундаментальных размерных констант, и он же дал определения длины Планка, энергии Планка и времени Планка в этих фундаментальных единицах. Характерно, что все эти три единицы отстоят от нас крайне далеко: длина Планка настолько мала, энергия Планка настолько велика, а время Планка настолько мимолетно, что они выходят за пределы нашего восприятия. Однако любой физик согласится, что это -- фундаментальные размерные параметры Природы, и нам действительно следует выражать все физические величины в этих единицах. (Любознательному читателю представляется возможность самому выразить планковские длину, массу и время в обычных метрах, килограммах и секундах.). Тот факт, что планковская масса настолько (на 19 порядков) превышает массу протона, очень важен для понимания структуры Вселенной и природы многих физических явлений. Например, почему звезды, планеты и даже люди такие большие? Почему в их физических телах так много протонов? А причина в том, что, грубо говоря, размер самой крупной звезды, которая может сформироваться без быстрого гравитационного коллапса в черную дыру, пропорционален кубу отношения планковской массы к массе протона, то есть ~10¹⁹. Поэтому звезды содержат до 10⁵⁷ протонов, и размер их огромен по сравнению с размерами атомов. То же касается планет и людей. Если бы вышеназванное отношение равнялось десяти, а не 10¹⁹, звезда могла бы содержать не более тысячи протонов. Жизнь не зародилась бы, и нас бы тут не было. Эта же иерархия масштабов обусловливает и слабость гравитации. Гравитационное притяжение между двумя телами с массой, равной массе Планка, выражено сильно, однако сила притяжения между протонами в 10³⁸ раз слабее. Как следствие, гравитация, искривляющая, согласно общей теории относительности Эйнштейна, топологическую структуру пространства-времени, в обычных условиях пространство и время практически не искажает. По этой причине на макроскопическом и даже атомном уровне пространство-время имеет гладкую структуру. Если бы вышеназванное отношение равнялось десяти или единице, а не 10¹⁹, тогда на обычных или межатомных расстояниях нам приходилось бы считаться с искривлением пространства-времени, обычные атомы могли бы коллапсировать в черные дыры, а квантовые флуктуации метрики пространства-времени были бы заметны на обычных расстояниях в области образования черных дыр. Весь мир был бы иным. Какая физика работает на планковских масштабах? На эту роль все с большим правом претендует теория струн, а точнее теория суперструн.