Главная

Эксперимент LHCb

Эксперименты ATLAS и CMS

Эксперимент ALICE



Эксперименты ATLAS и CMS


            За последние тридцать лет эксперименты в области физики частиц и теоретические разработки привели к глобальному пониманию свойств элементарных частиц вещества и сил, действующих между ними. Работы, проводимые во многих лабораториях мира, и, в особенности, в ЦЕРН на коллайдере ЛЭП со встречными электрон-позитронными пучками, продемонстрировали превосходное соответствие между теоретическими вычислениями в рамках Стандартной модели и большим многообразием точных измерений. Но мы уже знаем, что Стандартная модель может быть только этапом на пути к более совершенной теории остается слишком много вопросов, на которые может ответить только проект БАК. Физики теперь понимают, что фотоны, не имеющие массы, ответственны за дальнодействующие электромагнитные силы. Силы слабого взаимодействия действуют только на малых расстояниях, потому что частицы, за них отвечающие, W- и Z-бозоны, очень тяжелые: только один Z-бозон с массой более 90 ГэВ/c2 почти в два раза тяжелее атома железа. Как Вы уже знаете, предполагается, что частицы приобретают свои массы путем взаимодействия с частицей, названной хиггсовским бозоном, которую еще только предстоит открыть. Эксперименты ЦЕРН, выполненные на коллайдере ЛЭП, уже включали в себя поиск хиггсовских бозонов. Но, даже если хиггсовские бозоны оказались слишком тяжелыми, чтобы их можно было получить на коллайдере ЛЭП, с помощью точных измерений свойств других частиц в процессе проведения экспериментов можно приблизительно сказать, насколько тяжелыми они могут оказаться. Предполагается, если они, конечно, существуют, что масса их составляет более 115 ГэВ/c2, и, почти наверняка, она меньше 1000 ГэВ/c2. Это как раз тот уровень энергии, при котором будут проводить исследования на ускорителе БАК. Таким образом, либо хиггсовские бозоны будут экспериментально найдены, либо придется пересмотреть наши представления о Вселенной. Другая животрепещущая проблема состоит в следующем. Известно, что кварки - основной строительный материал, из которого состоят протоны и нейтроны атомных ядер. Лептоны составляют класс частиц, куда входит, в частности, знакомый каждому электрон, участвующий в формировании атомов и молекул. Так, несмотря на то, что "верхний" и "нижний" кварки и вместе с ними электрон являются основными строительными кирпичиками всех известных стабильных веществ, эксперименты по столкновению частиц высоких энергий обнаружили существование двух дополнительных семейств, или поколений, каждого из этих строительных кирпичиков. Эти дополнительные семейства настолько тяжелы, что не могут быть составляющими частицами материи, так как быстро распадаются со временем. Зададим себе вопрос, почему Природа создала именно три семейства частиц, а не другое их количество, зачем вообще необходимо их копирование? Стандартная модель не отвечает на этот вопрос. Некоторые физики предполагают, что ответ кроется в том, что кварки и лептоны не явля- ются фундаментальными частицами, а состоят из более элементарных частиц, которые еще предстоит открыть. Только предельно возможные уровни энергии ускорителя БАК позволят нам на практике проверить эти и другие теории. Существует ряд теорий, развивающихся параллельно Стандартной модели, которые пытаются объяснить некоторые, оставшиеся пока без ответа, загадки. Одна из наиболее привлекательных - уже знакомая нам SUSY. В этой теории на каждый кварк должна существовать другая частица с равным зарядом, но с другой массой, называемая "скварк", а на каждый лептон - свой "слептон". Такие переносчики энергии, как фотоны, W- и Z-бозоны, также должны иметь партнеров, а хиггсовский бозон может приобретать даже нескольких партнеров. Для разрешения еще не раскрытых тайн элементарных частиц и фундаментальных сил в 2007 году на ускорителе БАК будут запущены два самых крупных эксперимента - ATLAS и CMS. Эксперимент ATLAS осуществляется при широком мировом сотрудничестве ученых и инженеров: в нем принимают участие 1850 физиков из 150 университетов и лабораторий многих стран, из которых 18 - страны-участницы ЦЕРН, и 16 не являются странами-участницами. Его главным инструментом будет детектор высотой 20 метров, способный измерять траектории частиц с точностью до 0,01 мм. Находящиеся внутри детектора чувствительные датчики будут содержать около 10 млрд. транзисторов, почти так же много, как звезд в Млечном Пути. Основная цель эксперимента ATLAS - обнаружить хиггсовский бозон и изучить его свойства. Участники сотрудничества ATLAS будут работать в поисках открытия, которое смогло бы объяснить тот факт, что кварки и лептоны обладают массами. Если предполагаемый вариант решения загадки масс с помощью хиггсовского поля неверен, то эксперимент ATLAS все же поможет найти верное решение. Загадка существования идентичных семейств основных кирпичиков материи, которая не объясняется Стандартной моделью, послужила дополнительной причиной для сооружения детектора ATLAS. Суперсимметричные партнеры известных частиц пока еще не найдены, но их массы могут оказаться такими большими, что энергии существующих ускорителей недостаточно, чтобы их получить. Весьма важным следствием, вытекающим из этой теории, является то, что многие из этих частиц-партнеров, возможно, будут получены при энергиях БАК. Конструкция детектора ATLAS позволяет открыть новые частицы и новые явления, которые можно ожидать при расширении Стандартной модели за счет теории суперсимметрии. Таким образом детектор ATLAS предназначен для проведения всесторонних исследований на ускорителе БАК. Он будет идентифицировать частицы, полученные при столкновениях "лоб в лоб" двух пучков протонов, определять их энергии и направление движения. Ожидается около тысячи миллионов столкновений в секунду. Для сравнения представим, что все люди на Земле, включая детей, вдруг позвонили по телефону одновременно двадцати абонентам. Компьютеры ATLAS будут обрабатывать полученную информацию со скоростью, позволяющей отобрать одно из 10 миллионов соударений, которое может служить доказательством нового явления. Только эти соударения будут регистрироваться на различных носителях информации. Детектор CMS - высокоэффективный прибор общего назначения, целью которого является поиск новых направлений в физике, какие бы формы они не приняли. Детектор, весящий 12,5 тыс. тонн, спроектирован и строится при широком мировом сотрудничестве 2250 физиков из 33 стран. Он предназначен не только для поиска хиггсовских бозонов. Это - универсальный детектор, и коллектив ученых, который будет работать на нем, будет заниматься также поиском новых неизученных явлений. К таким явлениям относятся следствия теории SUSY, которая стоит за пределами положений Стандартной модели. SUSY объясняет, почему различные взаимодействия имеют разные силы, она также может объяснить наличие таинственного "темного" вещества во Вселенной, которое, как мы знаем, существует, но мы не можем его увидеть. Если теория SUSY верна, "темное" вещество, возможно, состоит из еще не обнаруженных суперпартнеров обычных частиц. Пока мы не знаем, верна ли именно эта теория или какая-либо другая - определенный ответ мы надеемся получить с помощью детектора CMS. Детектор CMS выполнен по самой передовой технологии. Он состоит из многих слоев, каждый из которых сконструирован так, чтобы выполнять специфические задачи, но все вместе они обеспечат возможность идентифицировать и точно измерять энергии всех частиц, возникающих в момент протон-протонных столкновений на ускорителе БАК. Слои детектора CMS устроены в виде цилиндрических "луковиц", охватывающих пространство, где сталкиваются пучки. Благодаря такой многослойности детектора в этом эксперименте можно будет проводить поиск хиггсовских бозонов в широком диапазоне масс. В целом, детектор CMS будет иметь 15 млн. индивидуальных детекторных каналов, контролируемых мощными компьютерами. Последние также будут синхронизировать работу детекторов с работой ускорителя БАК, обеспечивая безукоризненную готовность CMS регистрировать любое интересное столкновение. На ускорителе БАК сгустки протонов будут пересекать друг друга 40 млн. раз в секунду, и каждое пересечение этих сгустков будет давать 20 протон-протонных столкновений. Таким образом, за секунду произойдет около 800 млн. столкновений. Не все из них вызовут интерес исследователей. Большая часть столкновений будет происходить вскользь. Столкновения "лоб в лоб" будут достаточно редки, и процессы с возникновением новых частиц будут также редки. Ожидается, например, что на каждые 10 миллионов миллионов столкновений возникнет один хиггсовский бозон. Это означает, что даже при 800 миллионах столкновений в секунду хиггсовский бозон можно будет наблюдать лишь один раз в день. Поиск иголки в стоге сена по сравнению с этой задачей кажется детской забавой.