В августе 2007 г. испанский физики руководитель теоретической группы CERN Луис Альварес–Гаме настойчиво посоветовал мне присоединиться к экскурсии по эксперименту ATLAS, которую физики–экспериментаторы Питер Дженни и Фабиола Джанотти собирались провести для нобелевского лауреата Цзундао Ли и еще нескольких ученых. Невозможно было устоять перед заразительным энтузиазмом Питера и Фабиолы, которые в то время были официальными представителями этого проекта и щедро делились своими знаниями и опытом; их речь была буквально переполнена подробностями эксперимента.

РИС. 29. Взгляд вниз, в «гнездо» для детектора ATLAS, со специальной платформы наверху. Видны трубы, по которым вниз доставлялись детали и строительные материалы

Собравшиеся ученые надели защитные каски и вошли в туннель БАКа. Первой остановкой оказалась специальная площадка, с которой мы смогли заглянуть вниз в громадную выемку, как показано на фотографии (рис. 29). Гигантская полость с вертикальными трубами, по которым оттуда, где мы стояли, на дно полости — на стометровую глубину— предполагалось доставлять части детектора, поразила и заворожила меня. Мы с нетерпением ждали возможности взглянуть на все это поближе.

После первой остановки мы спустились вниз, на дно шахты, где размещался не собранный еще до конца детектор ATLAS. В его незаконченности была особая прелесть — можно было увидеть внутренности детектора, которые позже, разумеется, предполагалось закрыть и спрятать от глаз — по крайней мере до тех пор, пока БАК не будет выключен на длительное время для обслуживания и ремонта. Так что мы получили уникальную возможность заглянуть непосредственно в недра хитроумной и очень внушительной конструкции — разноцветного лабиринта, превосходящего по своим размерам неф собора Парижской Богоматери.

Но размер сам по себе — не главная достопримечательность детектора. На тех из нас, кто вырос в Нью–Йорке или любом другом крупном городе, громадные строительные проекты не производят особого впечатления. Экспериментальная установка ATLAS производит такое сильное впечатление потому, что этот громадный детектор составлен из множества маленьких чувствительных элементов, причем некоторые из них предназначены для измерения расстояний с точностью до микрона. Вообще, в экспериментах на БАКе заключена своеобразная ирония: чтобы точно измерить мельчайшие расстояния, приходится строить громадные установки. Сегодня, демонстрируя на публичных лекциях фотографию этого детектора, я считаю своим долгом обязательно подчеркнуть, что ATLAS —устройство не только большое, но и точное. Это и поражает.

Год спустя, в 2008 г., я вновь приехала в CERN и увидела, насколько продвинулось строительство ATLAS. Торцы установки, открытые в прошлом году, теперь были закрыты. Кроме того, я вместе с физиком Чинцией Да Виа и моим коллегой Гиладом Пересом (вы можете увидеть его на рис. 30) побывала на не менее впечатляющей экскурсии по CMS — второму универсальному детектору БАКа.

РИС. 30. Мой коллега Гилад Перес перед частью «слоеного» детектора мюонов CMS — ярмом магнита

Гилад до этого не бывал ни на одном из измерительных комплексов БАКа, так что я смогла его глазами увидеть все заново и вновь пережить свое первое впечатление. Воспользовавшись тем, что охрана на детекторе оказалась не слишком строгой, мы облазили всю установку и даже заглянули в трубку, предназначенную для протонного пучка (рис. 31). Гилад заметил, что именно в этом месте, возможно, скоро будут созданы многомерные частицы, которые помогут доказать предложенную мною теорию. Неизвестно, конечно, мою модель они докажут или какую-нибудь другую, и все же приятно вспомнить, что эта трубка — то самое место, где мы вскоре сможем заглянуть в тайны новых элементов мироздания.

В главе 8 я представила вам машину, которая ускоряет протоны и сталкивает их друг с другом. В этой главе мы сосредоточимся на двух универсальных детекторах проекта БАКа — CMS и ATLAS; именно они будут определять, что получилось в результате столкновения. Остальные измерительные комплексы БАКа — ALICE, LHCb, ТОТЕМ, ALFA и LHCf — предназначены для более конкретных целей, включая попытку лучше понять сильное взаимодействие и провести точные измерения «красивых» кварков (Ь–кварков). Эти эксперименты, скорее всего, будут изучать элементы Стандартной модели во всех подробностях, но вряд ли откроют законы новой высокоэнергетической (за пределами Стандартной модели) физики, а ведь именно в этом заключается главная цель БАКа. А вот CMS и ATLAS — основные детекторы БАКа; именно на них будут проведены измерения, которые, как мы надеемся, помогут нам обнаружить новые элементы вещества.

РИС. 31. Чинция Да Виа (слева) проходит мимо места, где мы смогли заглянуть в протонную трубку (справа)

В этой главе вы найдете немало технических деталей. Даже теоретикам вроде меня не обязательно знать все эти факты. Те из вас, кого интересует только новая физика, которую нам, возможно, удастся открыть, или концепция БАКа в целом, вполне могут ее пропустить. И все же нельзя не признать, что экспериментальные установки БАКа производят сильное впечатление. Опустить эти подробности было бы неправильно.

В определенном смысле детекторы — и ATLAS, и CMS — представляют собой логическое развитие того пути, которое Галилей и другие ученые начали несколько столетий назад. Тогда с изобретения микроскопа началось развитие техники, которая позволяла физикам опосредованно изучать все более мелкие расстояния. Ученые постепенно открывали новые уровни структуры вещества, наблюдать которые можно только при помощи самых крохотных зондов.

Эксперименты на БАКе разработаны для того, чтобы исследовать субструктуры и взаимодействия на расстояниях, в сотни тысяч триллионов раз меньших, чем сантиметр. Это примерно в десять раз меньше по размеру, чем все, что прежде приходилось исследовать ученым. Хотя предыдущие высокоэнергетические эксперименты на коллайдерах, к примеру на тэватроне в Лаборатории имени Ферми в Батавии (штат Иллинойс), строились примерно на тех же принципах, что и новые детекторы БАКа, рекордные энергии и высокая частота столкновений поставили перед инженерами немало новых задач и, вообще говоря, предопределили небывалый размер и сложность устройств.

Подобно космическим телескопам, эти детекторы после строительства становятся практически недоступными. Они находятся глубоко под землей и подвергаются действию сильного излучения. Никто не в состоянии проникнуть в детектор, пока БАК работает. Но, даже когда коллайдер выключен, добраться до конкретного детекторного элемента чрезвычайно сложно, да и времени на это требуется очень много. Именно поэтому детекторы строятся так, чтобы они могли работать по крайней мере десять лет без всякого обслуживания. Впрочем, каждые два года БАК предполагается останавливать на длительный период, в течение которого физики и инженеры получат доступ ко многим компонентам детектора.

В одном очень важном отношении экспериментальные установки для регистрации элементарных частиц сильно отличаются от телескопов и микроскопов: они «смотрят» одновременно во все стороны. Столкновения происходят, частицы вылетают. Детекторы фиксируют любое событие, которое потенциально может оказаться интересным. ATLAS и CMS — универсальные детекторы. Они не регистрируют один только тип частиц или событий, не фиксируют признаки конкретных процессов. Эти установки сконструированы так, чтобы впитывать в себя максимальное количество данных от широчайшего спектра взаимодействий и энергий. Уже потом экспериментаторы, располагающие громадными вычислительными возможностями, попытаются однозначно выделить из общей массы событий информацию о конкретных частицах и продуктах их распада.

В эксперименте CMS — в строительстве установки, работе с ней и обработке полученных данных — принимают участие более 3000 человек из 183 научных институтов, представляющих 38 стран. Возглавляет проект итальянский физик Гвидо Тонелли.

В нарушение традиции Центра, согласно которой главой чего-либо может быть только мужчина, яркая итальянская донна Фабиола Джанотти стала «лицом» второго универсального детектора — ATLAS. Она в полной мере заслужила эту честь. Это очень мягкий, дружелюбный и вежливый человек и прекрасный ученый и организатор. Настоящую же зависть у меня вызывает тот факт, что она, помимо всего прочего, прекрасно готовит; вероятно, это естественно для итальянки, от внимания которой не может уйти даже самая мелкая подробность.

ATLAS тоже собрал вокруг себя гигантский коллектив. На декабрь 2009 г. в этом эксперименте принимали участие свыше 3000 ученых из 174 институтов 38 стран. Первоначально сообщество было сформировано в 1992 г., когда два предложенных эксперимента — EAGLE (Experiment for Accurate Gamma, Lepton, and Energy Measurements — эксперимент по точному измерению гамма–квантов, лептонов и энергии) и ASCOT (Apparatus with Super Conducting Toroids — аппарат с суперпроводящими тороидами) — объединились в один, соединив в конструкции черты того и другого с некоторыми элементами предложенных детекторов суперколлайдера SSC. Окончательное предложение было опубликовано в 1994 г., а еще два года спустя ATLAS получил финансирование.

Два основных эксперимента БАКа схожи по основной конструкции, но различаются особенностями конфигурации и реализации, что достаточно подробно показано на рис. 32. Они дополняют друг друга, имея немного разные возможности. Новые открытия ставят перед физикой элементарных частиц крайне сложные проблемы, поэтому два различных детектора, настроенные на регистрацию одних и тех же объектов, дадут гораздо более достоверные результаты, если смогут подтвердить находки друг друга. Если оба эксперимента приведут ученых к одному и тому же выводу, это придаст всем участникам проекта уверенности.

Помимо прочего, присутствие двух схожих экспериментальных установок вносит в исследования элемент соперничества; коллеги–экспериментаторы постоянно напоминают мне об этом. Конкуренция заставляет тех и других работать как можно быстрее и при этом тщательнее. Кроме того, члены двух коллективов учатся друг у друга. Хорошая идея обязательно найдет себе дорогу в обоих экспериментах, хотя, вероятно, реализована будет по–разному. В основе решения о строительстве двух экспериментальных установок с общими целями лежит, вероятно, стремление обеспечить условия для конкуренции и сотрудничества, а также своеобразное желание «подстраховаться», запустив два независимых проекта со сходными целями, опирающиеся на немного разные устройства.

Меня часто спрашивают, когда БАК будет проводить мои эксперименты и искать подтверждения моделей, предложенных моими коллегами и мной. Ответ — прямо сейчас, но одновременно там ищут и подтверждения всех остальных предположений. Помощь теоретиков заключается в том, что они предлагают новые объекты и новые стратегии поиска. Цель наших исследований — определить, какие физические элементы или взаимодействия присутствуют на более высоких энергиях, чтобы физики могли отыскать, измерить и интерпретировать результаты и получить таким образом новые представления о фундаментальной реальности, какой бы она ни оказалась. Только после получения всех данных экспериментаторы, разбитые на команды, начинают разбираться, подтверждает ли полученная информация мои модели (или любые другие потенциально интересные модели) или отвергает их.

РИС. 32. Детекторы ATLAS и CMS в разрезе. Обратите внимание на то, что общие размеры даны в разных масштабах

Затем теоретики и экспериментаторы проверяют записанные данные и смотрят, не подтверждают ли они какую-нибудь конкретную гипотезу. Хотя многие частицы живут лишь ничтожные доли секунды и мы не можем увидеть их непосредственно, физики–экспериментаторы при помощи цифровых данных восстанавливают «картинку» и стараются установить, какие частицы составляют основу вещества и как они взаимодействуют. Учитывая сложность детекторов и самих данных, можно сделать вывод, что информации потребуется много. Остальная часть этой главы поможет вам представить, какой будет эта информация.

Мы проследили путь протонов в БАКе от атомов водорода, из которых они извлекаются, через ускорение до высоких энергий в 27–километровом кольце. Два полностью параллельных луча никогда не пересекутся; то же можно сказать и о двух пучках протонов, движущихся в противоположных направлениях внутри специальных тонких трубок. Поэтому в нескольких точках кольца дипольные магниты отклоняют протонные пучки от их неизменного кольцевого маршрута, а квадрупольные магниты фокусируют их таким образом, что протоны двух пучков встречаются и взаимодействуют в пределах области меньше 30 микрон в поперечнике. Точки в центре каждого детектора, где происходят протон–протонные столкновения, известны как точки взаимодействия.

Экспериментальные установки (на рис. 33 изображено устройство детектора CMS) располагаются концентрически вокруг каждой из этих точек, чтобы улавливать и регистрировать многочисленные частицы, которые рождаются при частых столкновениях протонов. Детекторы имеют цилиндрическую форму — ведь, несмотря на то что пучки протонов движутся с равной скоростью в противоположных направлениях, в столкновениях, как правило, проявляется и продольное движение в обоих направлениях. Вообще, поскольку размер отдельного протона много меньше поперечных размеров пучка, большая часть протонов вообще не участвует в столкновениях, а продолжает лететь дальше по трубке, лишь слегка отклонившись от своего пути. Интерес для ученых представляют лишь те редкие события, в которых отдельные протоны сталкиваются лоб в лоб.

Это означает, что хотя большинство частиц продолжает двигаться вдоль направления пучка, потенциально интересные события порождают настоящий дождь частиц, разлетающихся преимущественно в поперечном направлении. Цилиндрические детекторы сконструированы таким образом, чтобы улавливать максимальное число продуктов взаимодействия, учитывая и разлет частиц вдоль направления движения пучка. Детектор CMS располагается возле одной из точек столкновения протонов под землей — возле Сэсси во Франции, недалеко от границы со Швейцарией, а точка взаимодействия детектора ATLAS лежит под швейцарским городом Мэйрин — совсем рядом с основным комплексом CERN (на рис. 34 вы можете видеть условное изображение частиц, разлетающихся после столкновения и проходящих сквозь разрез детектора ATLAS).

РИС. 33. Компьютерное изображение устройства CMS с показом отдельных компонентов. (Графика печатается с разрешения CERN и проекта CMS.)

Частицы Стандартной модели характеризуются массой, спином и характером взаимодействий, в которых они участвуют. Что бы ни возникало в итоге в результате столкновений, и та и другая экспериментальная установка распознают все при помощи известных сил и взаимодействий Стандартной модели. Иной возможности у нас нет. Частицы без соответствующих зарядов покинули бы область взаимодействия, не оставив за собой следа.

Но, когда детектор регистрирует взаимодействия из арсенала Стандартной модели, он может разобраться в них и «понять», что произошло. Именно это и должны делать обе экспериментальные установки. И CMS, и ATLAS измеряют энергию и импульс фотонов, электронов, мюонов, тау–лептонов и, наконец, частиц, участвующих в сильном взаимодействии, которые вовлекаются в потоки плотно сгруппированных частиц, летящих в одном направлении. Детекторы, установленные вокруг точки взаимодействия, должны измерять энергию или заряд и таким образом идентифицировать частицы. Чтобы не утонуть в море информации, они снабжены сложнейшими компьютеризированными устройствами, программным обеспечением и электроникой. Экспериментаторы распознают заряженные частицы, потому что те взаимодействуют с другими, известными нам заряженными частицами. Они регистрируют также все объекты, которые участвуют в сильном взаимодействии.

РИС. 34. Условное изображение события в детекторе ATLAS. Показан разлетающийся в поперечных направлениях дождь частиц, пронизывающих по пути слои детектора. (Обратите внимание: человек внизу помогает представить масштаб установки, но на самом деле, когда в детекторе находятся люди, столкновений не бывает.) Хорошо видны характерные тороидальные магниты. (Фото печатается с разрешения Европейского центра ядерных исследований и руководства проекта ATLAS.)

Все компоненты детектора, по существу, отслеживают перенос заряда — те электроны, что возникают при взаимодействии частиц с материалом детектора. Иногда в веществе возникает ливень частиц — множество электронов и фотонов, а иногда вещество просто ионизируется и регистрируется заряд. Но в любом случае чувствительные элементы регистрируют сигнал и посылают его в компьютеры для обработки и анализа.

Магниты также представляют собой принципиально важную часть обоих детекторов. Они необходимы для измерения как знака зарядов, так и импульсов заряженных частиц. Электрически заряженные частицы в магнитном поле отклоняются от прямой, причем радиус изгиба траектории зависит от скорости движения частицы. Чем больше импульс частицы, тем прямее она движется, а частицы с противоположными зарядами отклоняются в противоположные стороны. Частицы в БАКе обладают огромной энергией (и импульсом), поэтому экспериментальным установкам нужны очень сильные магниты, иначе не удастся заметить и измерить еле заметную кривизну треков энергичных заряженных частиц.

Установка под названием «Компактный мюонный соленоид» (Compact Muon Solenoid, CMS) — меньшая из двух главных универсальных детекторов БАКа, зато более тяжелая; ее ошеломляющая масса достигает 12 500 т. «Компактные» размеры таковы: 21 м в длину и 15 м в диаметре. Это чуть меньше, чем размеры ATLAS, и все же достаточно, чтобы полностью занять теннисный корт.

Отличительная особенность CMS — сильное магнитное поле напряженностью 4 Тл, на которое намекает слово «соленоид» в названии. Соленоид во внутренней части детектора представляет собой цилиндрическую катушку диаметром 6 м из сверхпроводящего кабеля. Ярмо магнита, проходящее через наружную часть детектора, также производит сильное впечатление — и, кстати говоря, составляет значительную часть его громадной массы. Железа в нем больше, чем в парижской Эйфелевой башне.

Обратите внимание также на слово «мюонный» в названии установки (по крайней мере, меня оно в свое время заинтересовало). Быстрое распознавание электронов и мюонов — их более тяжелых эквивалентов, проникающих в самые внешние слои детектора — может быть очень важно для обнаружения новых частиц, поскольку именно такие энергичные частицы иногда рождаются при распаде тяжелых объектов. Поскольку эти объекты не участвуют в сильном взаимодействии, они, скорее всего, представляют собой нечто новое — ведь протоны автоматически их не порождают. Таким образом, эти без труда распознаваемые частицы (мюоны) могут указывать на присутствие какой-нибудь интересной распавшейся частицы, рожденной во время столкновения. Магнитное поле в CMS с самого начала проектировалось в расчете на энергичные мюоны, с тем чтобы установка могла их «ловить». Это означает, что детектор непременно зарегистрирует данные о любом событии с их участием, даже если вынужден будет оставить за бортом большое количество иной информации.

ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), как и CMS, содержит в своем названии ссылку на магниты, поскольку для его работы также необходимо сильное магнитное поле. Слово «тороидальный» в названии относится именно к магнитам. Поле, которое они создают, не такое мощное, как в CMS, зато занимает громадный объем. Именно из-за громадных магнитных тороидов ATLAS стал более крупным из двух универсальных детекторов и вообще самой крупной экспериментальной установкой в истории человечества. Его длина 46 м, диаметр — 25 м; он удобно устроился в пещере длиной 55 и высотой 40 м. Весит детектор 7000 т и уступает CMS по массе почти вдвое.

Чтобы иметь возможность измерять все характеристики частиц, ATLAS окружает зону столкновений множеством все более крупных цилиндрических детекторных элементов. В конструкции и CMS, и ATLAS предусмотрено несколько устройств, предназначенных для измерения траекторий и зарядов пролетающих частиц. Вылетая из точки столкновения, частицы встречают на своем пути внутренние трекеры, назначение которых — точно измерить положение частицы неподалеку от точки вылета. Затем идут калориметры, измеряющие энергию, которую, останавливаясь, отдают не слишком энергичные частицы. Наконец приходит очередь мюонных детекторов, расположенных во внешнем контуре установки; они измеряют энергию мюонов, обладающих высокой проникающей способностью. Каждый из перечисленных детекторных элементов состоит из множества слоев, что увеличивает точность каждого измерения. Сейчас мы с вами совершим экскурсию по экспериментальным установкам вслед за частицами и посмотрим, как россыпь частиц, вылетающих из точки столкновения, превращается в массив легко распознаваемой информации.

В самой глубине детектора, ближе всего к зоне взаимодействия, располагаются так называемые трекеры. Их задача — точно зафиксировать положение вылетающих из зоны заряженных частиц, чтобы затем можно было восстановить траекторию каждой частицы и измерить импульс. И в CMS, и в ATLAS трекеры включают в себя несколько концентрических компонент.

Ближайшие к пучку и зоне взаимодействия слои состоят из самых мелких сегментов и обеспечивают большую часть данных. В этом слое, который начинается в нескольких сантиметрах от протонной трубки, располагаются кремниевые пиксели с крохотными датчиками. Их задача — чрезвычайно точное фиксирование положений частиц возле самой точки взаимодействия, где плотность потока частиц максимальна. Кремний используется в современной электронике потому, что на каждом крохотном его кусочке можно вытравить множество тонких элементов, и детекторы элементарных частиц используют его по той же причине. Пиксельные элементы CMS и ATLAS способны отслеживать пролет заряженных частиц с чрезвычайно высоким разрешением. Соединяя пиксели друг с другом и с точкой взаимодействия, из которой разлетаются частицы, экспериментаторы очень точно восстанавливают траектории, по которым проходят частицы во внутренней области детектора в непосредственной близости от пучка.

Первые три слоя детектора CMS — от самого внутреннего до радиуса 11 см — состоят из пикселей размером 100 х 150 мкм; всего таких пикселей 66 млн. Внутренний пиксельный детектор ATLAS не менее точен. Самая мелкая единица внутренней части детектора, с которой можно считать информацию, имеет размер 50 х 400 мкм; полное число таких пикселей в ATLAS — около 82 млн, то есть немного больше, чем в CMS.

Пиксельным детекторам с их десятками миллионов ячеек необходима сложная электронная система, обеспечивающая надежное и своевременное считывание информации. Быстродействие и масштабы системы считывания, а также сильнейшее излучение, которому будут подвергаться элементы внутренних детекторов, — вот главные технические проблемы, которые пришлось решать при создании обеих установок [рис. 35).

Внутренние трекеры состоят из трех слоев; соответственно, для каждой достаточно долго живущей заряженной частицы, проходящей сквозь них, фиксируется по три точки. Начатые здесь треки будут продолжены в следующих слоях и в конце концов дадут устойчивый след, который можно будет однозначно соотнести с какой-то определенной частицей.

Мы с Мэттью Бакли уделили серьезное внимание геометрии внутренних трекеров. Мы поняли, что по случайному совпадению некоторые возникшие при столкновении новые заряженные частицы, распадающиеся через слабое взаимодействие до своих нейтральных партнеров, оставят после себя след длиной всего несколько сантиметров. Это означает, что в этих особых случаях их путь целиком будет лежать в пределах толщины внутреннего трекера, и помимо считанной здесь информации ничего об этих частицах известно не будет. Мы рассмотрели дополнительные трудности, с которыми столкнутся экспериментаторы в подобных ситуациях — ведь им придется опираться только на данные с пикселей самых глубоких слоев внутреннего детектора.

Большинство заряженных частиц, однако, живут достаточно долго, чтобы добраться до следующего элемента трекера, так что чаще всего детекторы регистрируют гораздо более длинную траекторию. Для этого снаружи от внутренних пиксельных детекторов, дающих высокое разрешение в двух направлениях, располагаются кремниевые стрипы (полоски), размеры которых в одном направлении сильно уступают размерам в другом. Длинные стрипы хорошо согласуются с цилиндрической формой установки и позволяют покрыть гораздо большую площадь (не забывайте, что площадь цилиндра с увеличением радиуса быстро увеличивается).

РИС. 35. Чинция Да Виа и инженер Доменико Даттола на лесах перед одной из головок кремниевого трекера CMS, куда подводятся кабели считывающей системы

Кремниевый трекер CMS состоит из 13 слоев в центральной части и 14 — на концах цилиндра. После первых трех мелкопиксельных слоев, которые мы только что описали, идут четыре слоя кремниевых стрипов. Детекторные элементы здесь представляют собой полоски длиной 10 см и шириной 180 мкм. Остальные шесть слоев еще менее точны и дают более грубые координаты. Полоски здесь имеют длину 20 см, а ширину от 80 до 205 мкм. Эти слои достигают радиуса 1,1 м. Полное число кремниевых полосок во внутреннем трекере CMS составляет 9,6 млн. Все они необходимы для надежного восстановления траекторий большинства пролетающих сквозь них заряженных частиц. В целом, если развернуть все кремниевые слои на плоскости, внутренний детектор CMS покроет примерно площадь теннисного корта — значительное достижение по сравнению с предыдущим кремниевым детектором, чувствительные элементы которого занимали площадь всего около 2 м².

Внутренний детектор ATLAS доходит до несколько меньшего радиуса — 1 м — и тянется в продольном направлении на 7 м. Как и в CMS, снаружи от трех внутренних пиксельных слоев располагается полупроводниковый стриповый детектор SCT, состоящий из четырех слоев кремниевых стрипов. В ATLAS использованы полоски длиной 12,6 см и шириной 80 мкм. Полная площадь SCT также огромна и составляет 61 м². Если пиксельные детекторы важны при восстановлении подробностей трека в самом его начале, возле точки взаимодействия, то SCT играет громадную роль в восстановлении трека в целом — ведь он регистрирует трек на гораздо более значительной протяженности и с высокой точностью (хотя и в одном направлении).

В отличие от CMS, внешний трекер установки ATLAS изготовлен не из кремния. Так называемый детектор переходного излучения TRT — самый внешний компонент внутреннего детектора — состоит из газонаполненных трубочек и служит не только трекером, но и детектором переходного излучения. Треки заряженных частиц регистрируются и измеряются, когда частицы ионизируют газ в «соломинках» — дрейфовых трубках длиной 144 см и толщиной 4 мм, снабженных в центральной части датчиками ионизации. Здесь тоже максимальное разрешение обеспечивается в поперечном направлении. «Соломинки» измеряют траектории с точностью до 200 мкм, что, конечно, меньше, чем во внутреннем трекере, зато они покрывают гораздо большую площадь. Кроме того, этот детектор помогает различить частицы, двигающиеся со скоростями, очень близкими к скорости света, и порождающими так называемое переходное излучение. Это помогает различить частицы разной массы — ведь более легкие частицы, как правило, движутся быстрее — и, соответственно, опознать электроны.

Если такое обилие подробностей кажется вам ошеломляющим, помните, что даже большинству физиков такое количество информации ни к чему. Эти данные позволяют почувствовать масштаб и точность этих великолепных инструментов и, разумеется, важны для любого, кто работает с конкретным компонентом детектора. Но даже те, кто хорошо знаком с одним компонентом, редко с таким же вниманием следят за остальными. Я узнала об этом совершенно случайно, когда пыталась выяснить авторство нескольких фотографий детектора и понять, насколько точны некоторые графики и диаграммы. Так что не расстраивайтесь, если вам не удалось понять все это с первого раза. Все эти подробности известны, конечно, немногочисленным специалистам, координирующим строительство, но даже многие экспериментаторы не держат их постоянно в своей голове.

Пройдя сквозь три типа трекеров, частица попадает в следующую по ходу путешествия секцию детектора — электромагнитный калориметр (ECAL). Этот прибор регистрирует энергию, которую отдают при торможении все частицы — и заряженные, и нейтральные, — и координаты точки, в которой они покидают (если хватает энергии) его зону; в первую очередь речь идет о фотонах и электронах. Детекторный механизм отслеживает возникновение ливня частиц, который порождают случайные электроны и фотоны при взаимодействии с веществом калориметра. Эта часть детектора выдает для каждой из этих частиц и точное значение энергии, и координатную информацию.

Материал, использованный в калориметре ECAL детектора CMS, сам по себе удивителен и заслуживает внимания. Это кристаллический вольфрамат свинца, выбранный за свою плотность и оптическую чистоту, — именно то, что нужно для торможения и регистрирования прибывающих электронов и фотонов. Возможно, по моей фотографии на рис. 36 вы сможете себе это представить. Это поразительное вещество, невероятно прозрачное. Вы наверняка никогда не видели ничего настолько плотного и при этом настолько прозрачного. Полезны эти кристаллы еще и потому, что они способны измерять электромагнитную энергию невероятно точно, а точность, как мы узнаем в главе 16, может сыграть принципиально важную роль в поисках неуловимого бозона Хиггса.

РИС. 37. Структура электромагнитного калориметра в детекторе ATLAS напоминает гармошку

РИС. 36. Такие кристаллы вольфрамата свинца используются в электромагнитном калориметре CMS

В экспериментальной установке ATLAS для остановки электронов и фотонов используется свинец. Взаимодействия, происходящие в этом поглотителе, переводят первоначальную энергию движущейся заряженной частицы в ливень частиц, суммарная энергия которых, собственно, и регистрируется. Затем эта энергия передается жидкому аргону — инертному газу, который не взаимодействует химически с другими элементами и очень устойчив к действию излучения. По его реакции можно судить об энергии первоначальной частицы.

Этот элемент детектора ATLAS произвел на меня сильное впечатление во время экскурсии. Фабиола принимала участие в разработке и конструировании этого калориметра с радиальными слоями свинцовых пластин, уложенных подобно мехам гармошки и разделенных тонкими слоями жидкого аргона и электродами. Она рассказала нам, что такое строение позволяет заметно ускорить процесс считывания результатов, потому что в этом случае электроника располагается намного ближе к элементам детектора (рис. 37).

Следующим на пути от протонной трубки и зоны взаимодействия вдоль радиуса наружу располагается адронный калориметр HCAL. Этот прибор измеряет энергию и положение адронов — частиц, участвующих в сильном взаимодействии, —хотя и менее точно, чем электромагнитный калориметр измеряет энергию электронов и фотонов.

Снижение точности—вынужденная мера. Дело в том, что HCAL громаден. В детекторе ATLAS, к примеру, этот калориметр имеет диаметр 8 м и длину 12 м. Сегментировать HCAL с той же точностью, что и ECAL, было бы неподъемно дорого, поэтому точность трековых измерений в нем сознательно снижена. Кроме того, измерять энергию частиц, участвующих в сильном взаимодействии, попросту сложнее (вне зависимости от сегментации), потому что флуктуации энергии в адронных ливнях намного больше.

В установке CMS адронный калориметр собран из слоев материала высокой плотности — бронзы или стали, — чередующихся с пластиковыми сцинтилляторными ячейками, которые регистрируют энергию и положение пролетающих сквозь них адронов по интенсивности сцинтилляции. В центральной части детектора ATLAS в качестве материала–поглотителя используется железо, но сам адронный калориметр работает примерно так же.

Самый внешний слой в любом универсальном детекторе элементарных частиц составляют мюонные камеры. Мюоны, как вы помните, — это заряженные частицы, похожие на электроны, но в 200 раз тяжелее. Ни электромагнитный, ни адронный калориметры не способны их остановить. Эти частицы, не обращая ни на что внимания, летят прямиком в толстый внешний слой детектора (рис. 38).

Энергичные мюоны очень полезны в поиске новых частиц; в отличие от адронов, они достаточно изолированы, их траектории относительно легко регистрировать и измерять. Экспериментаторы хотят регистрировать все события с участием энергичных мюонов, разлетающихся в поперечном направлении, потому что самые интересные столкновения редко обходятся без их участия. Мюонные детекторы могут также оказаться полезными для регистрации любых других тяжелых и стабильных заряженных частиц, которым удастся добраться до внешних пределов детектора.

РИС. 38. В CMS мюонный детектор встроен в ярмо магнита. Снимок сделан в период строительства

Мюонные камеры регистрируют следы мюонов, достигших внешнего слоя детекторов. В некоторых отношениях мюонный детектор похож на внутренний — те же трекеры и магнитные поля, которые отклоняют мюоны от прямой, чтобы можно было измерить изгиб траектории и импульс частицы. Однако магнитное поле в мюонных камерах отличается от поля во внутренних трекерах, да и сам детектор намного толще, что позволяет измерять даже очень небольшую кривизну траектории и, соответственно, регистрировать частицы с более высоким импульсом (их полет в магнитном поле меньше отклоняется от прямой). В CMS мюонные камеры занимают пространство от трех метров до внешнего радиуса детектора — примерно 7,5 м; в ATLAS они начинаются на четырех метрах и тянутся до внешних пределов детектора — до 11 м. Эти громадные конструкции позволяют измерять положение частиц с точностью до 50 мкм.

Последние элементы детектора, о которых мы еще не говорили, — оконечные элементы, детекторы на переднем и заднем концах экспериментальной установки (на рис. 39 можно увидеть их примерную структуру). Теперь мы будем двигаться не по радиусу от луча наружу — последним этапом в этом направлении были мюонные детекторы, — а вдоль оси цилиндра к его концам и ограничивающим их «крышкам». Цилиндрическая часть установки «закупорена» там специальными детекторами, назначение которых—обеспечить регистрацию максимального числа частиц. Оконечные элементы устанавливались на место последними, поэтому в 2009 г. при посещении коллайдера я с такой легкостью рассматривала слоеный пирог внутреннего устройства детекторов.

Дополнительные детекторы на торцевых частях детекторного цилиндра установлены для того, чтобы экспериментаторы могли быть уверены: детектор регистрирует импульсы всех без исключения частиц. Их цель — замкнуть пространство экспериментальной установки, сделать его герметичным и не оставить нигде пропусков и неучтенных отверстий. Герметичные измерения гарантируют, что будут обнаружены даже не взаимодействовавшие или очень слабо взаимодействовавшие частицы. Если наблюдается «недостающий» поперечный импульс, это означает, что при столкновении должна была образоваться одна или несколько частиц, не вступающих в непосредственно обнаружимые взаимодействия. Подобные частицы обладают импульсом, и импульс, который они уносят с собой, сообщает экспериментаторам об их существовании.

РИС. 39. Компьютерное изображение детектора ATLAS. Показаны многочисленные слои и отдельно оконечные элементы. (Публикуется с разрешения CERN и ATLAS.)

Если нам известно, что детектор регистрирует и измеряет все поперечные импульсы — и при этом после столкновения создается впечатление, что импульс, направленный перпендикулярно пучку, не сохраняется, — это означает, что какие-то частицы остались незамеченными и унесли с собой часть импульса. Мы уже видели, что детекторы очень точно измеряют импульс в перпендикулярной плоскости. Калориметры в передней и задней областях обеспечивают герметичность и гарантируют, что незамеченной может остаться лишь очень малая часть энергии или импульса, перпендикулярных пучку.

Установка CMS имеет в своих торцевых областях стальные поглотители и кварцевые нити, которые еще плотнее и потому лучше разделяют направления движения частиц. Латунь в оконечных элементах — вторичное сырье; прежде она применялась в российских артиллерийских снарядах. В передней части установки ATLAS используются калориметры на жидком аргоне, способные регистрировать не только электроны и фотоны, но и адроны.

В обоих детекторах осталось еще несколько компонентов, которых имеет смысл описать подробнее, — это магниты. Магнит — не детекторный элемент в том смысле, что непосредственно он не регистрирует никаких характеристик частиц. Однако магниты необходимы для регистрации частиц; они помогают определить импульс и заряд, без которых невозможно распознать частицы и их треки. Магнитное поле отклоняет движущиеся заряженные частицы, поэтому их треки получаются изогнутыми, а не прямыми. Насколько сильно и в каком направлении они отклоняются, зависит от энергии и заряда каждой частицы.

Громадный соленоидный магнит CMS изготовлен на основе замороженной сверхпроводящей ниобиево–титановой катушки длиной 12,5 м и диаметром 6 м. Этот магнит (самый большой в мире магнит такого типа) — главная, определяющая деталь детектора. Витки проволоки в соленоиде намотаны на металлический сердечник и при пропускании тока генерируют магнитное поле. По заключенной в нем энергии этот магнит соответствует примерно полутонне взрывчатки. Само собой разумеется, на случай сбоя и внезапной потери сверхпроводимости приняты особые меры предосторожности. В сентябре 2006 г. было проведено успешное испытание соленоида с напряженностью поля 4 Тл, но на самом деле он будет работать с полем несколько меньшей напряженности — 3,8 Тл; инженеры надеются, что это увеличит срок службы устройства.

Соленоид достаточно велик, чтобы трекеры и калориметры можно было разместить внутри него. Мюонные детекторы, с другой стороны, располагаются снаружи, вдоль внешней поверхности детектора. При этом четыре внутренних слоя мюонного детектора вплетены в громадную железную конструкцию, которая окружает магнитную катушку; эта конструкция сдерживает и направляет магнитное поле, обеспечивая его однородность и стабильность. Конструкция длиной 21 м и диаметром 14 м простирается до полного семиметрового радиуса детектора. По существу, она тоже является частью мюонной системы — ведь по идее только мюоны из всех известных заряженных частиц способны преодолеть 10 000 т железа и пройти сквозь мюонные камеры. (На самом деле энергичные адроны тоже иногда проходят сквозь все это, доставляя экспериментаторам головную боль.) Магнитное поле ярма отклоняет мюоны во внешнем детекторе. Поскольку степень отклонения мюона в магнитном поле зависит от его импульса, ярмо необходимо для измерения импульсов и энергий этих частиц. Структурно стабильный громадный магнит играет и еще одну важную роль. Он является несущей конструкцией установки и защищает ее от гигантских сил, порожденных ее собственным магнитным полем.

Магнит детектора ATLAS сконфигурирован совершенно иначе. В этом детекторе используются магниты двух разных систем: соленоид на 2 Тл, окружающий систему трекеров, и громадные тороидальные магниты во внешней части детектора, слои которых перемежаются со слоями мюонных камер. Если взглянуть на фотографию ATLAS (или на саму установку), то самыми заметными элементами окажутся восемь громадных тороидальных структур (см. рис. 34) и два дополнительных тороида, прикрывающих концы цилиндра. Генерируемое ими магнитное поле тянется на 26 м вдоль оси пучка и на 11 м от начала мюонного спектрометра в радиальном направлении.

При посещении ATLAS мне рассказывали, что в момент установки на место эти магниты были овальными (если смотреть сбоку). Инженеры учли фактор гравитации и верно рассчитали, что через некоторое время после установки тороиды под действием собственного веса станут более круглыми.

Сильное впечатление на меня произвела еще одна история. Оказывается, инженеры ATLAS учли крохотное поднятие пола тоннеля примерно на 1 мм в год за счет гидростатического давления породы, связанного с образованием в ней полости. Они рассчитали установку таким образом, чтобы это крохотное движение привело ее в оптимальное положение в 2010 г., когда намечался первый пуск коллайдера на полную мощность. Из-за всевозможных задержек получилось не так, однако к настоящему моменту грунт под установкой перестал двигаться, и теперь она до конца эксплуатации останется в правильном положении. Несмотря на сентенцию бейсболиста и философа Йоги Берра о том, что «предсказывать трудно, особенно будущее», инженеры ATLAS сделали все верно.

Ни одно описание БАКа не может быть полным без разговора о его громадных вычислительных мощностях. Помимо замечательных технических решений, в результате которых были созданы трекеры, калориметры, мюонные системы и магниты и которые мы только что обсудили, можно говорить о том, что для обработки ошеломляющего количества данных, порождаемого многочисленными столкновениями, необходимы тщательно скоординированные и организованные вычисления, которые проводятся одновременно по всему миру.

Тот факт, что БАК работает с в 7 раз более высокими энергиями, чем тэватрон (прежний рекордсмен по энергии столкновений), — это еще не все. События в нем происходят в 50 раз чаще. БАК должен справляться с данными (по существу, с картинками очень высокого разрешения) о событиях, которые происходят с частотой примерно до миллиарда столкновений в секунду, причем «картинка» каждого события содержит около мегабайта информации.

С таким объемом данных не могла бы справиться ни одна вычислительная система. Поэтому специальные триггерные системы «на лету» принимают решения о том, какую информацию следует сохранить, а от какой можно избавиться. Разумеется, львиную долю составляют совершенно обычные столкновения протонов с участием сильного взаимодействия. Большая часть этих столкновений никому не интересна, потому что они представляют хорошо известные физические процессы и не дают ничего нового.

Столкновение протонов в каком-то смысле напоминает столкновение двух мешочков с горохом. Эти мешочки мягкие, поэтому большую часть времени они мотаются из стороны в сторону, сжимаются и не делают во время столкновения ничего интересного. Но иногда при «стыковке» мешочков отдельные горошины сталкиваются друг с другом лоб в лоб с огромной силой — иногда настолько большой, что мешочки лопаются. В этом случае отдельные столкнувшиеся горошины с силой разлетаются во все стороны, потому что они твердые и энергия их столкновений более локализована, а остальные горошины продолжают лететь дальше в том же направлении.

Точно так же при столкновении протонов в пучке отдельные их составляющие могут столкнуться друг с другом и породить интересное явление, тогда как остальные объекты продолжат свой полет по трубке в прежнем направлении.

Однако в отличие от столкновения горошин, при котором они просто меняют направление полета, столкновение протонов проходит иначе. Их составные части — кварки, антикварки и глюоны — сталкиваются между собой; при этом первоначальные частицы могут превратиться в энергию или породить другие типы вещества. И если на более низких энергиях в столкновениях принимают участие в первую очередь три валентных кварка, несущие на себе заряд протона, то на более высоких энергиях виртуальные квантово–механические эффекты порождает значительное количество глюонов и антикварков, как мы уже видели в главе 6. Ученым интересны те столкновения, в которых участвует хоть что-нибудь из этих виртуальных составляющих протона.

В энергичном протоне высокой энергией обладает не только он сам, но и все содержащиеся внутри кварки, антикварки и глюоны. Тем не менее их энергия никогда не равняется полной энергии протона, а составляет, как правило, лишь небольшую ее долю. Поэтому чаще всего в столкновениях кварков и глюонов задействуется слишком малая часть энергии протона, и тяжелые частицы не рождаются. Возможно, из-за невысокой силы взаимодействия или недостаточной для новых частиц массы интересные столкновения с участием невиданных доселе частиц или сил случаются гораздо реже, чем «скучные» столкновения в рамках Стандартной модели.

Как и в случае с мешочками, большинство столкновений не вызывают особого интереса. В них протоны либо всего лишь слегка касаются друг друга, либо сталкиваются, порождая обычные события Стандартной модели, о которых нам уже известно и которые не в состоянии научить нас ничему новому. С другой стороны, прогнозы говорят о том, что примерно одно столкновение из миллиарда в БАКе может оказаться интересным и породить какую-нибудь новую частицу, такую, например, как бозон Хиггса.

Итак, суть дела сводится к тому, что сколько-нибудь интересные события происходят лишь в короткие удачные промежутки времени. Теперь ясно, почему нам нужно так много столкновений и почему нам важна так называемая светимость коллайдера. Лишь небольшая доля происходящих в нем событий оказывается необычной и несет в себе новую информацию.

Выделить потенциально интересные события из общей массы — задача триггеров; триггерами называют аппаратные и программные средства, специально предназначенные для распознавания таких событий. Чтобы хотя бы приблизительно осознать тяжесть этой задачи, представьте, что у вас есть 150–мегапиксельная фотокамера (именно такое количество информации БАК получает с одного столкновения протонных сгустков), способная делать 40 млн снимков в секунду (с такой частотой идут столкновения сгустков). Учтем, что при каждом столкновении сгустков происходит 20-25 событий, и полним результат — около миллиарда физических событий в секунду. Триггер — аналог механизма, который будет оставлять для вас лишь интересные и удачные снимки. Триггеры можно сравнить также с антиспамовыми фильтрами. Их задача — сделать так, чтобы на компьютеры экспериментаторов попадали только интересные данные.

Триггеры должны распознать потенциально интересные столкновения и отбросить те, которые не несут никакой новой информации. Сами события — то, что покидает зону взаимодействия и регистрируется детекторами — должны отличаться от обычных процессов Стандартной модели. Чтобы выделить и сохранить интересные события, необходимо знать, как они должны выглядеть. Перед триггерами стоит невероятно сложная задача. Они должны проредить пресловутый миллиард событий в секунду и оставить из него лишь несколько сотен событий, каждое из которых может оказаться интересным.

Эту задачу выполняет комбинация аппаратных и программных фильтров. Каждый триггер из последовательной цепочки отвергает большую часть поступающих на него событий как неинтересные, оставляя лишь небольшую их часть, справиться с которой уже намного легче. Эти данные, в свою очередь, анализируются компьютерными системами в 160 академических институтах по всему миру.

Триггер первого уровня — это встроенное в детекторы аппаратное устройство, на которое ложится львиная доля работы по распознаванию характерных признаков потенциально интересного события; он отбирает, к примеру, все события, в результате которых рождаются энергичные мюоны или в калориметрах выделяется заметная энергия в поперечном направлении. Несколько микросекунд до срабатывания первого триггера вся полученная от столкновения сгустков энергия хранится в буфере. Триггеры более высоких уровней представляют собой специальные программы; алгоритмы отбора действуют на большом компьютерном кластере, расположенном рядом с соответствующим детектором. Триггер первого уровня снижает число событий примерно в 10 000 раз: из миллиарда событий в секунду остается около 100 000. Программные триггеры снижают это количество еще примерно в тысячу раз, оставляя всего лишь несколько сотен потенциально интересных событий.

Каждое событие, проходящее через фильтр триггера, несет в себе громадное количество данных—те самые показания детекторных элементов, о которых мы говорили; на одно событие приходится больше мегабайта информации. При нескольких сотнях потенциально интересных событий в секунду экспериментальная установка каждую секунду занимает более 100 Мбайт дискового пространства; в год набирается более одного петабайта — 10¹⁵ байт, или один квадриллион байт (часто ли вам приходится пользоваться такими цифрами?); это эквивалентно нескольким сотням тысяч DVD–дисков с информацией.

Тим Бернерс–Ли, придумывая Всемирную паутину, думал о громадных объемах данных CERN и о том, что экспериментаторы всего мира должны обмениваться информацией в реальном времени. Вычислительная грид–система проекта БАКа — следующий серьезный шаг Центра на пути организации научных вычислений. Эта «решетка», запущенная в конце 2008 г. после разработки большого количества специальных компьютерных программ, призвана помочь экспериментаторам разобраться с огромными объемами получаемых данных и облегчить их обработку. Грид-система использует в своей структуре как частные оптоволоконные кабели, так и высокоскоростные участки общедоступного Интернета. Решеткой (Grid) она называется потому, что данные в ней не привязаны к одному–единственному серверу, а распределены по компьютерам по всему миру — примерно так же, как электроснабжение большого города не привязано к одной конкретной электростанции.

Информация о событиях, прошедших через триггерные фильтры, сначала закладывается на хранение, а затем распределяется по решетке по всему земному шару. Через решетку компьютерные сети в разных концах света получают свободный доступ к записанной в нескольких копиях информации. Если Всемирная паутина предназначена для распространения информации, то решетка помогает распределить вычислительные мощности и массивы данных между множеством компьютеров, принимающих участие в проекте.

Вычислительные центры грид–системы распределены по уровням, или ярусам. Нулевой уровень — это вычислительный центр CERN, где данные записываются и преобразуются из первоначальной формы в другую, более подходящую для физического анализа. Далее информация расходится по каналам с высокой пропускной способностью в десятки крупных национальных вычислительных центров, составляющих уровень 1. Аналитические группы при желании могут получить доступ к этим данным. При помощи оптиковолоконных кабелей уровень 1 соединяется примерно с пятьюдесятью аналитическими центрами уровня 2. Эти вычислительные центры располагаются в университетах и обладают достаточными вычислительными мощностями, чтобы моделировать физические процессы и проводить специфический анализ.

Наконец, любая университетская группа может участвовать в реализации анализа на уровне 3, где, собственно, и извлекается большая часть реальной физической информации. На этом этапе экспериментаторы в любой точке земного шара могут тщательнейшим образом перерыть все данные и выяснить, не расскажут ли столкновения энергичных протонов что-нибудь новое, и интересное. Но, чтобы увидеть, новое это или нет, необходимо выполнить первую задачу эксперимента — понять, что именно произошло. Об этом мы и поговорим в следующей главе.