ATLAS расправил плечи

ATLAS расправил плечи

// Большой адронный коллайдер снова в деле
Авторы: Светлана Соколова-Михайлова

Весной 2015 года самая большая и умная машина в мире пробудилась ото сна, который длился почти два года. ­После нескольких тысяч хирургических операций она стала еще быстрее и сообразительней. В новом сезоне ей предстоит найти то, что может полностью изменить наше представление об окружающем мире. Доброе утро, коллайдер!

Всё только начинается

Еще Швейцария, но уже рядом Франция. От Женевы сюда можно доехать на авто или на трамвае. С одной стороны Альпы, с другой — Юрские горы. Между ними ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований. Место, где находится Большой адронный коллайдер, он же Large Hadron Collider, или LHC.

— Главное, что происходит внутри коллайдера, когда его включают, — это столкновение пучков заряженных частиц: протонов. Они разгоняются по кругу и встречаются лоб в лоб примерно сорок миллионов раз в секунду. При столкновении происходит рождение и распад других частиц, которые мы в итоге и изучаем, — рассказывает мне Андрей Логинов, сотрудник ЦЕРНа.

Обновленный LHC станет также первой и единственной в мире фабрикой бозонов Хиггса.

Логинов окончил МФТИ, работал в Институте теоретической и экспериментальной физики (сейчас входит в состав Курчатовского института), потом перебрался в Йельский университет, в составе которого участвует в эксперименте ATLAS. Гражданство осталось российское. Он очень похож на Ходорковского — чертами лица, очками без оправы, короткой стрижкой.

Можно сказать, что настоящая жизнь Большого адронного коллайдера только начинается. В этом году его энергия вырастет до 14 триллионов электронвольт. Это заметно больше, чем было прежде. Ни один другой ускоритель в мире никогда не имел даже сопоставимой мощности.

В новом сезоне пучки будут сталкиваться в два раза чаще, чем раньше. Мириады их осколков — продукты распада рожденных частиц — будут, как и раньше, ловить четыре детектора.

Мы направляемся на смотровую площадку самого большого из них. Его название складывается в аббревиатуру ATLAS — так звучит имя древнегреческого титана Атланта.

Кочан капусты

ATLAS — это семь этажей, набитых сложнейшей электроникой под завязку. На первом этаже ньюс-рум, где сидят шифтеры, или, по-русски говоря, дежурные. Они круглосуточно, по восемь часов в три смены, смотрят на экраны компьютеров и контролируют все, что происходит на детекторе и системах, обеспечивающих его работу.

— Установка, конечно, находится глубоко под землей, но до нее все равно долетают высокоэнергетические частицы из космоса, так называемая космика. С ее помощью мы можем настраивать детектор, когда нет пучков. Именно так подсистемы детектора готовились к работе, — ­объясняет Логинов.

Мы готовимся спуститься под землю, к ATLAS. Мне выдают каску с надписью CERN и... всё. Никаких халатов, бахил, перчаток. Я удивляюсь:

— А как же стерильная одежда?

— Это когда детектор собирают, нужна стерильность, никаких пылинок. Но детали, которым нужны такие условия, уже давно находятся в безопасности где-то в глубине детектора, их там ничто не беспокоит.

Лифт везет нас на глубину чуть меньше сотни метров. Наконец последняя дверь открывается. Мы в сердце коллайдера. ATLAS похож на огромный блестящий космический корабль.

Структура детектора чем-то напоминает кочан капусты: подсистема, сверху еще одна, и еще. Каждая фиксирует и измеряет разные парамет­ры событий, реагируя на определенный тип взаимодействия.

Пока коллайдер готовили к более высоким энергиям, подсистемы детектора улучшили и отладили. Это сделает детекторы более чувствительными и позволит им эффективно работать в условиях обновлен­ного LHC.

Пиксельные модули — аналоги фотографической матрицы — окружают места соударения пучков и делают в секунду сорок миллионов снимков. Это самая дорогая часть установки ATLAS, но каждый из них может уместиться на моей ладони.

Во время столкновений пучков протонов могут появиться такие частицы, о существовании которых никто и не подозревал. Что-то такое, чего нет в Стандартной модели физики элементарных частиц, а значит, и в нашей картине мира. Например, если в Стандартной модели есть Z- и W-бозоны, то за ее пределами, вероятно, существуют их модификации. Подобную экзотику искали и будут продолжать искать на LHC. Чем больше энергия ускорителя, тем больше шансов обнаружить ­такую частицу.

Аромат истинного кварка

В новом сезоне у коллайдера ­много задач. Десятки. Сотни. Возможно, именно здесь ученые вскоре смогут найти частицы темной материи. Она называется «темной», потому что никто не знает, из чего она состоит. Но на нее приходится 22 % общего количества всей материи во Вселенной (на «обычную» материю приходится лишь 4 %). То есть пока мы не знаем, из чего состоит наш мир. Но благодаря коллайдеру шанс узнать появился.

Или, например, в результате экспе­риментов ученые смогут подтвердить теорию суперсимметрии. Согласно ей каждая частица в Стандартной модели имеет суперсимметричную пару. Возможно, наоборот, эту теорию опровергнут. Но в случае открытия суперсимметрии произой­дет один из величайших переворотов в истории физики.

Стандартная модель — что-то вроде таблицы Менделеева в физике элементарных частиц. Описывает известные на сегодняшний день взаимодействия элементарных частиц.

Истинный кварк — наиболее массив­ная частица Стандартной модели — примерно в 170 раз тяжелее, чем протон. Был открыт в 1995 году на предшественнике LHC — ускорителе Теватрон. От других кварков отличается тем, что не участвует в создании адронов.

На сегодняшний день LHC стал насто­ящей фабрикой истинных (от ­англ. top или true) кварков. Верхний, ниж­ний, странный, прелестный, очаровательный, истинный... Это так называемые ароматы кварков. Из первых двух типов кварков состоят протоны и нейтроны. На самом деле они, конечно, ничем не пахнут, но это совсем другая история.

Самый тяжелый — истинный, сокращенно «t-кварк». Впервые его поймали на ускорителе Теватрон, предшественнике LHC, двадцать лет назад. Это событие закрыло вопрос о том, существует ли на самом деле шестой кварк. Существует.

В 2009 году t-кварк поймали и на Большом адронном коллайдере. Для изучения его свойств нужна целая фабрика топ-кварков. Необходимо разгонять почти до скорости света и много-много миллионов раз сталкивать друг с другом пучки протонов, чтобы это приводило к рождению других частиц, в частности t-кварков.

T-кварк интересен и сам по себе, и как инструмент для понимания свойств бозона Хиггса, который появляется на свет в том числе и в сопровождении t-кварка и его антипода.

Единственная установка в мире, у которой хватит мощности производить t-кварки в промышленных масштабах, — это LHC.

Никаких гарантий

В январе и феврале коллайдер тестировали и понемногу разгоняли. Весной пучки частиц полетят почти в полную силу, а ближе к лету начнется сбор данных.

За год работы набираются петабайты данных о том, что рождалось в столк­новениях пучков. Хранить и обраба­тывать их не под силу ни одному компьютеру. Для этого существует распределенная система хранения и анализа данных — LHC ComputingGrid. Дата-центры для такого рода исследований есть и в России, например, в подмосковной Дубне.

Бозон Хиггса интересен в первую очередь тем, что придает массу другим частицам. Кроме него существуют частицы-переносчики слабого взаимодействия: такие бозоны как W и Z — переносчики слабого взаимо­действия, глюоны — они являются причиной взаимодействия кварков, фотоны — безмассовые частицы, способные существовать в вакууме, только двигаясь со скоростью света. 

Магнитный монополь — гипотетическая частица с одним магнитным полюсом.

Вимпы — (от англ. WIMP: Weakly Inter­ac­ting Massive Particle). Возможно существующие массивные частицы, которые участвуют в слабом взаимодействии. Главные претенденты на роль основного компонента темной материи.

— Это много-много мощных компьютеров по всему миру, которые связаны друг с другом. Поэтому можно часть данных отправить изучать в Америку, другую в Австралию, третью в Россию и так далее, — говорит Андрей Логинов.

Среди гигантского количества обычных событий ученые пытаются найти незаурядные, которые могут вывести на след открытия.

Гарантий великих открытий в такой сложной области физики нет и не может быть. Зато есть сотни экспериментов, гигантское количество данных, их обработка специалистами из десятков стран. Иногда это приводит к открытиям такого уровня, как подтверждение существования бозона Хиггса. Кстати, в новом сезоне на LHC будут изучать его свойства.

Там, где родился интернет

В ЦЕРНе работают ученые из более чем сорока стран: физики, инженеры, математики, программисты.

— В 2014 году Израиль стал двадцать первым полноправным участником CERN, и теперь букву «E» трактуют не как «европейский», а как everywhere, что следует переводить как «везде-где-можно центр ядерных исследований».

А уже в начале этого года Пакистан стал двадцать вторым. Воистину everywhere.

Большой адронный коллайдер недешево обходится странам — участницам ЦЕРНа. Его бюджет в 2014 году составил более миллиарда долларов. Такие суммы обязывают ученых терпеливо разъяснять публике, зачем им столь дорогая и с точки зрения обывателей опасная игрушка.

— В первую очередь мы хотим понять, как устроен мир, — говорит Андрей.

— А во вторую?

— Для развития прикладных иссле­дований. Допустим, изучение электромагнитных волн когда-то каза­лось совершенно непонятным и ненужным. А сейчас на них основаны телефоны, телевизоры и все, что нас окружает. Есть и другой замечательный пример: с помощью мини-­ускорителей ведется борьба с раковыми опухолями.

В одном из корпусов ЦЕРНа висит памятная табличка: Where the WEB was born. В 1989 году один из сотрудников Центра, британский ученый Тимоти Джон Бернерс-Ли, предложил концепцию Всемирной паутины. Он придумал ее, работая над внутренней системой обмена документами. Началась эпоха интернета. А казалось бы, при чем здесь коллайдер?

В 2035 году коллайдер завершит свою миссию изучения бозона Хиггса и поиска новой физики. Но ЦЕРН готовится приступить к созданию еще более грандиозного проекта, чем LHC. Мощность нового ускорителя достигнет 100 ТэВ, длина кольца — 80–100 километров. Предполагается, что тоннель проложат на глубине 400 метров под Женевским озером. Это будет Очень большой адронный коллайдер.

 

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» № 3 (05) март 2015 г.

Подписаться на «Кота Шрёдингера»