Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Мюоны
Остается мюон, который является одной из самых перспективных частиц с точки зрения экспериментов на БАКе. Как и электроны, мюоны оставляют легко узнаваемые электрические следы, и их траектории искривляются в магнитном поле. Но они в двести раз тяжелее электрона. Это означает, что они могут распадаться на более легкие частицы. Их время жизни довольно велико. В отличие от еще более тяжелых тау-лептонов мюоны, как правило, живут так долго, что успевают добраться до конца детектора. Мюон продирается через все его слои подобно тяжелому джипу, проезжающему по пшеничному полю. Как и джип, мюон на своем пути оставляет легко узнаваемый след.
Мюоны проникают глубоко в обычное вещество как жесткое рентгеновское излучение. Это свойство нашло интересное применение несколько лет назад благодаря Луису Альваресу, который получил Нобелевскую премию за открытие разных адронов на Беватроне. Альварес заинтересовался египетскими пирамидами, и, в частности, большими пирамидами фараона Хеопса и его сына Хефрена, которые расположены недалеко друг от друга в Гизе. Пирамида Хеопса – Великая пирамида – раньше была еще на 7 м выше, но под действием внешних воздействий осела и стала немного ниже, чем пирамида Хефрена. Внутри пирамиды Хеопса имеются три камеры, в то время как в пирамиде Хефрена, кроме погребальной камеры на уровне земли, других помещений не обнаружили. Это различие долгие годы не давало археологам покоя, и многие из них предполагали, что в пирамиде Хефрена имеются скрытые камеры.
Альваресу, блестящему физику, любящему разгадывать головоломки, пришла в голову мысль заглянуть внутрь пирамиды Хефрена, используя мюоны космических лучей. Это был бы не особо точный эксперимент, но так можно было бы отличить сплошной твердый камень от пустой камеры. Команда Альвареса, состоявшая из египетских и американских физиков, собрала детектор мюонов и поместила его в единственной обнаруженной в пирамиде камере, расположенной в нижней части пирамиды. По плану физики должны были попытаться подсчитать количество мюонов, поступающих в детектор под различными углами. Если бы в пирамиде имелись скрытые пустоты, в определенных направлениях поглощение мюонов было бы меньшим, и в детектор попало бы их больше. Дело происходило в 1967 году, и как раз накануне того дня, на который был назначен эксперимент, вспыхнула арабо-израильская война. Тут уж было не до физики. Эксперимент пришлось отложить. Но в конце концов война кончилась, детектор заработал – и обнаружил, что в пирамиде никаких пустот нет. А ученые-то надеялись, что в ней есть другие камеры! Так и осталось загадкой, почему конструкция пирамиды сына заметно проще, чем пирамиды отца.
Многослойные детекторы
При конструировании детекторов ATLAS и CMS ставилась задача извлечь максимальное количество информации из наблюдаемых столкновений частиц. Оба детектора имеют четыре слоя, причем каждый слой предназначен для вполне конкретных целей. В центре помещается внутренний детектор, его окружает электромагнитный калориметр, который, в свою очередь, окружает адронный калориметр и, наконец, самый внешний слой представляет собой мюонный детектор. Все частицы, полученные в результате столкновений, пролетят последовательно разные слои, пока в конце концов не будут либо пойманы, либо выпущены наружу в свободное пространство.
Задача внутреннего детектора – внутреннего слоя «луковицы» – выполнять функцию «трекера» – датчика, обеспечивающего поточечную информацию о траекториях заряженных частиц, образованных при столкновении. Это нелегкая работа: каждый квадратный сантиметр датчика бомбардируется десятками миллионов частиц в секунду. Он должен отследить все, что в него попадает, и при этом выдержать неслыханную интенсивность радиационного облучения. На самых первых чертежах детектора CMS его центральная область оставлена пустой – физики тогда не верили, что можно построить точный инструмент, который выдерживал бы такой нагрев. К счастью, потом до них дошли слухи, что военные уже придумали электронные датчики, умеющие работать в таких суровых условиях, и это очень вдохновило физиков. В конечном итоге им удалось понять, как «сделать крепче» нежную и хрупкую промышленную электронику, вовсе не предназначенную для работы под такими радиационными нагрузками.
Схематическое изображение детектора общего назначения, такого как ATLAS или CMS. В центральной части находится внутренний детектор, фиксирующий треки заряженных частиц. Дальше идет электромагнитный калориметр, улавливающий фотоны и электроны; за ним – адронный калориметр, который ловит адроны, и мюонный детектор.
Внутренние детекторы ATLASа и CMSа – сложные многокомпонентные машины со слегка различными функциями. Внутренний детектор в ATLASе, например, состоит из трех различных приборов – пиксельного детектора невероятно высокого разрешения, полупроводникового трекера, изготовленного из кремниевых полосок, и трекера переходного излучения, изготовленного из позолоченной вольфрамовой проволоки, помещенной внутри тонких дрейфовых трубок – и называют «строу» (соломинки). Задача внутреннего детектора – как можно точнее регистрировать траектории вылетающих частиц и восстанавливать местоположение точек, в которых произошло взаимодействие и из которых эти частицы вылетели.
Поперечное сечение детектора, схематически демонстрирующее поведение разных частиц. Внутренний детектор не чувствует нейтральные частицы вроде фотонов и нейтральных адронов, а заряженные частицы оставляют там искривленные следы. Фотоны и электроны захватываются электромагнитным калориметром, а адроны улавливаются адронным калориметром. То же самое происходит с мюонами во внешнем детекторе, а вот нейтрино не удается поймать ни одному детектору, и они беспрепятственно улетают. В детекторе CMS трек мюона закручивается в противоположном направлении, поскольку магнитное поле направлено в противоположную сторону.
Следующие слои – это калориметры, электронные и адронные. «Калориметр» – забавное название для устройства, которое измеряет энергию, ведь слово «калория» ассоциируется с тем, что написано на упаковках пищевых продуктов. Электромагнитный калориметр способен поймать электроны и фотоны, заставив их провзаимодействовать с ядрами и электронами в веществе самого калориметра. Частицы, чувствующие сильное взаимодействие, обычно проходят электромагнитный калориметр насквозь и останавливаются только в адронном калориметре. Этот аппарат состоит из чередующихся слоев тяжелого металла, с которым взаимодействуют адроны, и слоев сцинтилляторов, в которых измеряется количество выделившейся энергии. Измерение энергии частиц – ключевой этап при определении типов частиц; с помощью этих измерений часто удается определить массу частицы, в результате распада которой родились пойманные адроны.
Самые внешние слои детекторов ATLAS и CMS – это мюонные детекторы. Мюоны имеют достаточно большой импульс, чтобы пробиться через калориметры. Его можно точно измерить с помощью гигантских магнитных камер, которые их окружают. Эти исследования важны, поскольку мюоны не создаются в результате сильных взаимодействий (так как они лептоны, а не кварки), и лишь в редких случаях – в результате электромагнитных взаимодействий (из-за того, что они такие тяжелые, проще образоваться электронам). Поэтому мюоны обычно возникают в результате слабых взаимодействий или же какого-то еще неизвестного механизма. Любой вариант интересен, и мюоны играют важную роль в поиске бозона Хиггса.
Теперь мы видим, почему конструкция детекторов ATLAS и CMS имеет структуру матрешки. Внутренние детекторы дают точную информацию о траекториях всех заряженных частиц, образовавшихся при столкновениях. Электроны и фотоны ловятся электромагнитным калориметром, где измеряется их энергия. Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, ждет та же участь, только уже в адронном калориметре. Мюоны беспрепятственно пролетают сквозь калориметры и попадают в мюонный детектор, где подвергаются тщательному изучению. Среди известных нам частиц только нейтрино пролетают незамеченными, и об их существовании мы можем судить только по недостающему импульсу. В целом это – гениальная схема, позволяющая выкачать всю возможную информацию из протонных столкновений на БАКе.
Избыток информации
На БАКе банчи протонов сталкиваются 20 миллионов раз в секунду. При каждом пересечении встречных пучков происходят десятки столкновений, так что возникает около миллиарда столкновений в секунду. Каждое столкновение – настоящий фейерверк из множества, до сотни и даже больше, частиц, выстреливающих в детектор. И тонко откалиброванные приборы внутри детекторов собирают точную информацию о том, что каждая из этих частиц делает.
