Доктор физико-математических наук Лидия СМИРНОВА, Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова

10 сентября 2008 г. в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария) был запущен Большой адронный коллайдер (LHC). Создан он усилиями ученых из более 50 стран мира, в том числе и России. Это ускоритель протонов, представляющий собой кольцевую структуру с периметром 27 км, в котором при столкновении двух ускоренных частиц должна быть достигнута энергия в 14 ТэВ. На нем можно будет выделить достаточное количество редких событий, чтобы ответить на основные вопросы современной физики.

Автор данной статьи с 1993 г. работает руководителем группы ученых НИИЯФа МГУ в эксперименте ATLAS на LHC.

МИР ЧАСТИЦ

В окружающей нас атмосфере, которую извечно бомбардируют и пронизывают частицы космического излучения, происходят их соударения с указанной энергией и даже выше. При этом возникает множество новых частиц, они снова взаимодействуют в атмосфере - в результате на Землю приходит широкий атмосферный ливень, состоящий из проникающих частиц, непрерывно пронизывающих окружающее нас пространство - на улице, дома и даже в подземных залах метро. Вблизи поверхности исследователи в состоянии зарегистрировать отдаленные последствия событий, произошедших в высоких слоях атмосферы, и строить предположения о том, что случилось в самом начале процесса диссипации этой огромной энергии при первичном взаимодействии космического протона с частицей атмосферы. Следует отметить, расстояние между взаимодействием частиц и стадией, на которой мы можем получить информацию, очень велико. И поэтому сделать правильные выводы практически невозможно.

Напомним, как много узнали физики при исследовании потоков космического излучения высокой энергии. В экспериментах были открыты элементар-

ные частицы - позитрон, К-мезоны, в них впервые наблюдали особенности процесса множественного рождения частиц в соударениях высокой энергии. Позже эти результаты были подтверждены в опытах на ускорителях*. На них стало возможным проводить исследования по программе, заранее составленной учеными, т.е. не зависеть от падающей с неба частицы. Ведь предсказать, когда она соприкоснется с выбранным нами местом, можно лишь в терминах вероятности, и, скорее всего, ждать нужного события придется очень долго.

Постепенно энергии частиц, получаемых на ускорителях, увеличивались, опыты становились все более детальными. Появились коллайдеры, где происходит столкновение двух ускоренных частиц. Они позволили получать энергию соударения, эквивалентную взаимодействию самых энергичных частиц космических лучей, но при существенно меньших затратах энергии. Вот тогда и появилась возможность узнать, что происходит непосредственно при взаимодействии протонов очень высокой энергии. А поскольку эти элементарные частицы относятся к классу адронов, то отсюда и название коллайдера - адронный.

Следует отметить, LHC не был первым таким проектом. Его могло и не быть, если бы в начале 90-х годов XX в. было завершено строительство адронного коллайдера под Москвой, в Протвино, в Институте физики высоких энергий, на энергию соударения протонов 3 ТэВ. Позже было начато и также не завершено строительство такого ускорителя в Фермиевской национальной лаборатории (США) на энергию 40 ТэВ. До настоящего времени там работает коллайдер, где сталкиваются протоны и антипротоны с энергией 1,8 ТэВ. На нем сделано несколько замечательных открытий, в том числе - самый тяжелый шестой t-кварк, завершивший таблицу семейства кварков**, наподобие недостающих элементов периодической системы Менделеева (такое сравнение уместно, потому что масса t-кварка практически совпадает с массой атома золота). Здесь же впервые наблюдали осцилляцию состояния нейтрального B-мезона, в состав которого, кроме тяжелого b-кварка, входит s-кварк. Однако американский коллайдер не ответил на самые главные вопросы физики элементарных частиц. Он только позволил приблизиться к их решению, поскольку энергия взаимодействия и частота соударений в нем недостаточно велики, чтобы изучать самые значимые события. Такую энергию и светимость (т.е. частоту соударений) должен обеспечить LHC.

Небывалая светимость L = 2 * 10 см^-2 с^-1, которая будет достигнута на LHC, позволит не только открыть новые объекты, но и уточнить свойства уже известных частиц и процессов. А эти знания необходимы для теории фундаментальных взаимодействий. Редкие события, как правило, несут более ценную информацию. Для достаточного их количества уже

* См.: А. Сисакян. Мировая слава Дубны. - Наука в России, 2006, N 2 (прим. ред.).

** См.: П. Ермолов, Е. Шабалина. Тяжелые кварки: поиск продолжается. - Наука в России, 2001, N 3 (прим. ред.).

планируется увеличение светимости коллайдера в разы после нескольких лет его работы.

КАЖДОЙ ЧАСТИЦЕ - ПО СУПЕРПАРТНЕРУ

Протон и электрон - мельчайшие частицы окружающего нас мира. Но если электрон поныне рассматривается как элементарная, или неделимая частица, то протон имеет структуру, обнаруженную в опытах на ускорителях, когда его бомбардировали электронами высокой энергии. Позже выяснилось, что структурными элементами протона служат точечные частицы - кварки и глюоны. То есть летящий с большой скоростью протон представляет собой уже пучок частиц, каждая из которых несет долю его импульса.

Значит, при соударении протонов происходят взаимодействия точечных кварков и глюонов, причем разного характера и с участием цветовых зарядов. Большинство из них носит мягкий характер (с малыми переданными импульсами). Кстати, начальные протоны бесцветны. В результате же обмена глюонами возникают цветовые заряды, между ними натягиваются цветовые струны. В какой-то момент они рвутся, и на месте разрывов возникают новые кварки. Этот процесс длится до тех пор, пока среда не станет однородно бесцветной, а кварки объединятся в стабильные наблюдаемые адроны: мезоны, протоны, нейтроны. Но иногда, а при энергии LHC примерно в каждом десятом соударении, взаимодействия носят жесткий характер. Тогда происходят реакции,

не осуществимые в мягких взаимодействиях, и могут рождаться новые типы кварков и других частиц.

ОТВЕТИТ ТОЛЬКО ЭКСПЕРИМЕНТ

Человек всегда стремился понять и объяснить явления окружающего мира. Открытие нового означает, что его нельзя объяснить в известных понятиях и закономерностях. Описать процессы на Земле и во Вселенной можно только на основе уже полученных знаний и созданных теорий. Правильны они или нет, может ответить только эксперимент. Он выбирает верную теорию, которую мы можем потом использовать для того, чтобы ориентироваться в физическом пространстве нашего мира и Вселенной, оценивать физические процессы эволюции.

XX в. дал очень много для понимания процессов в мире элементарных частиц. Лептоны (к которым относятся и электроны) и кварки служат элементарными объектами современной теории взаимодействий частиц, известной как Стандартная модель. Но сама она порождает много вопросов, потому что не в состоянии объяснить причины наблюдаемых явлений и закономерностей. Почему известные элементарные частицы имеют столь разные массы? Почему все элементарные частицы фермионы? Почему спектр наблюдаемых состояний адронов именно таков? Существуют ли адроны с более сложной кваркглюонной структурой, чем известные состояния из двух и трех кварков? Какие более фундаментальные взаимодействия и законы обусловливают переходы одних типов тяжелых кварков в другие? И почему таких переходов не существует для лептонов? Точны или спонтанно нарушены глобальные дискретные симметрии физического мира* - пространственная (Р), зарядовая (С), комбинированная (СР) и временная (Т) четности?

БОЗОН ХИГГСА

Самым интригующим является вопрос о существовании бозона Хиггса. Можно сказать, что именно для его обнаружения и был построен LHC. Ранее на встречных пучках в ЦЕРНе (1984 г.) был зарегистрирован заряженный векторный бозон W. Позднее на ускорителе встречных пучков электронов и позитронов наблюдался нейтральный векторный бозон Z. Их открытием было подтверждено подобие электромагнитных и слабых взаимодействий, составляющих основу Стандартной модели. Поиск бозона Хиггса - продолжение этих изысканий.

Открытие бозона Хиггса прояснит механизм, обусловливающий наличие массы у элементарных частиц. Предсказать величину его массы теоретически не удается, но можно ожидать, что весь диапазон возможных масс бозона Хиггса будет доступен для его обнаружения на LHC. На решение данной задачи нацелены два основных самых крупных экспериментальных детектора - ATLAS и CMS**.

В случае, если теоретические предпосылки не подтвердятся, бозон Хиггса не будет найден. Но даже результат "неоткрытия" будет нести огромной важности информацию, необходимую для определения основ теории фундаментальных взаимодействий.

Ныне имеется множество разных моделей, предполагающих существование частиц с экзотическими свойствами. Для каждой из них проводится моделирование взаимодействий в детекторах для выяснения особенностей поведения, которые в итоге позволят их обнаружить. К ним, например, относятся лептоны с двойным электрическим зарядом.

* См.: Л. Смирнова. Симметрии и их нарушения в микромире. Наука в России, 1997, N 6 (прим. ред.).

** См.: Л. Смирнова. Шаг в двадцать первый век. - Наука в России, 1996, N 1 (при. ред.).

КВАРК-ГЛЮОННАЯ ПЛАЗМА

На LHC можно будет ускорять не только протоны, но и ядра различных атомов (вплоть до золота) до энергии 2,5 ТэВ на нуклон. Соударения ускоренных ядер представляют сложную картину. Если каждый нуклон есть пучок элементарных кварков и глюонов, то в ядре - множество таких пучков. При столкновении они перекрывают друг друга, деформируются, происходят многократные цветовые обмены. Новые состояния, возникающие в жестких взаимодействиях, испытывают влияние ядерного вещества. От этих процессов ожидают ценную информацию о поведении элементарных объектов в ядерном веществе. Но самое важное заключается в том, что при соударениях ядер может возникнуть новое состояние - кваркглюонная плазма. Важно определить плотность энергии, необходимой для квантового перехода материи в это состояние, определить его характеристики. Надеемся, что эксперименты по столкновению ускоренных ядер позволят выяснить особенности поведения ядерного вещества в столь экстремальных условиях. А поскольку в космических лучах присутствуют ядра, ускоренные до масштаба энергий коллайдера, то понимание особенностей состояния вещества при их взаимодействиях крайне важно.

ГЛОБАЛЬНАЯ СИСТЕМА GRID

Следует отметить, уже сегодня мы получили очень много от самого строительства LHC и его уникальных установок. К примеру, технологические достижения ряда наукоемких производств обязаны заказам, связанным с созданием этого комплекса. Российскими и зарубежными специалистами разработаны и получены материалы с оригинальными свойствами для использования в установках коллайдера, вместе с тем имеющими более широкий спектр применения.

Пожалуй, наиболее впечатляющими и очевидными являются достижения компьютерных технологий.

Толчок к их развитию вызван необходимостью обработки огромного количества экспериментальных данных. Кстати, именно в ЦЕРНе впервые была осуществлена передача информации между компьютерами, что привело к созданию Интернета в 1989 г. Параллельно была организована международная компьютерная высокоскоростная сеть для обработки научной информации GRID (от анг. grid - решетка, сеть). В нее включены все научные исследовательские центры, институты и университеты мира. И если ее исходным мотивом служила задача обработки данных LHC, то сейчас она активно используется для решения других задач, требующих больших вычислительных мощностей. Это, в первую очередь, расчеты для изготовления новых эффективных лекарственных препаратов и метеорологических прогнозов. После успешного запуска LHC в сентябре 2008 г. в одном из соединений магнитов коллайдера произошел неожиданный нагрев и разрыв электрического контакта. Поскольку магниты находились в состоянии глубокого охлаждения для достижения условий сверхпроводимости, то устранение последствий потребует определенного времени. Нужны анализ причин произошедшего, проверка состояния других компонентов. Но в конце 2009 г. LHC снова начнет работу и постепенно достигнет требуемых параметров. Можно надеяться, что и физические результаты не заставят себя ждать.

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: