Как отслеживаются частицы на Большом адронном коллайдере?

Любой, у кого есть ящик для принадлежностей всякого рода, знает, что отслеживать небольшие части, не связанные между собой, весьма трудно. Вот скрепки. Они же должны лежать здесь, вместе с клеем? Или они в большой коробке с канцтоварами, в которых лежат старые пульты от телевизоров и ножницы для собаки? Помнить, где находятся все причиндалы, невозможно.

Теперь мы знаем, как выглядит хаос, и можем посочувствовать физикам из Европейской организации ядерных исследований, она же CERN (ЦЕРН). Ученые из CERN управляют Большим адронным коллайдером, он же БАК, и даже нашли бозон Хиггса. БАК — это крупный ускоритель частиц, который находится глубоко под швейцарской деревенской местностью. Бозон Хиггса — субатомная частица, которая позволит ученым больше узнать о том, как материя во Вселенной приобретает массу.

Ключевое слово здесь — «субатомный». Сказать, что ученые в CERN смотрят на вещи в малых масштабах, будет огромным преуменьшением. Они не только видят, как два протона — субатомные частицы сами по себе — сталкиваются друг с другом, но и пытаются отследить субатомные осколки, которые разлетаются вокруг во время столкновения. С одной стороны, может показаться, что коллайдер — это такой себе ящик для принадлежностей, в котором хранятся крошечные и быстро движущиеся частицы. Они настолько малы, что распадаются быстрее, чем вы успеваете их обнаружить.

Давайте пройдемся по всему процессу этого распада на лету, чтобы понять, что именно нужно отслеживать ученым. На БАКе протоны летят по круговому треку почти со скоростью света. И они не просто носятся в каждый определенный момент. Ученым CERN нужно доставить пучок протонов в БАК, запустив газообразный водород в дуоплазматрон, который выбивает электроны из атомов водорода, оставляя только протоны.

Протоны попадают в LINAC 2, первый ускоритель БАК. LINAC 2 — это линейный ускоритель, который использует электромагнитные поля для разгона протонов. После первого ускорителя протоны движутся со скоростью 1/3 световой.

Затем они попадают в бустерный синхротрон, который состоит из четырех колец. Отдельные группы протонов проходят через каждое кольцо — и каждый раз ускоряются электрическими импульсами и направляются магнитами. После этой стадии протоны набирают скорость 91,6 процентов от световой и сбиты весьма плотно друг к другу.

Затем их вышвыривают в протонный синхротрон — уже более концентрированной группой. В протонном синхротроне протоны циркулируют по 628-метровым кольцам со скоростью примерно 1,2 секунды за круг и набирают более чем 99,9 процентов от скорости света. С этого момента протоны уже не могут разогнаться еще больше; вместо этого они приобретают в массе и становятся тяжелее. Затем они попадают в суперпротонный синхротрон, 7-километровое кольцо, где разгоняются еще больше (и становятся еще тяжелее) и становятся готовы к столкновениям в трубах БАК.

Вот полезная картинка от РИА «Новости».

Есть две вакуумных трубы на БАК. Одна направляет пучок протонов в одну сторону, другая — в другую. Тем не менее на четырех сторонах 27-километрового БАК есть детекторы, где пучки пересекаются и где происходит магия столкновения. Столкновение порождает хаос.

«Круто», — думаете вы. «Прохладная история» об ускорении частиц. Но как физики узнают, где в ускорителе находятся частицы? И как они отслеживают столкновения, чтобы изучить их?

Магниты. Магниты всему голова.

Чтобы быть справедливым, это ответ только на первый вопрос. Гигантские охлажденные магниты удерживают частицы на правильном пути. Магниты становятся сверхпроводниками при очень низких температурах — холоднее, чем сам космос. При сверхпроводящих магнитах создается сильное магнитное поле, которое удерживает частицы в БАК и в конечном итоге заставляет их сталкиваться.

Как же ученые отслеживают частицы, которые стали результатом столкновения? По горячим «следам». Наблюдая за столкновениями, физики не видят их на больших экранах с голливудскими спецэффектами — они видят только данные. Частицы, которые отслеживаются после столкновений, являются не более чем следами данных, которые нужно проанализировать.

Один из детекторов на самом деле называется отслеживающим, и он позволяет физикам «видеть» пути частиц после столкновения. Они видят графическое представление пути частицы. По мере того как частицы проходят через отслеживающий детектор, записываются электрические сигналы и затем переводятся в компьютерную модель. Калориметровые детекторы останавливают и поглощают частицы, чтобы измерить их энергию, их излучение используется для дальнейшего измерения энергии и массы, тем самым позволяя сузить круг поиска для каждой конкретной частицы.

По сути, именно так ученые отслеживали частицы, когда БАК работал в последний раз. Но мы упустили, что хотя за секунду происходят миллиарды столкновений, не все столкновения протонов интересны ученым. Ученым нужен способ отсортировки полезных столкновений от скучных. Здесь им помогают детекторы: они улавливают интересные частицы, а затем пропускают их через алгоритм, чтобы увидеть, насколько они интересны. Если частицы нуждаются в тщательном изучении, ученые принимаются за них.

Когда БАК снова заработает в 2015 году, будет в два раза больше столкновений (и в два раза больше энергии столкновений). Что ж, будем ждать с нетерпением.