В прошлой статье я вкратце рассказал о том, чем же занимается ЦЕРН. Теперь же я хочу немного рассказать об эксперименте ATLAS.
По традиции, замечание для физиков: я попытаюсь объяснить все так, чтобы было понятно человеку, далекому от физики. Я как можно меньше буду говорить терминами теоретической физики и упрощу Стандартную модель до безобразия, да простит меня Хокинг за это.
И чтобы заинтересовать читателя, я задам один вопрос: почему у вас есть масса?
Казалось бы, очень простой вопрос — масса есть у всего, и масса объекта есть сумма масс его составляющих. Ан-нет! Это верно для макротел, но никак не для элементарных частиц. Например, у фотона массы нет, и именно по-этому он может двигаться со скоростью света. У глюона также нет массы. Ну и, наконец, массы нет у гравитона. Заметьте, что у частицы (пусть даже теоретической), которая переносит гравитационное взаимодействие, нет массы. Собственно, вопрос на который хочет получить ответ ATLAS: какие свойства имеет частица (и частица ли это вообще), ответственная за массу, где она рождается, когда умирает, и почему существует?
Что бы понять, к чему же пришли теоретики и что конкретно пытаются увидеть на детекторе ATLAS экспериментаторы, надо иметь небольшое представление о Стандартной модели — пока единственной, не имеющей достоверных опровержений, модели, которая описывает строение нашей Вселенной и взаимодействие тел в ней.
Наша Вселенная была создана в Большом Взрыве примерно 14 миллиардов лет назад. Там образовалась вся материя, вся энергия, время и пространство, законы взаимодействия объектов между собой. Сейчас учёные могут выделить четыре фундаментальных взаимодействия:
-Электромагнитное взаимодействие:
Взаимодействие между частицами, обладающими заряд. Это взаимодействие обратно пропорционально квадрату расстояния — чем дальше находятся два объекта, тем слабее они влияют друг на друга.
-Гравитационное взаимодействие:
Взаимодействие между частицами, обладающими массу. Это взаимодействие также обратно пропорционально квадрату расстояния.
-Сильное взаимодействие:
Взаимодействие между кварками. Нужно для того, что бы держать кварки в протоне/нейтроне вместе. Обратно пропорционально расстоянию.
-Слабое взаимодействие:
В частности, отвечает за бета-распад ядра и позволяет лептонам и кваркам превращаться друг в друга. Единственное взаимодействие, которое не симметрично относительно зеркального отражения. Очень грубо говоря, если к объекту А я применю слабое взаимодействие и получу объект В, то обратное преобразование работать не будет — применив точно такое же взаимодействие на объект В, мы не получим объекта А.
Лирическое отступление: по-моему, сейчас самое время объяснить, чем же все таки является любая физическая модель. Надо понять, что это всего лишь математическая теория, просто набор формул, объектов и их названий, которыми нам легче оперировать. Названные выше четыре взаимодействия — это просто четыре формулы, верность и точность которых всегда находится под вопросом. И физики, собственно, пытаются эту модель сделать точнее и удобней, с каждым годом, с каждым новым открытием и доказательством. В конечном счете, если уж очень все упрощать, мы получим модель, в которой есть лишь одна формула, описывающая любое взаимодействие и любой объект.
Так вот. Эти четыре взаимодействия между объектами должны как-то проявляться на микро-уровне. Например, электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов: когда вы кладете рядом два магнита, от них друг к другу летят фотоны и «сообщают» о том, что надо бы как-то реагировать. А заряд тела образуют, например, электроны (знатоки, поправьте, пожалуйста). То же и с массой и гравитацией — гравитационное взаимодействие передается с помощью гравитонов, а массу частицы дает бозон Хиггса. И вот этот самый бозон пока еще не был найден экспериментально, только лишь теоретически рассчитан. Эксперименты ATLAS и CMS как раз таки и пытаются его «увидеть» в своем детекторе при столкновении двух пучков протонов.
Это все, что касается вопроса «А зачем вообще искать этот бозон и строить такую махину?».
Дальше я попробую рассказать, что было и будет сделано для достижения этой цели.
Что бы увидеть, что же все-таки дает массу телу, надо это тело разбить. Все очень просто — берем два пучка протонов, разгоняем их до около-световых скоростей и сталкиваем. Как работает ускоритель — отдельная тема, по-этому тут её я поднимать не буду. Столкновения происходят внутри детектора, в нашем случае это детектор ATLAS. Протоны разлетаются на более мелкие частички, которые, в свою очередь, могу также разлагаться на более мелкие (например, бозон Хиггса живет слишком малое время, что бы успеть долететь до детектора. Он умирает и производит другие частицы), которые уже детектируются. И уже по этой информации мы можем понять, что же произошло сразу после столкновения, какие частицы родились и уже умерли.
Задача, поставленная перед экспериментами ATLAS и CMS одинакова, но решение они ищут разными путями. В частности, детектор ATLAS не очень точный, он работает с данными, полученными при столкновении частиц почти любой энергии (в рамках поставленной задачи, конечно) и очень много данных отсеивает как ненужные. Однако он работает на количество — набирает огромную статистику столкновений, что бы понять, что есть что. CMS же работает наоборот, на качество. Но об этом в отдельной статье.
Так вот, детектор. Структура его тоже не очень сложна (если не вдаваться в подробности): вокруг оси пучка (трубы, где пучки сталкиваются) стоят 4 цилиндра; внешний имеет следующие размеры: длинна 46 метров, диаметр 25 метров, весом около 7000 тонн. Для правильной работы нужен вакуум внутри, и техника/электроника, которая работает в условиях радиации. Теперь подробней об этих четырёх слоях:
-Внутренний детектор: находится ближе всех к точке столкновения. Служит для детектирования заряженных частиц. Благодаря магнитному полю внутри детектора, сгенерированному магнитом вокруг, внутренний детектор может наблюдать импульс заряженной частицы.
-Калориметр: Нужен для измерения энергии частиц, поглощая их.
-Мюонный спектрометр: Наблюдает импульс мюонов (которые, к сожалению, проходят через все остальные слои нетронутыми).
-Магниты: отклоняет заряженные частицы, дабы измерить их импульс.
Вот это и есть строение детектора ATLAS, очень упрощенное и в чем-то неверное, но достаточное для общего понимания.
Наверное, стоит еще вкратце рассказать о том, как мы вообще детектируем частицы. Вот у нас летит частица, и нам надо понять, что это и откуда это. Одними из первых детекторов были пузырьковые камеры: пролетая через нее, частица «кипятила» воду, и мы, по пузырькам, могли просмотреть ее движение. Потом были детекторы с использованием газа — набор маленьких трубок с газом, и частица, пролетая, заряжала газ в одной из трубок, через нее проходи ток, и мы видели, где пролетела частица. Сейчас же в детекторах используют намного сложные механизмы, но суть остается та же: проследить за треком частицы, что бы потом высчитать ее свойства.
Всех прошу писать, отвечать и спрашивать в комментариях. С удовольствием поговорю с людьми, которые работают/работали на ATLAS.
Автор: Mgrin
