СТАРТ БОЛЬШОГО АДРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА

Актуальные публикации по вопросам развития современной науки.

NEW ВОПРОСЫ НАУКИ


ВОПРОСЫ НАУКИ: новые материалы (2024)

Меню для авторов

ВОПРОСЫ НАУКИ: экспорт материалов
Скачать бесплатно! Научная работа на тему СТАРТ БОЛЬШОГО АДРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА. Аудитория: ученые, педагоги, деятели науки, работники образования, студенты (18-50). Minsk, Belarus. Research paper. Agreement.

Полезные ссылки

BIBLIOTEKA.BY Беларусь - аэрофотосъемка HIT.BY! Звёздная жизнь


Автор(ы):
Публикатор:

Опубликовано в библиотеке: 2014-08-11
Источник: Наука в России, № 5, 2010, C. 26-30

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

В конце ноября 2009 г. в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария) состоялся успешный старт Большого адронного коллайдера (LHC). Сгустки протонов с импульсом 450 ГэВ/с были введены в его кольцо, транспортированы по двум направлениям обращения без дополнительного ускорения и сведены в областях соударений. Детекторы взаимодействий зарегистрировали первые соударения частиц при энергии 900 ГэВ. В период с 6 по 12 декабря их ускорили до импульса 1,18 ТэВ/с. С 30 марта 2010 г. LHC стабильно работает при энергии соударения протонов 7 ТэВ.

ДЕТЕКТОРЫ LHC

Ускорительное кольцо LHC имеет четыре точки пересечений встречных пучков протонов, в них построены детекторы взаимодействий ATLAS, CMS, ALICE и LHCb*. Два первых - общего назначения, их основная задача - поиск бозона Хиггса и других новых частиц. ALICE предназначен для поиска кварк-глюонной плазмы. Ее образование ожидается при соударениях релятивистских тяжелых ядер, в первую очередь золота (Аи), которые также будут ускоряться в коллайдере. LHCb направлен на исследование проблем нарушения симметрии в

* См.: Л. Смирнова. Мегапроект XXI века. - Наука в России, 2009, N 5 (прим. ред.).
стр. 26

распадах B-мезонов и непрямого наблюдения бозона Хиггса и других новых частиц в свойствах этих распадов.

Следует отметить, все эти детекторы были готовы к работе уже к 10 сентября 2008 г. - дате запуска коллайдера, но произошла авария в его системе теплоотвода. Чуть больше года потребовалось для ее устранения. Тем не менее они не простаивали - на них регистрировали частицы космических лучей, проникающих к детекторам под землю на глубину около 100 м. Поток таких частиц состоит из мюонов, которые слабо взаимодействуют с веществом и способны пронизывать и толщу грунта, и сами детекторы, позволяя регистрировать их треки. Миллионы таких треков были измерены на ATLAS и CMS. Конструкция LHCb принципиально отличается от центрально-симметричной конфигурации двух первых и не приспособлена к регистрации вертикально падающих частиц, но и на нем наблюдали треки космических частиц. Это позволило настроить все детекторы, а также наладить системы сбора и анализа данных. Непосредственно измерения импульсных спектров космических мюонов в этих детекторах мало информативны из-за трудностей учета структуры грунта над ними. Однако некоторые сведения, имеющие научное значение, могут быть получены, например, от измерения отношения количества мюонов с положительным и отрицательным электрическим зарядом. Его величина определяется составом первичных космических лучей, падающих на границу атмосферы Земли, и полученные данные актуальны для физики космических лучей.

ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Трудно передать нетерпение, с которым участники экспериментов ожидали повторного запуска коллайдера и регистрации столкновений протонов. Высокую степень готовности ярче других продемонстрировал ALICE. Уже спустя несколько дней после наблюдения первых соударений 1 декабря 2009 г. коллаборация опубликовала научную статью по измерению множественности заряженных частиц в
стр. 27

Схема расположения детекторов на Большом адронном коллайдере.

протонных соударениях при энергии 900 ГэВ, а в феврале 2010 г. CMS - по аналогичным результатам при 900 ГэВ и 2,36 ТэВ. 15 марта 2010 г. ATLAS представил свои результаты по множественности частиц в протон-протонных (pp) взаимодействиях при 900 ГэВ по измерениям 300 тыс. событий. В ноябре-декабре 2009 г. в детекторе CMS зарегистрировали 105 pp соударений при 900 ГэВ и 15 тыс. при энергии 2,36 ТэВ.

После короткого зимнего перерыва всем экспериментаторам предстояло начать длительный период стабильного набора данных. Тщательно обсуждали вопрос о том, при какой энергии будет работать ускоритель. Для обеспечения его стабильной эксплуатации было принято решение - при 7 ТэВ, т.е. в два раза ниже проектной энергии. Но и этот уровень более чем в три раза превышает энергию соударений в коллайдере Тэватрон Фермиевской национальной лаборатории (США) и, безусловно, позволяет существенно продвинуться в неизвестную пока область взаимодействий. Старт LHC для соударений пучков протонов с энергией 7 ТэВ состоялся 30 марта 2010 г. С этого дня продолжается систематическая работа всех детекторов по регистрации и анализу поступающей информации.

Первые публикации результатов по множественности заряженных частиц, рожденных на LHC при взаимодействиях протонов, относятся к области энергий, достигнутых ранее на ускорителях. Четверть века назад, в 1986 г., в эксперименте UA5 (ЦЕРН) эти множественности были измерены в соударениях протонов с антипротонами при 900 ГэВ. Теоретические ожидания их различия для этих двух реакций составляют доли процента. Теперь появилась возможность сопоставить старые и новые измерения. Это было выполнено на CMS и ALICE и показало совпадение результатов. Работа ATLAS основана на измерении уже 300 тыс. протонных взаимодействий и сравнение проведено с предсказаниями различных модельных Монте-Карло* расчетов. Более точные измерения показали, что существуют расхождения с предсказаниями уже имеющихся моделей. Оказалось, экспериментальные величины на 5 - 15% превышают расчетные. Такие различия не составляют открытия, но предполагают проведение усовершенствования моделей, чтобы как можно точнее описывать известные процессы, представляющие фоны при поиске новых физических явлений.

Основной поток публикаций экспериментов LHC на данном этапе посвящен характеристикам детекторов. От точности их работы зависит возможность наблюдать редкие процессы. Впервые регистрируются события в центре детекторов, т.е. так, как они проектировались. Все эти результаты будут представлены на международных конференциях 2010 г.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ LHC

Самое главное для экспериментаторов на данном этапе - обеспечение максимальной эффективности регистрации взаимодействий протонов. Это предполагает постоянную готовность детекторов к регистрации сигналов, причем хорошего качества. Непрерывный контроль параметров установок и качества поступающей информации ведут дежурные команды физиков. Их задачей является также координирование работы детекторов и коллайдера. Эффективность ATLAS в использовании пучка протонов в апреле 2010 г. составила 98%, тогда как в ноябре-декабре 2009 г. - 90%. Этот скачок удался за счет отладки процедур старта детектора и окончания рабочих сеансов. А сколько еще появится таких усовершенствований!

УВЕЛИЧЕНИЕ СВЕТИМОСТИ КОЛЛАЙДЕРА

На начальном этапе в кольце ускорителя находилось всего два сгустка протонов. До конца июня 2010 г. их количество планируется увеличить до 16. Одновременно возрастет число протонов в сгустке в 10 раз - с 1010 до 1011. И тогда светимость (частота соударений) достигнет 1030 см-2 с-1. Реальность ожидания столь уникальных событий с новой информацией от них определяется накопленной в экспериментах интегральной светимостью. Она зависит от времени совместной работы ускорителя и детекторов. Запланированные показатели функционирования коллай-

* Моделирование процессов методом Монте-Карло играет важную роль при оценке событий и анализе реакций (прим. авт.).
стр. 28

дера позволят, например, в эксперименте ATLAS в конце июня 2010 г. получить интегральную светимость около 1 обратного пикобарна (пб-1)*. Это означает, что может быть зарегистрировано одно событие, вероятность которого соответствует сечению в 1 пикобарн. Оно произойдет в одном из 1011 столкновений протонов. Оценки показывают, что самые оптимистические (с точки зрения наблюдений) предсказания новых моделей можно ожидать, начиная с интегральной светимости около 10 пб-1. Но более обоснованы ожидания при количестве накопленных событий в десятки и сотни раз выше. Следовательно, предстоит дальнейшее ее увеличение до 1033 см-2 с-1, запланированной для первого этапа работы коллайдера. Тогда можно рассчитывать на появление ожидаемых уникальных событий. В конце 2010 г. предстоит провести планируемый этап по ускорению тяжелых ядер. Отметим: столь массивные частицы впервые попадут в кольцо LHC.

ПРОВЕДЕНИЕ КОЛЛЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Сейчас ученые озабочены моделированием взаимодействий протонов. Необходимо создать новые математические модели детекторов, отвечающие их современному состоянию, и получить количественные предсказания физических реакций при энергии 7 ТэВ. Ведется отладка триггерных** программ выделения событий со специальными характеристиками из общего потока взаимодействий. Пока же регистрируются все взаимодействия, что необходимо для правильной оценки эффективности и самых общих характеристик событий.

Необходимо представить коллективы специалистов, занятых в экспериментах на детекторах ATLAS и CMS (по 2,5 - 3 тысячи физиков), распределенных по различным группам со своими конкретными задачами. Высокая степень координации их действий, внутренняя апробация всех результатов для каждого эксперимента обеспечивают оперативность и надежность представления результатов вовне каждого эксперимента. Здесь соревнуются требования достоверности и желание не упустить первенство своего коллектива. Еще труднее бывает определить при расхождении данных с модельными предсказаниями - результат ли это несовершенства процедуры регистрации и анализа или реально наблюдаемое отклонение эксперимента, требующее уточнения имеющегося на сегодня знания. Уникальные условия наблюдения редких физических процессов, созданные на LHC, позволят заново с большей точностью увидеть необычные особенности уже известных частиц и реакций, т.е. позволят с уверенностью объявить об открытии. А оно обязательно появится в течение ближайших двух-трех лет. Это может быть бозон Хиггса или нейтралино, создающее темную массу Вселенной, что изменит научное знание о ее устройстве.

ВЕКТОРНЫЕ W-БОЗОНЫ

А пока уже имеем первые зарегистрированные физические объекты, связанные со структурными элементами современной модели физического мира - Стандартной моделью - на каждом детекторе. Они предъявлены научному сообществу и ведется их тщательный анализ.

Для экспериментов ATLAS и CMS такими объектами служат распады заряженных векторных W+-бозонов. Они были открыты тоже в ЦЕРНе в 1983 г. Регистрируются распады на мюон / электрон и нейтрино. Эти реакции с рождением мюона и электрона подобны по физике процесса, но они наблюдаются по-разному. Треки мюонов измеряются в мюонном спектрометре, а электроны - в электромагнитном калориметре. Подобие событий состоит в том, что и треку мюона, и сигналу электрона соответствует присутствие нескомпенсированного (незарегистрированного) поперечного импульса, который уносит нейтрино, не оставляющее следов в детекторах. Количество измеренных W-бозонов составляет десятки и согласуется с ожидаемыми вероятностями их рождения. Наблюдение этих частиц важно для многих реакций, в которых ожидается рождение новых частиц. Для этого необходимо зарегистрировать W-бозоны в миллионах событий.

* Барн - единица эффективного поперечного сечения процессов столкновения атомных или ядерных частиц (прим. ред.).

** Триггер - переключательное устройство, которое может долго сохранять одно из двух своих состояний устойчивого равновесия и скачкообразно переключаться по сигналу извне из одного состояния в другое (прим. ред.).
стр. 29

РАСПАДЫ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

Наряду с треками заряженных частиц, в детекторах уже измерены нейтральные странные частицы Λ, K0s, распадающиеся в пределах внутреннего детектора. Особенно следует отметить наблюдение J/Ψ-мезона, в составе которого присутствуют очарованные кварк и антикварк c и Количество J/Ψ-мезонов в каждом эксперименте пока не превышает сотни. С увеличением их количества предстоит выделить те частицы, которые произошли от распадов B-мезонов. И первый распад B-мезона уже зарегистрирован в детекторе LHCb. В составе B-мезонов присутствует более тяжелый b-кварк. При исследовании распадов B-мезонов предстоит обнаружить свидетельства существования новых частиц, исследовать фундаментальные свойства симметрии, в первую очередь нарушения зарядовой и пространственной симметрии (СР-симметрии), проявляющиеся в распадах B-адронов. Как предположил академик Андрей Сахаров (1921 - 1989), именно эти нарушения обеспечили существование Вселенной, частью которой мы являемся.

В заключение отметим: высокая степень готовности экспериментов LHC к выполнению намеченной физической программы исследований позволяет ожидать замечательных открытий в первый длительный период работы (2010 - 2011 гг.).

Новые статьи на library.by:
ВОПРОСЫ НАУКИ:
Комментируем публикацию: СТАРТ БОЛЬШОГО АДРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА

© Лидия СМИРНОВА () Источник: Наука в России, № 5, 2010, C. 26-30

Искать похожие?

LIBRARY.BY+ЛибмонстрЯндексGoogle
подняться наверх ↑

ПАРТНЁРЫ БИБЛИОТЕКИ рекомендуем!

подняться наверх ↑

ОБРАТНО В РУБРИКУ?

ВОПРОСЫ НАУКИ НА LIBRARY.BY

Уважаемый читатель! Подписывайтесь на LIBRARY.BY в VKновости, VKтрансляция и Одноклассниках, чтобы быстро узнавать о событиях онлайн библиотеки.