"Удивительный мир внутри атомного ядра" - читать интересную книгу автора (Иванов Игорь)

Устройство коллайдера LHC

Теперь несколько картинок.

Коллайдер — это ускоритель встречных частиц. Там по двум кольцам ускоряются частицы и сталкиваются друг с другом. Это самая большая экспериментальная установка в мире, потому что длина этого кольца — туннеля — составляет 27 км. То есть ему еще нужно вписаться в горы. Это находится на границе Швейцарии и Франции, там начинаются Альпы, с этого места видно Монблан, и с другой стороны там другие горы есть, так что надо еще аккуратно в эти тектонические пласты вписаться, чтобы всё хорошо было. На самом деле, эта картинка не в масштабе, потому что диаметр — почти 9 км, а глубина залегания там — 100 м. Тем не менее она примерно дает общую картину.

Есть кольцо, по которому летают частицы. Их разгоняют, разгоняют — там есть специальные ускорительные секции. Их разгоняют до жутких энергий, а потом сталкивают. Сталкивают их в определенных местах, вокруг которых стоят чувствительные датчики. Это очень большие датчики, называются они «детекторы», я их потом покажу.

LHC будет разгонять эти протоны до жутких энергий. Вот вы представьте: частицы летают по вакуумной трубе, она буквально несколько сантиметров в диаметре и тянется на 27 км в разные стороны, по периметру. Частицы, которые там летают, — их подправляют магнитными и электрическими полями — представляют собой отдельные сгустки, как иголочки. Они очень тонкие, толщиной меньше человеческого волоса и имеют длину несколько сантиметров или несколько десятков сантиметров. Они летают с такой жуткой скоростью, что энергия при этом получается большая. Если взять полностью всю энергию этих частиц, это примерно будет как энергия реактивного самолета в движении. Казалось бы, мелочь какая-то: если все эти частицы и протоны собрать и положить, то вы не увидите ничего, потому что их очень мало, нанограмм один будет. Но когда они разгоняются до таких энергий, если они куда-то попадут, то не просто разрушат всё — они пройдут на многие километры.

Так выглядит этот туннель внутри. Здесь есть какой-то человек внутри — рабочий или физик, я не знаю. Туннельчик не сильно просторный, конечно. Здесь идет вакуумная труба, которая обставлена кучей техники, потому что, во-первых, за пучком надо следить, им надо управлять. Потом, всё это происходит при очень низких температурах: там всего 2 градуса Кельвина, потому что нужно, чтобы гелий был в сверхтекучем состоянии. В результате получается такая толстая бандура, в которую всё засунуто. И тянется всё это на протяжении 27 км. Это не просто какая-то железяка — это достаточно точная техника. Скажем, когда эти секции друг с другом сопоставляют, по высоте их выравнивают с микронной точностью. Это не просто взять и присобачить кусок трубы к другому куску. Эта установка очень длинная, поэтому, как видите, люди перемещаются не пешком. Представляете, чтобы проехать в другой конец вашей экспериментальной установки, вам нужно сделать немаленькую велопробежку. Иногда ездят на небольших машинках, особенно когда какие-то детали привозят.

Вот, например, как выглядит секция в разрезе. Это просто одна из секций со своей специфической функцией. Здесь даже сходу не скажешь, где та труба, откуда летит пучок. На самом деле, здесь есть такие желтенькие пучочки (нарисовано, конечно, всё нереально), они летят по этим трубам. А вот дальше уже эти трубы обставляются магнитами, секциями изоляции и так далее. Так вот всё сложно и стоит это очень дорого.

Вот типичный вид детектора. Это детектор ATLAS, который будет работать на LHC. Как вы думаете, он большой или маленький? Он большой, потому что тут вот люди нарисованы в масштабе. Представляете, он размером с 4-5-этажный дом. Вся эта бандура опускается в шахту — не полностью, а по кусочкам, — там монтируется... На самом деле, ATLAS уже практически смонтировали и он реально работает. Правда, он сейчас исследует не столкновение пучков, а космические лучи. Вот из космоса лучи прилетают, они тоже оставляют след в детекторе, он просто их проверяет — действительно, всё работает как надо. Самое главное, что здесь не просто железяки наставлены — это всё очень сложная техника. Она буквально напичкана электроникой, и вещество, которое здесь используется, очень редкое и сложное. Если представить — уму непостижимо, сколько на всё это требуется затрат. На самом деле, не одна группа это, естественно, создавала — над этим несколько тысяч человек работало несколько лет.

Вопрос: Какое количество детекторов ATLAS будет установлено в этих коллайдерах?

ATLAS — это имя собственное, так назвали именно этот детектор. А что касается детекторов вообще, то вот здесь показано: будет два больших детектора, которые предназначены для всего на свете — ATLAS и CMS (это такие большущие бандуры), плюс два детектора поменьше — ALICE и LHCb. Ну, и еще несколько совсем маленьких. То есть реально там будет семь экспериментов работать, но вот таких крупных — два.

Я сейчас за одну минутку расскажу вам, как это всё делается. Приезжаешь в какую-нибудь исследовательскую группу — на юг Италии, например. Там люди занимаются физикой, есть небольшая группа — два человека плюс три студента, которые тоже реально работают на ATLAS. Как их конкретная работа выглядит? У них есть лаборатория, и там они создали, собрали, тестируют, подключают какой-нибудь маленький кусочек, например, для этого угла. Они внимательно его изучают — год, может быть два. Нужно полностью понять, как это устройство работает, чтобы потом, когда всё соединят, всё было тип-топ. Студенты на этом защищают курсовую или диплом, и так далее.

Потом, когда все эти вещи буквально в десятках, может быть даже в сотнях лабораторий по всему миру исследовали, завершили, всё это собирается в одно место, и потом уже собирают большие детали. Вот, например, здесь в центре — очень важный центральный детектор, его в одном месте собирают. В другом месте собирают кусочки для этих, и так далее. После того, как всё это собрали, их привозят все в ЦЕРН, туда, где эта установка стоит, опускают в шахты и собирают уже на месте. Так что это очень кропотливый труд.

Видите этот центральный детектор, который, как я говорил, очень важный? Он кажется очень мелким, но реально он размером с человека. Вот картинка. Здесь человек сидит и монтирует последние детали для этого большого (в этом масштабе) центрального детектора. Это цилиндр, сплошняком напичканный сложной электроникой. Здесь вот сделано небольшое увеличение, просто чтобы показать, сколько туда проводочков идет. А по каждому проводочку будет идти сигнал, что частица такая-то пролетела здесь, оставила столько-то заряда, и так далее. Когда всё это вместе будет анализироваться — с десятков, сотен тысяч проводочков, — это всё вместе и дает картину того, что же всё же произошло.

А вот пример вещества, которое было создано специально для экспериментов физики элементарных частиц (не в этом эксперименте LHC, а раньше). Это аэрогель, который иногда называют «твердый дым». Это вещество, которое очень легкое и довольно хрупкое к тому же, легче пенопласта. Оно всего в несколько раз тяжелее воздуха, невесомое, полупрозрачное. Его особенность в том, что его коэффициент преломления такой, который не существует ни у какого вещества в природе, — 1,05. Такого почему-то в природе нет. Или как у воды — 1,3, или как у газов — 1,00002. А такого вещества не было, и его пришлось создать. Потому что с помощью этого кусочка очень удобно измерять скорость частицы.

А вот как примерно будет выглядеть — это конечно моделирование — распад той частицы, которую мы ловим (хиггсовского бозона). Я говорил, что столкновения происходят очень часто, поступают миллиарды, триллионы данных. Если перебирать их компьютером, иногда возникают такие события. Каждая такая картина называется событием. Ну, что здесь видно? Это промоделированный вид с торца детектора CMS. Здесь видно, что есть частицы, которые так вот разлетелись, есть частицы, которые досюда долетели и выделили много энергии, и есть те, которые мелкие летают. Так примерно будет выглядеть рождение и распад хиггсовского бозона; за такими событиями люди и будут охотиться.

События не всегда будут такие простые, иногда они будут и сложные. Здесь показано другое столкновение: не протон по протону, а столкновение двух ядер в детекторе ALICE (это тоже моделирование). Представьте: столкнулись два ядра свинца, в них самих уже 400 частиц вместе, да еще куча родилась, и эти тысячи частиц разлетаются в разные стороны из одной точки. Детектор должен не просто посмотреть и сказать: «Ох, сколько частиц!» Он должен измерить все эти траектории, посчитать количество частиц, их энергии, всё это просуммировать вместе и понять, как разлетались эти частицы. То есть в первый самый момент, когда они только столкнулись, как это всё начало двигаться. Всё это требуется, поэтому и создают такую сложную технику.

Мы с вами знаем, что есть два механизма возникновения массы, про которые мы точно знаем, что они существуют. Однако это еще не конец истории, потому что не исключено, что существуют и другие способы порождения массы. То, что мы видим как массивное тело, на самом деле может получать свою массу из совсем разных механизмов.

Этот большой коллайдер даст не только ответы на вопросы, которые мучают физиков уже много лет, потому что теоретики уже и не знают, что выдумывать, потому что слишком много вариантов накопилось, надо, чтобы природа на них ответила. Он также откроет новую дорогу к дальнейшим теориям. Физики поймут, куда надо дальше двигаться и что разрабатывать.