Лиза Рэндалл - Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Материал, использованный в калориметре ECAL детектора CMS, сам по себе удивителен и заслуживает внимания. Это кристаллический вольфрамат свинца, выбранный за свою плотность и оптическую чистоту, — именно то, что нужно для торможения и регистрирования прибывающих электронов и фотонов. Возможно, по моей фотографии на рис. 36 вы сможете себе это представить. Это поразительное вещество, невероятно прозрачное. Вы наверняка никогда не видели ничего настолько плотного и при этом настолько прозрачного. Полезны эти кристаллы еще и потому, что они способны измерять электромагнитную энергию невероятно точно, а точность, как мы узнаем в главе 16, может сыграть принципиально важную роль в поисках неуловимого бозона Хиггса.

РИС. 37. Структура электромагнитного калориметра в детекторе ATLAS напоминает гармошку

РИС. 36. Такие кристаллы вольфрамата свинца используются в электромагнитном калориметре CMS

В экспериментальной установке ATLAS для остановки электронов и фотонов используется свинец. Взаимодействия, происходящие в этом поглотителе, переводят первоначальную энергию движущейся заряженной частицы в ливень частиц, суммарная энергия которых, собственно, и регистрируется. Затем эта энергия передается жидкому аргону — инертному газу, который не взаимодействует химически с другими элементами и очень устойчив к действию излучения. По его реакции можно судить об энергии первоначальной частицы.

Этот элемент детектора ATLAS произвел на меня сильное впечатление во время экскурсии. Фабиола принимала участие в разработке и конструировании этого калориметра с радиальными слоями свинцовых пластин, уложенных подобно мехам гармошки и разделенных тонкими слоями жидкого аргона и электродами. Она рассказала нам, что такое строение позволяет заметно ускорить процесс считывания результатов, потому что в этом случае электроника располагается намного ближе к элементам детектора (рис. 37).

Следующим на пути от протонной трубки и зоны взаимодействия вдоль радиуса наружу располагается адронный калориметр HCAL. Этот прибор измеряет энергию и положение адронов — частиц, участвующих в сильном взаимодействии, —хотя и менее точно, чем электромагнитный калориметр измеряет энергию электронов и фотонов.

Снижение точности—вынужденная мера. Дело в том, что HCAL громаден. В детекторе ATLAS, к примеру, этот калориметр имеет диаметр 8 м и длину 12 м. Сегментировать HCAL с той же точностью, что и ECAL, было бы неподъемно дорого, поэтому точность трековых измерений в нем сознательно снижена. Кроме того, измерять энергию частиц, участвующих в сильном взаимодействии, попросту сложнее (вне зависимости от сегментации), потому что флуктуации энергии в адронных ливнях намного больше.

В установке CMS адронный калориметр собран из слоев материала высокой плотности — бронзы или стали, — чередующихся с пластиковыми сцинтилляторными ячейками, которые регистрируют энергию и положение пролетающих сквозь них адронов по интенсивности сцинтилляции. В центральной части детектора ATLAS в качестве материала–поглотителя используется железо, но сам адронный калориметр работает примерно так же.

Самый внешний слой в любом универсальном детекторе элементарных частиц составляют мюонные камеры. Мюоны, как вы помните, — это заряженные частицы, похожие на электроны, но в 200 раз тяжелее. Ни электромагнитный, ни адронный калориметры не способны их остановить. Эти частицы, не обращая ни на что внимания, летят прямиком в толстый внешний слой детектора (рис. 38).

Энергичные мюоны очень полезны в поиске новых частиц; в отличие от адронов, они достаточно изолированы, их траектории относительно легко регистрировать и измерять. Экспериментаторы хотят регистрировать все события с участием энергичных мюонов, разлетающихся в поперечном направлении, потому что самые интересные столкновения редко обходятся без их участия. Мюонные детекторы могут также оказаться полезными для регистрации любых других тяжелых и стабильных заряженных частиц, которым удастся добраться до внешних пределов детектора.

РИС. 38. В CMS мюонный детектор встроен в ярмо магнита. Снимок сделан в период строительства

Мюонные камеры регистрируют следы мюонов, достигших внешнего слоя детекторов. В некоторых отношениях мюонный детектор похож на внутренний — те же трекеры и магнитные поля, которые отклоняют мюоны от прямой, чтобы можно было измерить изгиб траектории и импульс частицы. Однако магнитное поле в мюонных камерах отличается от поля во внутренних трекерах, да и сам детектор намного толще, что позволяет измерять даже очень небольшую кривизну траектории и, соответственно, регистрировать частицы с более высоким импульсом (их полет в магнитном поле меньше отклоняется от прямой). В CMS мюонные камеры занимают пространство от трех метров до внешнего радиуса детектора — примерно 7,5 м; в ATLAS они начинаются на четырех метрах и тянутся до внешних пределов детектора — до 11 м. Эти громадные конструкции позволяют измерять положение частиц с точностью до 50 мкм.

Последние элементы детектора, о которых мы еще не говорили, — оконечные элементы, детекторы на переднем и заднем концах экспериментальной установки (на рис. 39 можно увидеть их примерную структуру). Теперь мы будем двигаться не по радиусу от луча наружу — последним этапом в этом направлении были мюонные детекторы, — а вдоль оси цилиндра к его концам и ограничивающим их «крышкам». Цилиндрическая часть установки «закупорена» там специальными детекторами, назначение которых—обеспечить регистрацию максимального числа частиц. Оконечные элементы устанавливались на место последними, поэтому в 2009 г. при посещении коллайдера я с такой легкостью рассматривала слоеный пирог внутреннего устройства детекторов.

Дополнительные детекторы на торцевых частях детекторного цилиндра установлены для того, чтобы экспериментаторы могли быть уверены: детектор регистрирует импульсы всех без исключения частиц. Их цель — замкнуть пространство экспериментальной установки, сделать его герметичным и не оставить нигде пропусков и неучтенных отверстий. Герметичные измерения гарантируют, что будут обнаружены даже не взаимодействовавшие или очень слабо взаимодействовавшие частицы. Если наблюдается «недостающий» поперечный импульс, это означает, что при столкновении должна была образоваться одна или несколько частиц, не вступающих в непосредственно обнаружимые взаимодействия. Подобные частицы обладают импульсом, и импульс, который они уносят с собой, сообщает экспериментаторам об их существовании.