Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Задача этих гигантских детекторов – выяснить, что происходит, когда сталкиваются два протона с огромными энергиями. Протон – не бесконечно малая частица и не нерасчленимая капля материи. Он состоит из множества сильно взаимодействующих элементов. Мы часто говорим: «Протон состоит из трех кварков», но это не совсем точно. Два верхних кварка и один нижний, которые делают протон протоном, называются «валентными кварками». В дополнение к этим валентным кваркам, как предсказывает квантовая механика, в протоне есть большое количество «виртуальных частиц», которые постоянно то появляются, то исчезают – это глюоны, а также пары кварк-антикварк. Именно энергия, содержащаяся в этих виртуальных частицах, объясняет, почему протоны намного тяжелее, чем валентные кварки, определяющие их идентичность. Трудно точно сосчитать, сколько виртуальных частиц там находится, так как количество зависит от того, насколько подробно мы их рассматриваем. (Так утверждает квантовая механика.) Но число валентных кварков остается фиксированным. Если посчитать общее количество верхних кварков внутри протона в любой момент времени, оно всегда будет ровно на два больше, чем количество верхних антикварков, аналогично число нижних кварков всегда на единицу больше количества нижних антикварков.

По существу, протон в БАКе – это мягкий мешочек, набитый кварками, антикварками и глюонами, движущийся по кругу в пучковой трубе со скоростью, близкой к скорости света. Ричард Фейнман назвал все частицы, составляющие протоны, «партонами». Согласно теории относительности, объекты, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, укорачиваются в направления движения. Таким образом два протона, сталкивающиеся внутри детектора, напоминают плоские блины, нашпигованные партонами и налетающие друг на друга. На самом деле, когда один протон взаимодействует с другим, это означает лишь, что один из партонов одного протона взаимодействует с партоном другого протона. В результате трудно точно узнать, сколько энергии выделилось в столкновении, поскольку мы не знаем, какие партоны провзаимодействовали.

Изображение двух протонов, подлетающих друг к другу в эксперименте на БАКе. Обычно они имеют сферическую форму, но, поскольку протоны летят со скоростью, близкой к скорости света, из-за релятивистских эффектов они превращаются в блины. Внутри протонов находятся партоны, включающие кварки (черные кружки), антикварки (пустые кружки) и глюоны (закорючки). Кварков на три больше, чем антикварков, – это «валентные кварки». Все остальные партоны – виртуальные частицы.

Условия внутри детектора ВАКа могут стать довольно напряженными. Есть около 1400 банчей протонов в каждом пучке, и банч, перемещающийся в одном направлении, проходит внутри детектора мимо банча, движущегося в другом направлении около 20 миллионов раз в секунду. В каждом сгустке около 100 миллиардов протонов, так что есть очень много частиц, готовых к взаимодействию. Тем не менее, даже несмотря на то, что банчи имеют довольно маленькие размеры (около 2,5 тысячных сантиметра в поперечнике), они по-прежнему огромны по сравнению с размером протона. Основной объем банча – это пустое пространство. Каждый раз, когда пучки скрещиваются, между миллиардами протонов происходит всего лишь пара десятков взаимодействий.

Но пара десятков взаимодействий – это уже много. При одном столкновении двух протонов часто испускается поток всевозможных частиц, до 100 адронов в одном событии. Поэтому мы можем столкнуться с опасностью «наложения» – когда много событий внутри детектора происходят одновременно, и трудно понять, что произошло и где. Вот почему CMS и ATLAS должны максимально задействовать существующие в настоящее время технологические и вычислительные мощности. Чем больше столкновений, тем лучше, потому что это означает больше данных, но с другой стороны, если получить слишком много столкновений одновременно, невозможно понять, что произошло.

Конструкция детектора частиц определяется природой самих частиц. А какие частицы могут образоваться при столкновении? Только частицы Стандартной модели, которые мы уже знаем и любим, а именно: шесть кварков, шесть лептонов и различные бозоны – переносчики взаимодействий. (Мы надеемся получить и совершенно новые частицы, но они почти наверняка будут распадаться на частицы Стандартной модели.) Так что для того, чтобы объяснить логику конструирования детекторов, мы должны рассмотреть возможности образования различных частиц, понять, каким способом их можно обнаружить и правильно идентифицировать. Давайте пройдемся по списку.

Кварки рассмотрим все вместе, поскольку они никогда не встречаются поодиночке – они заперты внутри адронов. Но в столкновении может образоваться пара кварк-антикварк, и две частицы быстро разбегутся в противоположных направлениях. В этом случае происходит следующее: включается сильное взаимодействие, и вокруг исходных частиц сгруппируются осколки адронов. В детекторе этот процесс будет соответствовать появлению упомянутых выше «струй». Задача аналитиков заключается не только в обнаружении образовавшихся адронов, (что является относительно простой задачей), но и в воссоздании истории образования отдельных струй, что не просто. Определение вида родившегося кварка может оказаться страшно трудной задачей, хотя для ее решения используются разные трюки. Например, прелестные кварки живут достаточно долго и до распада пролетают крошечное, но конечное расстояние. В результате частицы при распаде прелестного кварка возникают с небольшой задержкой по отношению к моменту основного столкновения, и эта задержка используется для их идентификации, даже если их собственные треки напрямую не наблюдаются.

Хотя глюоны являются бозонами, а не фермионами, они тем не менее сами чувствуют сильные взаимодействия, так что тоже проявятся в детекторе в виде струи адронов. Некоторое отличие состоит в том, что единичный глюон создать можно – например, его может выплюнуть какой-нибудь кварк, а вот новорожденные кварки всегда рождаются в паре с антикварками. Так что если вы видите три струи в событии, это означает, что в соударениях была создана пара кварк-антикварк и глюон. Сау Лан Ву и ее коллеги впервые установили, что глюоны реально существуют, использовав именно такие события.

Эти совершенно разные частицы объединены в одну группу по одной простой причине: они очень тяжелые и поэтому недолговечные. Все они быстро распадаются на другие частицы, причем настолько быстро, что детекторы их зарегистрировать не могут, и судить о существовании этих частиц приходится, анализируя то, на что они распались. Из этого списка тау-лептоны имеют самое большое время жизни и при благоприятных условиях смогут прожить достаточно долго, чтобы их можно было идентифицировать.