Что такое коллайдер, как он устроен и как работает?Я уже упоминал, что я сам лично конкретно не собирал коллайдер. Несколько раз спускался в шахту, к детекторам, общался с людьми. Краткий курс по ускорительной технике и технологиям LHC я слушал в 2003 году в ЦЕРНе, сейчас уже конечно бОльшая часть из головы выветрилась. Но - как смогу расскажу. Сам я вхожу в состав коллаборации эксперимента ALICE, так что о детекторах расскажу на его примере.
Вкратце - про ЦЕРН. После войны, в середине 20 века, возникла необходимость сотрудничества европейских государств в плане развития науки. Затраты на исследования и проекты росли не по дням, а по часам, и какой бы ни был бюджет у страны - осилить постройку секретных ускорителей в одиночку было не под силу. Поэтому в 1954 году решением совета европейских держав, на границе Швейцарии и Франции, в часе езды от центра Женевы, был заложен первый камень Центра Европейских Ядерных Исследований CERN. О выборе места я многое сказать не могу, кажется что-то слышал где-то, но не помню. Идея заключалась в том, что это международный центр, поэтому он не должен находиться целиком в одной стране. Почему выбрали именно Швейцарию и Францию - не знаю. Место там определенно хорошее - плато, погода умеренная, почва позволяет вести раскопки и строить туннели. К сожалению - больше ничего не скажу
За несколько лет основные здания были построены, началось строительство кольца ускорителя, и ЦЕРН быстро вошел в число лучших лабораторий мира. Множество великих ученых современности работали и работают там, множество открытий и экспериментов, нобелевских премий и прочего было получено в ЦЕРНе. Естесственно это не единственная лаборатория. В последние десятилетия множество результатов получено на американских ускорителях RHIC и Tevatron. Последний расположен близ Чикаго, в Фермилабе (лаборатории им. Ферми), разгоняет протоны до энергий 1.8 ТэВ. До недавнего времени (да и пока LHC не заработал в полную силу) это самый мощный ускоритель на планете. На нем в частности был открыт t-кварк.
Вернемся к ЦЕРНу. Сам коллайдер LHC расположен в туннеле под землей, на глубине от 70 до 160 метров. Длина туннеля около 27 км, диаметр несколько метров, в 4-5 местах вырыты огромные пещеры-каверны, шахты оттуда ведут наружу. В пещерах размещены детекторы, о них чуть позже. Кроме того есть шахты для входа в туннель еще нескольких местах по всей длине туннеля.
Туннель раньше использовался для ускорителя LEP, который прекратил работу с десятка два лет назад. Это был ускоритель электронов и позитронов на встречных пучках. В пещерах располагались четыре детектора, названия можно поглядеть в Инете, L3, ALEPH, и другие. Сначала был просто LEP, потом после модернизации LEP2, об этом я мало что могу рассказать, гуглите. Примерно 20 лет назад было принято решение заменить всю машинерию ускорителя и построить совершенно новый ускоритель. К 1992 году началась активная работа по проектированию и конструированию ускорителя и детекторов. В частности, коллаборация ALICE (A Large heavy Ion Collider Experiment) начала разработку детектора ALICE, участие в которой приняли институты и университет Санкт-Петербурга. Об этом также чуть позже.
Вот уже 16 лет ведутся работы по строительству коллайдера и детекторов. Сам ускоритель представляет собой трубу, начиненную аппаратурой. Основные узлы - это дипольные магниты, ускоряющие частицы, и квадрупольные магниты, служащие для центровки пучков. Пучки проходят по двум параллельным бериллиевым трубка диаметром около 1-2 см. В одном направлении магнитного поля по одной трубке в одну сторону ускоряются протоны, по другой в другую сторону летят антипротоны, которые имеют противоположный заряд. В центральных точках детекторов трубки пересекаются и встречные пучки сталкиваются, аннигилируя (при малых энергиях), либо преобразуют энергию ускорения в возмущения вакуума, которые порождают новые и новые частицы. Также ускоритель предусмотрен для разгона ионов свинца, золота и др. Естественно в системе поддерживается максимально возможный вакуум, а для использования сверхпроводящих материалов в магнитах - поддерживается температура 1.8 по Кельвину (это около абсолютного нуля, по Цельсию -271 градус).
Надо сказать, что система очень сложная. Один блок магнитов, длиной скажем в пару метров, сам по себе сложно поддерживать в идеальном состоянии, а представьте себе 27 км подобной аппаратуры. Кольцо объединено в единую систему для поддержания вакуума, криогенная система разделена на несколько секторов, также должна работать равномерно и поддерживать температуру сверхпроводимости.
Юстировка пучка - отдельная задача после запуска. Сначала протоны и антипротоны проходят первичные этапы ускорения, из инжектора попадают в накопительные кольца, потом в PS (протонный синхротронный ускоритель), далее в SPS (супер-дупер протонный синхроускоритель), и только затем в кольцо LHC. Далее магнитные квадрупольные линзы служат для центровки пучка по несущей трубке. Практически все вокруг влияет на этот процесс. Например весной снег тает и водный бассейн женевского озера пополняется, объем воды и давление на поверхность земли повышается, что приводит к искажению туннеля. Микроскопические изменения уже влияют на пучок. Любая сейсмическая активность отмечается расфокусировкой пучка. Более того - были замечены еженедельные - по понедельниками и пятницам, ежедневые аномалии - утром и вечером в часы пик. Это связано с повышением трафика в Женеве с началом и концом рабочей недели и рабочего дня. Даже это влияет на юстировку. Я никак не завидую тем инженерам, которые отвечают за это.
Изначально планировался запуск коллайдера в режиме ускорения протонов и ионов до 14 ТэВ, но к моменту завершения строительства остановились на двух режимах - 900 ГэВ и 10 ТэВ. Что это за величины? Для физики элементарных частиц это конечно огромные энергии. Но на бытовом уровне - это энергия летящего комара. Представьте себе двух комаров, летящих с нормальной для них скоростью, и сталкивающихся лоб в лоб - вот это будет энергия сталкивающихся протонов в ускорителе, летящих с скоростью 99,9% от скорости света. Естественно, объем столкновения и плотность энергии несопоставимы, но общий масштаб можно себе представить.
Перейдем к детекторам. Их было изначально четыре - ATLAS - самый крупный, ALICE, CMS и LHCb, сейчас добавились еще два. ATLAS и CMS отвечают за передовую физику, поиски бозона Хиггса, симметрию и прочее. ALICE будет в основном занят анализом столкновений тяжелых ионов, поиском кварк-глюонной плазмы и прочим. LHCb разбирается кварконием b-кварка. Еще два займутся некоторыми вопросами нарушения симметрии и темной материей и энергией.
Что из себя представляет детектор, на примере ALICE. Это цилиндр примерно 15 метров длиной и 4-5 метров диаметром. Внешняя оболочка - это цельнометаллический магнит, доставшийся по наследству от предыдущего эксперимента L3. Кстати говоря, если я ничего не путаю, это многотонные магниты были также сделаны в России, на Ижорском заводе, и перевезены туда. Этот магнит генерит постоянное магнитное поле огромных мощностей, в двух режимах - 0.5 Тесла и кажется 2 Тесла. Магнитные поля нужны для отклонения треков образующихся в центре детектора в столкновении частиц. Отклоняя треки мы можем регистрировать массу и заряд частиц, а значит пытаться понять что там произошло. Далее, этот цилиндр напичкан высокотехнологичной начинкой из детекторов. Внутренняя трековая система (ITS) пожалуй самая важная часть детектора. Это цилиндр длиной около 2 метров, диаметром полметра. Его проект разрабатывался в Санкт-Петербурге и был принят в коллаборации, и часть несущей системы также произведеная у нас. Основная деталь - это уникальный цельномолекулярный углепластик. Рейка длиной 2 метра и весом в несколько грамм выдерживает поперечное давление в 2-3 кг. Легкость очень важна, т.к. частицы должны пролетать сквозь конструкцию и без искажений попадать в кремниевые детекторные пластинки, установленные на рейках. А прочность необходима, чтобы выдержать вес этих детекторов с микроплатам съема сигналов, кабелями передачи и охлаждения. Подробнее если интересно можете почитать
заметку моего шефа, руководителя проекта.
Далее после ITS расположены слоями как в капусте остальные трековые системы, времяпролетные камеры, дрейфовые детекторы, затем калориметры, мюонные абсорберы. Весь цилиндр
полностью, забитый электроникой, представляет из себя целый детекторный дом, который должен захватить и зарегистрировать все рожденные в столкновении частицы. Например, в столкновении ядер свинца при энергии 14 ТэВ ожидается множественность частиц около 6-7 тысяч штук. Это огромное тепло и энерговыделение, которое необходимо полностью зафиксировать.
Как будет производится поиск скажем бозона Хиггса, упомянутого в предыдущей заметке? Есть несколько методов, косвенных, для исследования этого вопроса. Рассчитаны каналы и процессы, по которым Хиггс может образоваться и по которым он распадается. Например, распад Хиггса на t и анти-t кварковую пару. При этом они рождаются с учетом сохранения энергии, дальше адронизируются сами, образуют новые и новые частицы, которые ливнем или струёй влетают в сектор детектора. Эти струи регистрируются, обсчитывается их энергия, и по результатам делается оценка массы Хиггса.
Для определения структуры кварков требуется чуть большие усилия, кварки сами по себе в природе не наблюдаются, только в составе сложных частиц. Но это тоже широко изучается,
разрабатываются методы и теории.
В эксперименте ALICE планируется изучение так называемой "кварк-глюонной плазмы". При столкновении ядер свинца возникает большая плотность вещества на единицу объема, и огромные температуры, в которых образуются некие сгустки энергии, файрболы, которые похожи по своим свойствам на плазму. При это этот сгусток распадается во все стороны равномерно, и по этой изотропности излучения мы можем зафиксировать его образование. Эти исследования дадут нам информацию о состоянии вещества в первые секунды-минуты Большого Взрыва, когда, как предполагается, частицы были примерно в тех же условиях.
Также планируются многие другие интересные исследования, в частности наша группа занимается моделью цветовых струн, образующихся при столкновениях протонов и ядер. Кварки и глюоны, взаимодействуя, образуют некие струны, трубки, наполненные цветовым полем, которые впоследствии распадаются и рождают те частицы, которые мы видим в детекторе. Анализ распада и взаимодействия этих струн позволит нам "заглянуть" в эти странные цветовые взаимодействия и поможет разобраться с пониманием эти явлений.
Размещение рекламы