Возьмем, к примеру, систему электромагнитной калориметрии АТЛАСа, предназначенную для измерения энергии частиц. В ее основе лежит метод, который Уильям Уиллис предложил в 1972 г. для несостоявшегося коллайдера «Изабелль»: пропускать поток частиц через жидкий аргон - ионизуя его, они вызывают в нем заметный электрический сигнал. Когда «Изабелль» закрыли, Уиллис включил свой метод в заявку, в которой вместе с Баришем и другими излагал свое видение детектора GEM на ССК. Помимо Брукхейвена, непосредственного места работы Уиллиса, способ с жидким аргоном переняли и другие лаборатории, в том числе Стэнфордская и «Фермилаб». Сегодня Уиллис возглавляет американскую группу в составе проекта АТЛАС, а его оригинальный метод с жидким аргоном составляет основу системы измерения энергии в детекторе.
Если жидкий аргон - эго кровь, текущая в сердце АТЛАСа, то кремниевые пиксели и дорожки (светочувствительные пластины, как в цифровых фотоаппаратах) - это его зоркие глаза. Точка столкновения пучков взята в оцепление так называемым внутренним детектором. Его электронные глаза смотрят практически во все стороны, а частицам впору ощутить себя участниками какого-нибудь реалити-шоу. Не считая участков, где пучок влетает и вылетает, внутренний детектор со всех сторон окружен миниатюрными световыми зондами. Другими словами, он обладает высокой «герметичностью» - почти идеал физиков-экспериментаторов в этой области, стремящихся блокировать все ходы и выходы. Подобная панорамная скрытая камера позволяет очень точно воссоздать последовательность событий во время столкновения.
Чтобы пучок просматривался одинаково хорошо со всех сторон, все узлы АТЛАСа, не исключая внутренний детектор, представляют собой набор концентрических цилиндров (барабан). На входе и выходе перпендикулярно пучку стоят дисковые заглушки. Такая конструкция позволяет покрыть телесный угол почти полностью. В системе слежения внутреннего детектора есть светочувствительные пиксели и дорожки, которыми испещрены три самых глубоких слоя барабана, а также сами заглушки.
Между внутренним детектором и калориметрами разместился сверхпроводящий соленоид (катушка) с магнитным полем около 2 тесла. Криостаты (холодильные агрегаты) поддерживают его температуру на уровне ниже 5 кельвинов. Предназначение соленоида - отклонять заряженные частицы, когда они влетают во внутренний детектор. В зависимости от их импульса (массы, помноженной на скорость) меняется и угол отклонения. Таким образом, электронная система слежения вкупе с магнитом дает экспериментаторам возможность измерить импульсы осколков.
Покинув пределы внутреннего детектора, частицы попадают в электромагнитный калориметр. Врезаясь в свинцовые прослойки, частицы, участвующие в электромагнитных взаимодействиях, порождают ливни и «размазывают» свою энергию по объему жидкого аргона, после чего ее можно измерить. Тонкая электроника улавливает каждую крупинку оброненной частицей энергии, обеспечивая исследователей еще одним источником информации о событии. Узнать заряд, импульс и энергию частицы - это все равно что спросить у солдата его имя, звание и личный номер. Поскольку все эти физические величины сохраняются, данные о характеристиках пойманных частиц позволяют с большой долей вероятности вычислить ловких контрабандистов (например, нейтральные частицы).
Но электромагнитный калориметр отправляет в нокдаун лишь легковесные частицы вроде электронов, позитронов и фотонов. Более тяжелые (и не имеющие отношения к электромагнетизму) частицы проходят через него насквозь и встречают на своем пути толстую стальную пластину, переложенную сцинтилляторами, - адронный калориметр. Окружающие пластину датчики регистрируют тепло, выделяемое любым участником сильных взаимодействий. В этом приборе протоны, нейтроны, пионы и их адронные сообщники последний раз дают свидетельские показания.
Единственные заряженные частицы, которые не способен уловить ни тот ни другой калориметр, - это мюоны. За ними охотятся внешние, самые толстые слои, составляющие мюонную систему. Она во многом напоминает внутренний детектор, те же магниты и система слежения, но размах у нее гигантский по сравнению с остальными узлами АТЛАСа. На фотографиях готового прибора невозможно не заметить исполинскую заглушку мюонной системы, «колесо обозрения».
По форме огромные сверхпроводящие магниты отличаются от центрального магнита, представляющего собой соленоид. Они имеют форму сильно растянутого тора (бублика), а их длина, равная четверти длины футбольного поля, делает их самыми большими сверхпроводящими магнитами в мире. Разделяя внешний барабан на восемь частей, они придают ему вид порезанного на восемь долек фрукта. Эти магниты отклоняют мюоны сильнее благодаря уже одному только размеру. А мюоны на всем своем длинном пути находятся под неусыпным наблюдением тысяч датчиков, скрупулезно подсчитывающих импульсы частиц.
Вид на детектор АТЛАС с его восемью впечатляющими тороидальными магнuтами.
Частицы, равнодушные к электромагнитному и сильному взаимодействиям, беспрепятственно проходят через весь набор детекторов. Первые подозреваемые среди них, конечно, нейтрино, Они отвечают только на слабые и гравитационные силы, поэтому их так трудно зарегистрировать впрямую, АТЛАС и не пытается этого делать - значения их импульсов и энергий рассчитываются путем сведения баланса. Поскольку протоны до столкновения движутся вдоль пучка, их полный поперечный (направленный под прямым углом к пучку) импульс строго равен нулю. Законы сохранения диктуют нам, что полный поперечный импульс после столкновений, то есть сумма поперечных компонент импульса для всех зарегистрированных частиц, тоже обязан равняться нулю. Если это не так, то баланс можно свести только за счет поперечного импульса ускользнувших осколков. Так группа АТЛАСа может без проблем понять, сколько с собой унесли нейтрино.
На диаметрально противоположной стороне кольца БАК, прямо под французской деревушкой Сесси, расположился другой многоцелевой детектор - CMS («компактный мюонный соленоид»). Слово «компактный» в его названии указывает на тот факт, что CMS претендует на исследование тех же физических процессов, какие идут внутри АТЛАСа, но при этом меньше последнего по размерам. Правда, жилой дом все равно смотрится рядом с ним коротышкой. CMS не богат на магниты - у него всего один, зато исполинский сверхпроводящий соленоид (катушка), который выдает поле примерно в тысячу раз интенсивнее земного, 4 тесла. Магнит отклоняет пролетающие через его внутренность частицы, а установленные там калориметры и кремниевые пиксели системы слежения с высокой точностью меряют импульсы осколков. Зная импульсы, экспериментаторы могут восстановить последовательность событий и обнаружить пропажу (например, нейтрино).
Второе различие между CMS и АТЛАСом кроется в том, как именно они заставляют участников электромагнитных взаимодействий «попасть под ливень». Вместо студеного жидкого аргона электромагнитный калориметр CMS населен восьмьюдесятью тысячами кристаллами вольфрамовокислого свинца. В них возникают ливни, в которых электроны, позитроны и фотоны выделяют свою энергию. Что касается адронов, они поглощаются в плотных занавесках из латуни и стали, а мюоны оканчивают свой путь в дрейфовых камерах и железных пластинах, идущих сразу за магнитом.
У двух коллабораций много общего: большой коллектив исследователей со всего мира, великие цели, многофункциональные измерительные установки, чтобы этих целей добиться… Данные, накопленные каждой группой, будут насчитывать миллионы событий, даже с учетом того, что фильтры заранее отсеют заведомо неинтересные. Информацию в электронном виде разошлют по сотням вычислительных центров, и тысячи компьютеров, объединенных в новейшую систему под названием «Грид», займутся ее обработкой.
Детектор CMS перед установкой.
У обоих коллективов есть все, чтобы обнаружить бозон Хиггса, если, конечно, его масса лежит в пределах досягаемости БАК, Когда одна из групп найдет божественную частицу, другая подхватит эстафету, чтобы подтвердить это открытие. Статью, сообщающую радостную новость, будет предварять список без преувеличения из тысяч фамилий. Нобелевскому комитету придется немало поломать голову, размышляя о вопросах приоритета, прежде чем присудить премию одному или нескольким экспериментаторам. В отличие, например, от случая с Руббиа и Ван дер Мером, удостоенным высочайшей научной награды за открытия слабых бозонов, здесь выбор будет далеко не очевиден (теоретик, чьим именем зовется частица, само собой).
Квартет детекторов, расставленный по всем точкам столкновений, замыкает пара узкоспециализированных детекторов тоже порядочных размеров: БАК-b и «Алиса». Еще два миниатюрных детектора - БАК-f (LHCf) и ТОТЕМ - размещены соответственно рядом с цехами АТЛАСа и CMS.
Цель эксперимента БАК-b - производить частицы, содержащие b-кварки, и изучать их каналы распада. Эти частицы, как правило, очень тяжелые и, скорее всего, дают весьма разнообразные продукты распада, среди которых ученые надеются увидеть намеки на явления, выходящие за рамки Стандартной модели. В частности, группа БАК-b будет искать факты в пользу нарушения так называемой СР-инвариантности[24] Этот термин означает ситуацию, когда один слабый процесс немного отличается от своего двойника, полученного следующим преобразованием: все заряды меняем на противоположные (плюсы на минусы, минусы на плюсы) и переключаем четность (смотрим на процесс в зеркале). Если заряд частицы изменить на противоположный, выйдет античастица. Ее поведение в распадах с участием слабого взаимодействия, бывает, отличается от поведения самой частицы. Та же история с четностью: как показали Ли и Янг, в слабых процессах она не сохраняется. У физиков была гипотеза, что комбинация этих преобразований даст уже сохраняющуюся величину. Однако в 1964 г. американцы Джеймс Кронин и Вэл Фитч продемонстрировали, что некоторые процессы с участием каонов нарушают эту симметрию. Мезоны, содержащие b-кварк, тоже иногда в слабых распадах нарушают CP-инвариантность. Этими процессами как раз и займется эксперимент БАК-b.