Под названием ATLAS ученые могут подразумевать две разные вещи:
первая детектор элементарных частиц Большого адронного коллайдера;
вторая крупнейшая международная коллаборация физиков, которые
занимаются элементарными частицами. Больше трех тысяч ученых со
всего мира работали над созданием детектора, управляли им и
продолжают управлять сейчас, собирая с него данные, анализируя их и
публикуя научные статьи на основании полученных
результатов.Детекторы Большого адронного коллайдераБольшой адронный
коллайдер (БАК) это туннель длиной в 27 километров, проложенный под
землей на границе Швейцарии и Франции, в районе Женевы. Он
позволяет сталкивать потоки частиц с самыми высокими энергиями,
которых мы только можем достичь, чтобы при этом не терять
возможность управлять ими и задавать им направление. Мы сталкиваем
их в четырех разных участках кольца, а когда протоны сталкиваются
на таких высоких энергиях, это дает нам возможность понять
соответствующую физику, а значит, и физику процессов, происходящих
на мельчайших расстояниях. В каком-то смысле БАК можно
рассматривать как самый мощный микроскоп, когда-либо созданный
человечеством, поскольку мы изучаем структуру материи на мельчайших
масштабах.Данные, которые позволяют нам понять мельчайшую структуру
материи, скрываются в продуктах столкновений частиц. Когда протоны
сталкиваются, они разлетаются, и происходящие при этом процессы
можно понять только одним способом: увидеть частицы, появившиеся в
результате столкновения, и исследовать их. Для этого мы используем
физические законы, ряд математических техник и, самое главное, сам
детектор: без него мы бы ничего не узнали. Вы можете представить
себе детектор ATLAS как самую сложную, навороченную цифровую камеру
с самым высоким разрешением, когда-либо созданную человеком. Мы
фотографируем то, что происходит во время протон-протонных
столкновений.В Большом адронном коллайдере есть еще три крупных
детектора. Один из них CMS, расположенный на другой стороне кольца:
он выполняет задачи, схожие с задачами ATLAS, но при помощи других
технологий. Второй детектор LHCb, а третий ALICE, они более
узкоспециализированные.Как работает детектор ATLASATLAS и CMS во
многом похожи: детекторы выглядят как цилиндр, посередине которого
проходит ось пучка протонов, где и происходят столкновения. Большая
часть протонов никак не взаимодействуют друг с другом, но некоторые
сталкиваются и именно они нас и интересуют.Точку столкновения мы
окружаем в первую очередь детекторами, которые позволяют увидеть
заряженные частицы. На данный момент лучше всего заряженные частицы
ловит полупроводниковый детектор, обычно кремниевый. Как видно из
названия, полупроводник это почти проводник электрического тока, то
есть в нем есть несвободные электроны, которые не проводят ток, но,
если их слегка подтолкнуть, они могут соскочить и начать свободно
двигаться. Идея в том, что если какая-то частица, пролетая через
полупроводник, подтолкнет электрон, то этот небольшой толчок не
повлияет на ее направление, так что частица продолжит движение, как
и раньше, это направление мы и хотим установить. Но раз один из
электронов освободился, мы можем усилить напряжение и увидеть, что
мимо пролетела частица. Таким образом мы можем очень точно
зафиксировать треки частицы, то есть понять, откуда она прилетела и
куда отправится дальше.Кроме того, все это окружено соленоидальным
магнитом, а магнитное поле изменяет направление движения заряженных
частиц. То, насколько сильно частицы отклонятся от своей
первоначальной траектории, зависит от их импульса. Таким образом,
мы можем не только понять, что здесь была частица и она летела в
таком-то направлении, но и определить ее импульс. Это прекрасно, но
такой метод работает только с заряженными частицами, например
электронами или протонами. Но у многих частиц заряда нет: так, наши
кремниевые детекторы не заметят фотон, частицу света.За пределами
трекинговой системы расположены калориметры. По сути они
останавливают все частицы, кроме двух, которые я упомяну чуть
позже. Когда частицы останавливаются, во время торможения они
испускают свет, электромагнитные волны. Мы можем считать их и
установить энергию всех этих частиц не только заряженных, но и
нейтральных.Всего две частицы проходят калориметр насквозь. Одна из
них мюон: частица, немного похожая на электрон, только тяжелее. Мы
видим мюоны в детекторе заряженных частиц, но потом они проходят
сквозь калориметры, и дальше мы наблюдаем их в других системах
трекинга, которые предназначены специально для наблюдения
мюонов.Вторая частица, которую мы вообще не видим, это нейтрино.
Они взаимодействуют с материей, но очень-очень редко, так что, если
мы получим нейтрино в результате столкновений, его шансы на
взаимодействие составляют миллиарды к одному. Единственный способ
угадать, был ли здесь нейтрино, просто сложить все остальные
частицы, и тогда мы увидим, что нам не хватает энергии или
импульса, и сможем предположить, что, наверное, здесь было
нейтрино, хотя, конечно, это может быть какая-то еще частица вроде
темной материи или чего-то другого, ранее неизвестного.Так устроен
детектор ATLAS: он позволяет нам получать данные о столкновениях
частиц, для анализа которых коллаборация ATLAS использует
грид-вычисления. С этими данными работают тысячи физиков, некоторые
из которых трудятся буквально в соседнем со мной помещении:
аспиранты, научные сотрудники, профессора со всего мира работают
над этими данными и пытаются по ним определить, что происходит в
сердце протона, в сердце структуры материи.Что касается моих
текущих исследований, я только что опубликовал статью о том, как в
результате таких столкновений можно получить четыре заряженных
лептона. Четыре заряженных лептона явление необычное. Они
получаются на очень высоких энергиях, и с ними связано много
интересной физики. Иногда их можно получить из Z-бозона, иногда из
двух Z-бозонов, которые являются переносчиками слабого
взаимодействия, а иногда из бозона Хиггса и в результате вы
получаете четыре лептона. Возникновение этих лептонов мудреный
процесс, и, даже просто замеряя его с той точностью, которую нам
дает детектор ATLAS, мы можем многое узнать о фундаментальных
физических процессах, связанных как с бозоном Хиггса, так и с
другими явлениями.
