Цифровой журнал «Компьютерра» 2012 № 29 (129) - [2]

Первые активные работы по созданию коллайдеров начались в конце 1950-х годов в лабораториях «Фраскати» в Италии, SLAC в США и Институте ядерной физики СССР. Первым заработал итальянский электро-позитронный коллайдер AdA. Однако результаты своих исследований первыми опубликовали советские физики, работавшие на коллайдере ВЭП-1 (Встречные электронные пучки). Затем последовали публикации со стороны американских исследователей.

Первым адронным коллайдером стал протонный синхротрон ISR, запущенный в ЦЕРНе в 1971 году. Его энергия составляла 32 ГэВ в пучке.

В 1983-1988 годах в Женевской долине на глубине ста метров выкопали 27-километровый туннель, пересекший под землёй границы Швейцарии и Франции. С 1989 по 2000 годы в этом туннеле размещался мощнейший ускоритель лептонов — Большой электронно-позитронный коллайдер. К концу срока эксплуатации его максимальная энергия достигала 200 ГэВ (по 100 ГэВ) на пучок.

Второго ноября 2000 года, после одиннадцати лет работы, Большой электро-позитронный коллайдер был отключён. На следующий год в том же туннеле началось строительство того, что в итоге стало называться Большим адронным коллайдером (БАК).

Хотя в начале прошлого десятилетия предполагалось, что БАК заработает уже в 2005 году, только в 2006-м был установлен последний сверхпроводящий магнит. Летом 2008 года было объявлено о завершении первых предварительных испытаний, в ходе которых пучок заряженных частиц прошёл чуть более трёх километров по одному из колец БАК.

10 сентября 2008 года БАК был официально запущен: пучки протонов успешно прошли весь периметр коллайдера в обоих направлениях. Но уже через девять дней случилась серьёзная авария: в одном из секторов большого тридцатикилометрового кольца произошло короткое замыкание.

- Всё кольцо [туннель Коллайдера — Прим. ред.] поделено на восемь секторов; один сектор — это 154 дипольных магнита, соединённых последовательно между собой и работающих на токе в 12000 А. Это колоссальный ток, при этом энергия, которая запасается в магнитном поле, — 1,33 ГДж, что эквивалентно 200 кг тротила, — рассказывал «Компьютерре» Александр Ерохин. — Между всеми магнитами есть соединения сверхпроводящего кабеля – это расположенные внахлёст сверхпроводящие шины, спаянные олово-серебряным припоем, которые находятся там же, в криостате при 2 К.

Причиной оказалась банальная халтура: «полетевшее» соединение оказалось плохо пропаяно. Видимо, на каком-то этапе на монтажниках сэкономили, как следствие — лишние траты на ремонт, на который ушёл без малого год.

После того как Большой адронный коллайдер был перезапущен заново, постепенно увеличивалась его мощность.

Ищите и обрящете

Вопрос, почему бозон Хиггса не был открыт раньше, настолько же закономерен, насколько прост и ответ на него: мощности не хватало. Под мощностью тут стоит понимать две величины — энергию соударения частиц (то есть до каких кинетических значений удаётся разгонять элементарные частицы) и так называемую «светимость».

Под светимостью понимается количество частиц в единицу времени на единицу площади. Проектная светимость БАК составляет 10³⁴ с^-1*см^-2 — 2808 сгустков. Также планируется улучшить фокусировку луча, то есть, уменьшив поперечный размер пучка, фактически увеличить плотность частиц.

Зачем это нужно? Просто для увеличения количества «событий» — можно разогнать две частицы до запредельных значений: продуктом их распада может стать бозон Хиггса... а может и не стать. Более того, он настолько редко проявляется, что от одиночных событий нужных результатов можно ждать неограниченно долгое время. Светимость и фокусировка повышают частоту событий (соударений), и тем самым набирается больше статистических данных, анализ которых позволит (или уже позволил) вычленить всё, что связано с хиггсовским бозоном.

Непосредственно поисками бозона Хиггса на БАК занимались две исследовательские команды, оперировавшие детекторами ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) и CMS (The Compact Muon Solenoid).

- ATLAS и CMS многофункциональны. С их помощью планируется решение очень большого количества самых разнообразных задач, основной из которых является обнаружение бозона Хиггса, — говорил «Компьютерре» Илья Орлов, сотрудник ИЯФ СО РАН, участник разработок в ЦЕРНе. — Основная цель – это экспериментальное обнаружение бозона Хиггса и измерение его параметров: время жизни, вероятности распадов и так далее.

Проблема ещё и в том, что бозон Хиггса исключительно недолговечен — он существует ничтожно короткое время и прямому обнаружению, как говорится, «не подлежит». Только продукты его распада живут достаточно долгое время, чтобы его выявить, при этом так называемых «каналов распада» достаточно много.

Затруднений с поиском сразу несколько: во-первых, теория существования бозона Хиггса не описывает его массу; во-вторых, одни и те же лептоны, например, могут быть продуктами распада других частиц и не иметь никакого отношения к искомому бозону. Эта проблема решается опять же методом статистическим: учёные строят распределение масс частиц, то есть учитывают события с конкретными массами (выраженными в электронвольтах), восстановленные по характеристикам возможных продуктов распада, как, например, пары гамма-квантов. Если среди этих пар фигурируют те, что появились в результате распада какой-то конкретной частицы (а мы знаем, какой именно), то каждый раз они будут давать одну и ту же массу и, соответственно, будет наблюдаться пик.