Научный взгляд на устройство вселенной

ЭКСПЕРИМЕНТЫ CMS И ATLAS 275
могут ее пропустить. И все же нельзя не признать, что экспери-
ментальные установки БАКа производят сильное впечатление. 
Опустить эти подробности было бы неправильно.
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ
В определенном смысле детекторы — и ATLAS, и CMS — пред-
ставляют собой логическое развитие того пути, которое Галилей 
и другие ученые начали несколько столетий назад. Тогда с изобре-
тения микроскопа началось развитие техники, которая позволя-
ла физикам опосредованно изучать все более мелкие расстояния. 
Ученые постепенно открывали новые уровни структуры вещества, 
наблюдать которые можно только при помощи самых крохотных 
зондов.
Эксперименты на БАКе разработаны для того, чтобы иссле-
довать субструктуры и взаимодействия на расстояниях, в сотни 
тысяч триллионов раз меньших, чем сантиметр. Это примерно 
в десять раз меньше по размеру, чем все, что прежде приходилось 
исследовать ученым. Хотя предыдущие высокоэнергетические экс-
перименты на коллайдерах, к примеру на тэватроне в Лаборато-
рии имени Ферми в Батавии (штат Иллинойс), строились пример-
но на тех же принципах, что и новые детекторы БАКа, рекордные 
энергии и высокая частота столкновений поставили перед инже-
нерами немало новых задач и, вообще говоря, предопределили 
небывалый размер и сложность устройств.
Подобно космическим телескопам, эти детекторы после стро-
ительства становятся практически недоступными. Они находятся 
глубоко под землей и подвергаются действию сильного излучения. 
Никто не в состоянии проникнуть в детектор, пока БАК работает. 
Но, даже когда коллайдер выключен, добраться до конкретного 
детекторного элемента чрезвычайно сложно, да и времени на это 
требуется очень много. Именно поэтому детекторы строятся так, 
чтобы они могли работать по крайней мере десять лет без всяко-
го обслуживания. Впрочем, каждые два года БАК предполагается 
останавливать на длительный период, в течение которого физики 
и инженеры получат доступ ко многим компонентам детектора.

276 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
В одном очень важном отношении экспериментальные уста-
новки для регистрации элементарных частиц сильно отличаются 
от телескопов и микроскопов: они «смотрят» одновременно во все 
стороны. Столкновения происходят, частицы вылетают. Детекторы 
фиксируют любое событие, которое потенциально может оказать-
ся интересным. ATLAS и CMS — универсальные детекторы. Они 
не регистрируют один только тип частиц или событий, не фикси-
руют признаки конкретных процессов. Эти установки сконстру-
ированы так, чтобы впитывать в себя максимальное количество 
данных от широчайшего спектра взаимодействий и энергий. Уже 
потом экспериментаторы, располагающие громадными вычис-
лительными возможностями, попытаются однозначно выделить 
из общей массы событий информацию о конкретных частицах 
и продуктах их распада.
В эксперименте CMS — в строительстве установки, работе 
с ней и обработке полученных данных — принимают участие бо-
лее 3000 человек из 183 научных институтов, представляющих 
38 стран. Возглавляет проект итальянский физик Гвидо Тонелли.
В нарушение традиции Центра, согласно которой главой че-
го-либо может быть только мужчина, яркая итальянская донна 
Фабиола Джанотти стала «лицом» второго универсального детек-
тора — ATLAS. Она в полной мере заслужила эту честь. Это очень 
мягкий, дружелюбный и вежливый человек и прекрасный ученый 
и организатор. Настоящую же зависть у меня вызывает тот факт, 
что она, помимо всего прочего, прекрасно готовит; вероятно, это 
естественно для итальянки, от внимания которой не может уйти 
даже самая мелкая подробность.
ATLAS тоже собрал вокруг себя гигантский коллектив. На де-
кабрь 2009 г. в этом эксперименте принимали участие свыше 
3000 ученых из 174 институтов 38 стран. Первоначально сообще-
ство было сформировано в 1992 г., когда два предложенных экс-
перимента — EAGLE (Experiment for Accurate Gamma, Lepton, and 
Energy Measurements — эксперимент по точному измерению гам-
ма-квантов, лептонов и энергии) и ASCOT (Apparatus with Super 
Conducting Toroids — аппарат с суперпроводящими тороидами) — 
объединились в один, соединив в конструкции черты того и дру-

ЭКСПЕРИМЕНТЫ CMS И ATLAS 277
гого с некоторыми элементами предложенных детекторов супер-
коллайдера SSC. Окончательное предложение было опубликовано 
в 1994 г., а еще два года спустя ATLAS получил финансирование.
Два основных эксперимента БАКа схожи по основной конструк-
ции, но различаются особенностями конфигурации и реализации, 
что достаточно подробно показано на рис. 32. Они дополняют друг 
друга, имея немного разные возможности. Новые открытия ставят 
перед физикой элементарных частиц крайне сложные проблемы, 
поэтому два различных детектора, настроенные на регистрацию 
одних и тех же объектов, дадут гораздо более достоверные резуль-
таты, если смогут подтвердить находки друг друга. Если оба экспе-
римента приведут ученых к одному и тому же выводу, это придаст 
всем участникам проекта уверенности.
Помимо прочего, присутствие двух схожих эксперименталь-
ных установок вносит в исследования элемент соперничества; 
коллеги-экспериментаторы постоянно напоминают мне об этом. 
Конкуренция заставляет тех и других работать как можно бы-
стрее и при этом тщательнее. Кроме того, члены двух коллекти-
вов учатся друг у друга. Хорошая идея обязательно найдет себе 
дорогу в обоих экспериментах, хотя, вероятно, реализована будет 
по-разному. В основе решения о строительстве двух эксперимен-
тальных установок с общими целями лежит, вероятно, стремление 
обеспечить условия для конкуренции и сотрудничества, а также 
своеобразное желание «подстраховаться», запустив два незави-
симых проекта со сходными целями, опирающиеся на немного 
разные устройства.
Меня часто спрашивают, когда БАК будет проводить мои экс-
перименты и искать подтверждения моделей, предложенных мо-
ими коллегами и мной. Ответ — прямо сейчас, но одновременно 
там ищут и подтверждения всех остальных предположений. По-
мощь теоретиков заключается в том, что они предлагают новые 
объекты и новые стратегии поиска. Цель наших исследований — 
определить, какие физические элементы или взаимодействия 
присутствуют на более высоких энергиях, чтобы физики могли 
отыскать, измерить и интерпретировать результаты и получить 
таким образом новые представления о фундаментальной реаль-

278 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
ности, какой бы она ни оказалась. Только после получения всех 
данных экспериментаторы, разбитые на команды, начинают раз-
бираться, подтверждает ли полученная информация мои модели 
(или любые другие потенциально интересные модели) или от-
вергает их.
магнит
магнит
магнит
магнит
магнит
1. Трекеры
Компоненты
детектора
Справка
3. Адронный 
калориметр (HCAL)
Поглощает и регистрирует 
энергию электронов 
и фотонов
Поглощает и регистрирует 
энергию заряженных 
и нейтральных адронов
Регистрирует треки 
мюонов, когда частицы 
проходят через слои 
детектора
4. Мюонный 
детектор
2. Электромагнитный 
калориметр (ECAL)
CMS
Точка взаимодействия
1 м
2 м
3 м
7 м
5 м
м
4
м
0
6 м
м
4
1
м
2
1
м
8
м
6
м
4
м
2
0 м
ATLAS
диаметр 25 м
длина 46 м
масса 7000 т
магнит
10 м
магнит
Точка взаимодействия
Регистрируют 
треки 
заряженных 
адронов 
и лептонов, 
когда частицы 
проходят через 
слои детектора
РИС
. 32.
Детекторы ATLAS и CMS в разрезе. Обратите внимание 
на то, что общие размеры даны в разных масштабах
Затем теоретики и экспериментаторы проверяют записанные 
данные и смотрят, не подтверждают ли они какую-нибудь конкрет-
ную гипотезу. Хотя многие частицы живут лишь ничтожные доли 

ЭКСПЕРИМЕНТЫ CMS И ATLAS 279
секунды и мы не можем увидеть их непосредственно, физики-экс-
периментаторы при помощи цифровых данных восстанавливают 
«картинку» и стараются установить, какие частицы составляют 
основу вещества и как они взаимодействуют. Учитывая сложность 
детекторов и самих данных, можно сделать вывод, что информа-
ции потребуется много. Остальная часть этой главы поможет вам 
представить, какой будет эта информация.
ДЕТЕКТОРЫ ATLAS И CMS
Мы проследили путь протонов в БАКе от атомов водорода, из ко-
торых они извлекаются, через ускорение до высоких энергий 
в 27-километровом кольце. Два полностью параллельных луча 
никогда не пересекутся; то же можно сказать и о двух пучках про-
тонов, движущихся в противоположных направлениях внутри 
специальных тонких трубок. Поэтому в нескольких точках кольца 
дипольные магниты отклоняют протонные пучки от их неизмен-
ного кольцевого маршрута, а квадрупольные магниты фокусируют 
их таким образом, что протоны двух пучков встречаются и взаимо-
действуют в пределах области меньше 30 микрон в поперечнике. 
Точки в центре каждого детектора, где происходят протон-протон-
ные столкновения, известны как точки взаимодействия.
Экспериментальные установки (на рис. 33 изображено устрой-
ство детектора CMS) располагаются концентрически вокруг каж-
дой из этих точек, чтобы улавливать и регистрировать многочис-
ленные частицы, которые рождаются при частых столкновениях 
протонов. Детекторы имеют цилиндрическую форму — ведь, не-
смотря на то что пучки протонов движутся с равной скоростью 
в противоположных направлениях, в столкновениях, как правило, 
проявляется и продольное движение в обоих направлениях. Во-
обще, поскольку размер отдельного протона много меньше по-
перечных размеров пучка, большая часть протонов вообще не уча-
ствует в столкновениях, а продолжает лететь дальше по трубке, 
лишь слегка отклонившись от своего пути. Интерес для ученых 
представляют лишь те редкие события, в которых отдельные про-
тоны сталкиваются лоб в лоб.

280 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
Это означает, что хотя большинство частиц продолжает двигать-
ся вдоль направления пучка, потенциально интересные события 
порождают настоящий дождь частиц, разлетающихся преимуще-
ственно в поперечном направлении. Цилиндрические детекторы 
сконструированы таким образом, чтобы улавливать максимальное 
число продуктов взаимодействия, учитывая и разлет частиц вдоль 
направления движения пучка. Детектор CMS располагается возле 
одной из точек столкновения протонов под землей — возле Сэсси 
во Франции, недалеко от границы со Швейцарией, а точка взаимо-
действия детектора ATLAS лежит под швейцарским городом Мэй-
рин — совсем рядом с основным комплексом CERN (на рис. 34 вы 
можете видеть условное изображение частиц, разлетающихся после 
столкновения и проходящих сквозь разрез детектора ATLAS).
Общая масса — 12 500 т 
Внешний диаметр — 15 м 
Полная длина — 21,5 м 
Магнитное поле — 4 Тл
Трекер
Кристаллический электромагнитный
калориметр ECAL 
Предливневый детектор
Передний калориметр
Сверхпроводящий
магнит
Адронный калориметр HCAL
Мюонные камеры
Опоры
Ярмо
магнита
РИС
. 33.
Компьютерное изображение устройства CMS с пока-
зом отдельных компонентов. (Графика печатается с разрешения 
CERN и проекта CMS.)
Частицы Стандартной модели характеризуются массой, спином 
и характером взаимодействий, в которых они участвуют. Что бы 
ни возникало в итоге в результате столкновений, и та и другая экс-
периментальная установка распознают все при помощи известных 
сил и взаимодействий Стандартной модели. Иной возможности 
у нас нет. Частицы без соответствующих зарядов покинули бы об-
ласть взаимодействия, не оставив за собой следа.
Но, когда детектор регистрирует взаимодействия из арсена-
ла Стандартной модели, он может разобраться в них и «понять», 
что произошло. Именно это и должны делать обе эксперимен-

ЭКСПЕРИМЕНТЫ CMS И ATLAS 281
тальные установки. И CMS, и ATLAS измеряют энергию и импульс 
фотонов, электронов, мюонов, тау-лептонов и, наконец, частиц, 
участвующих в сильном взаимодействии, которые вовлекаются 
в потоки плотно сгруппированных частиц, летящих в одном на-
правлении. Детекторы, установленные вокруг точки взаимодей-
ствия, должны измерять энергию или заряд и таким образом иден-
тифицировать частицы. Чтобы не утонуть в море информации, 
они снабжены сложнейшими компьютеризированными устрой-
ствами, программным обеспечением и электроникой. Экспери-
ментаторы распознают заряженные частицы, потому что те вза-
имодействуют с другими, известными нам заряженными части-
цами. Они регистрируют также все объекты, которые участвуют 
в сильном взаимодействии.
РИС
. 34.
Условное изображение события в детекторе ATLAS. Показан 
разлетающийся в поперечных направлениях дождь частиц, пронизы-
вающих по пути слои детектора. (Обратите внимание: человек внизу 
помогает представить масштаб установки, но на самом деле, когда в де-
текторе находятся люди, столкновений не бывает.) Хорошо видны харак-
терные тороидальные магниты. (Фото печатается с разрешения Евро-
пейского центра ядерных исследований и руководства проекта ATLAS.)
Все компоненты детектора, по существу, отслеживают пере-
нос заряда — те электроны, что возникают при взаимодействии 

282 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
частиц с материалом детектора. Иногда в веществе возникает 
ливень частиц — множество электронов и фотонов, а иногда ве-
щество просто ионизируется и регистрируется заряд. Но в любом 
случае чувствительные элементы регистрируют сигнал и посыла-
ют его в компьютеры для обработки и анализа.
Магниты также представляют собой принципиально важную 

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: