ОТКРЫТИЯ НА БОЛЬШОМ АДРОННОМ КОЛЛАЙДЕРЕ
Доктор физико-математических наук Лидия СМИРНОВА, профессор физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института им. Д.В. Скобельцына МГУ
Заканчивается первый цикл работы ускорителя Большой адронный коллайдер (LHC). Более двадцати лет шла подготовка проекта, разрабатывались и создавались уникальные по своим характеристикам установки для детектирования частиц. Позади драматичный период
запуска коллайдера, первые результаты измерений. Более трех лет работал LHC и детекторы ATLAS, CMS, ALICE, LHCb*
на пересечениях пучков ускоренных частиц, экспериментаторы собирали информацию о том, что происходит при самых больших энергиях взаимодействий частиц, созданных учеными. Открытия не заставили себя ждать. Обнаружены новые частицы и физические явления. Получены подтверждения предсказаний Стандартной модели, объединяющей совокупность современных представлений об элементарных частицах и их взаимодействиях.
К открытию Международной конференции по физике высоких энергий в июле 2012 г. в г. Мельбурне (Австралия) было приковано небывалое внимание всех мировых информационных агентств. Основной новостью на форуме стало заявление Европейской лаборатории элементарных
*См.: Л. Смирнова. Мегапроект XXI века. — Наука в России, 2009, № 5; Л. Смирнова. Старт Большого адронного коллайдера. — Наука в России, 2010, № 5 (прим. ред.).
частиц (ЦЕРН, Женева, Швейцария), где работает LHC, об обнаружении новой частицы — бозона Хиг-гса, на поиск которого он был нацелен. Два крупнейших эксперимента ATLAS и CMS одновременно объявили о наблюдении сигнала этой частицы. Ее масса 126 ГэВ и она наблюдается в нескольких типах распада. Наибольший сигнал зарегистрирован в тех случаях, когда частица распадается на два фотона. Сигнал присутствует и в случаях ее распада на четыре
легких лептона. Это могут быть четыре электрона, четыре мюона или две разные пары: одна из электронов, другая из мюонов, а также пары лептонов с участием нейтрино.
ОБ ОТКРЫТИИ БОЗОНА ХИГГСА
В XX в. физикам удалось глубоко проникнуть в природу материи. Сначала в космических лучах, потом на ускорителях элементарных частиц наблюдали большое количество частиц, выяснили законы их образования и распада. Все наблюдаемые процессы в настоящее время описываются с помощью Стандартной модели, основанной на квантовой теории поля. Элементарными частицами в модели являются кварки и лептоны, из которых построен материальный мир. Взаимодействуют они между собой путем обмена глюонами, векторными бозонами. Массы всех этих частиц очень сильно различаются. Однако Стандартная модель не может объяснить, как возникают массы элементарных частиц и почему они так различаются.
В 1964 г. английский физик-теоретик Питер Хиггс опубликовал работу, в которой предложил простей -ший механизм для формирования масс частиц. Именно он предположил существование нового квантового поля, которому должна соответствовать частица с нулевым электрическим зарядом и спином. Эту гипотетическую частицу назвали бозоном* Хиг-гса. О ее массе ничего не было известно. Начиная с 1970-х годов учеными были открыты три тяжелых кварка** (с, Ь и 1), векторные бозоны со спином, рав-
*Бозон — частица с целым спином; спин — собственный момент количества движения частицы (прим. авт.).
**См.: П. Ермолов, Е. Шабалина. Тяжелые кварки: поиск продолжается. — Наука в России, 2001, № 3 (прим. ред.).
Национальные флаги стран-участниц ЦЕРН перед фасадом здания ЦЕРНа.
ным единице, и с электрическими зарядами, равными + 1 и -1 (W+, W- ) и нулевым зарядом (Z 0). Однако частицы, которую можно было бы отождествить с бозоном Хиггса, найти не удавалось. Физики предложили другие модели для объяснения масс частиц, но ответ о справедливости той или иной модели мог дать только эксперимент. Обнаружить бозон Хиггса или установить его отсутствие стало основной задачей Большого адронного коллайдера.
Более двадцати лет ученые-физики 40 стран мира, в том числе российские, создавали ускоритель и детекторы, регистрирующие столкновения протонов и ядер. К их числу принадлежит и автор статьи, много лет возглавляющий группу Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ в эксперименте ATLAS. Трудно передать волнение и радость момента, когда коллайдер начал ускорять частицы и были получены первые данные. Огромное количество новых измерений, выполненных к настоящему времени в экспериментах ATLAS, CMS, ALICE и LHCb, уже вывели физику элементарных частиц на новый уровень. Открытие частицы, соответствующей бозону Хиггса Стандартной модели, является триумфом в познании физической реальности мира.
Два крупнейших эксперимента ATLAS и CMS одновременно заявили об открытии новой частицы. Разные по своей конфигурации детекторные установки, использующие различные методики наблюдения, разные коллективы физиков, анализирующих полученную информацию, привели к согласному результату. Для этого пришлось объединить все данные, полученные экспериментами в 2011г. и вплоть до июня 2012 г. Открытие состоялось! Для ученых очень важно, что экспериментально закрыта возможность существования в Стандартной модели бозона Хиггса с другой массой в очень широком диапазоне значений — вплоть до 600 ГэВ.
Однако на вопросы, которые еще предстоит выяснить о природе и свойствах новой частицы, вряд ли удастся ответить сразу. Необходимо определить все возможные типы ее распада, проверить согласованность теоретических предсказаний с учетом свойств найденной частицы. Предстоит собрать значительно большее количество новой информации. Таким образом, впереди долгий путь поиска истины, но состоявшееся открытие придает силы и уверенность в правильности выбранного пути исследования.
ДРУГИЕ НОВЫЕ ЧАСТИЦЫ И РЕДКИЕ РАСПАДЫ
Наблюдение предполагаемого бозона Хиггса в экспериментах LHC не было первым открытием частицы на коллайдере. Впервые новую частицу экспериментаторы наблюдали на установке ATLAS в декабре 2011 г. Конечно, это событие не сопоставимо с открытием бозона Хиггса и не так взволновало
Детекторы CMS и ATLAS и схема их расположения на кольце Большого адронного коллайдера.
физиков, потому что ее удалось отнести к уже известному семейству мезонов. Новый мезон состоит из ¿-кварка и ¿-антикварка (обозначается как %ь(3Р)), его масса 10,53 ГэВ и он обладает высоким орбитальным моментом.
В эксперименте CMS удалось наблюдать новую частицу, отнесенную к возбужденному состоянию тяжелого бариона Hb*°, в состав которого входит ¿-кварк. Масса наблюденного бариона 5,9 ГэВ, а точность измерений — всего доли процента (~0,2%).
Предельные точности измерений демонстрируют поиски редких распадов В-мезонов. В их составе присутствует и b-кварк. Вероятность распада В-мезо-на на два мюона, предсказываемая Стандартной моделью, составляет 3,2-10-9 и 10-10 в зависимости от природы (типа) парного к ¿- кварку антикварка. Так что подтвердить или опровергнуть справедливость этих предсказаний — одна из важных задач LHC. Впечатляющим результатом экспериментов является быстрый выход на уровень предсказаний Стандартной модели. Ведущим в этом анализе является эксперимент LHCb, направленный на прецизионные измерения В-адронов. За ним близко следуют результаты CMS, затем ATLAS. Уже с уверенностью можно сказать, что нет значительных превышений вероятностей распада. При объединении результатов экспериментов LHCb, CMS и ATLAS достичь уровня теоретических предсказаний удастся, используя данные, полученные в 2012 г. Это закроет значительную часть вариантов минимального расширения Стандартной модели.
Наука в России №1, 2013
НОВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ИЗВЕСТНЫХ ЧАСТИЦ
Уникальные свойства экспериментов на LHC — необыкновенно быстрое получение искомых результатов. Уже в 2011г. появилось множество научных публикаций по данным, полученным на детекторах ATLAS и CMS. Мощная компьютерная система LHC и хорошо разработанные методы анализа позволили быстро их обработать, несмотря на многокомпонентную структуру детекторов и большие потоки информации. Так что можно уверенно утверждать, что с данными LHC физика частиц вышла на совершенно новый уровень.
Отличительной чертой проведенных экспериментов является высокая энергия взаимодействий протонов. Это важно, несмотря на то, что коллайдер еще не достиг проектной энергии соударений протонных пучков в 14 ТэВ. Другой особенностью является высокая светимость (частота) соударений. Уже в мае 2011 г. LHC стал мировым лидером светимости, превысив достижение на ускорителе Теватрон в Фермиевской лаборатории (США). А в 2012 г. основные данные получены при светимости 6« 1033 см-2с-1. Впереди выход на проектное значение 1034 см-2с-1 и выше. Это означает, что информация поступает специалистам с небывалыми доселе скоростью и объемом.
Подчеркнем: главным итогом экспериментов на LHC является подтверждение предсказаний Стандартной модели для широкого ряда процессов. Так, при энергии взаимодействия протонов 7 ТэВ измере-
Спектр эффективных масс
четырех лептонов (мюонов и электронов),
в котором наблюдается сигнал
бозона Хиггса, полученный
в эксперименте ATLAS.
Сигнал отмечен голубым цветом.
ны сечения рождения тяжелых кварков с, Ь, t и векторных бозонов W и Z. Они хорошо согласуются с расчетами по теории возмущений квантовой хромо-динамики, их точность значительно выше, чем проведенных ранее. Например, расхождение эксперимента и теории для вероятности рождения Ь-кварков было обнаружено на Теватроне и долгое время оставалось актуальной проблемой для анализа. А разработка новых методов расчета следующих за лидирующим порядков и создание их компьютерных алгоритмов для моделирования на LHC обеспечили согласие новых измерений и теоретических расчетов.
Измерения кварков и векторных бозонов связаны с регистрацией большого количества струй частиц — выплесков энергии в очень узких интервалах пространственных углов. Их появление обусловлено жесткими соударениями партонов — элементов структуры начальных протонов. Для исследований важно установить тип струи, выяснить, какова природа кварка,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.