Загадка прелестных кварков
Для экспериментального подтверждения Стандартной модели и возможного ее расширения в европейском Центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве построили крупнейший в мире ускоритель заряженных частиц — Большой адронный коллайдер (БАК). Главную задачу он выполнил, когда в 2012-м там обнаружили бозон Хиггса, но работа продолжается. Разные группы ученых, или коллаборации, параллельно проводят на БАК несколько долгосрочных экспериментов. Один из них, LHCb, посвящен исследованиям асимметрии b-кварков (от английского beauty — прелестный) — тяжелых кварков третьего поколения. Основной вопрос — есть ли различия во взаимодействиях между кварками и лептонами разных поколений.
Прелестные кварки, как и B-мезоны, более тяжелые частицы, нестабильны — в среднем живут около полутора триллионных долей секунды, прежде чем распасться на электроны и мюоны. Стандартная модель предполагает, что в этом не участвуют никакие другие силы, кроме слабых, а в результате должно образоваться равное количество электронов и мюонов. Это и решили проверить участники LHCb.
«До сих пор все взаимодействия между лептонами разных поколений были совершенно универсальными. И вдруг мы увидели какие-то указания на аномалии в распадах кварков третьего поколения на лептоны первого и второго поколения», — объясняет один из участников эксперимента LHCb, доктор физико-математических наук Андрей Голутвин.
«Электрон принадлежит первому поколению лептонов, а более тяжелый мюон — ко второму, — комментирует старший научный сотрудник лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований, кандидат физико-математических наук Игорь Бойко, тоже работавший на Большом адронном коллайдере. — Стандартная модель постулирует, что у частиц разных поколений одинаковая сила взаимодействия, упрощенно говоря, заряд и отличаются они только массой. Если выявят различия между поколениями частиц, это полностью перевернет всю современную физику, придется создавать совершенно новую теорию на смену Стандартной модели».
Ученые надеются, что движение в этом направлении поможет ответить на так называемые большие вопросы современной физики: из чего состоит темная материя и в чем причина нарушения равновесия между материей и антиматерией.
Два варианта распада одной из разновидностей В-мезонов, состоящих из тяжелого b-кварка и легкого d-антикварка с образованием К-мезона (каона), состоящего из s-кварка и d-антикварка. В первом случае при распаде b-кварка образуется пара противоположно заряженных мюонов, во втором — пара электрон — позитрон
Физические цели
Эксперимент имеет обширную физическую программу, охватывающую многие важные аспекты физики тяжелого вкуса ( красоты и очарования), электрослабой и квантовой хромодинамики (КХД). Было идентифицировано шесть ключевых измерений с участием B-мезонов. Они описаны в дорожной карте, которая сформировала основную физическую программу для первого высокоэнергетического LHC, работающего в 2010–2012 годах. Они включают:
- Измерение степени разветвления редкого распада B s → μ + μ — .
- Измерение прямой-обратной асимметрии мюонной пары в изменяющем аромат нейтральном токе B d → K * μ + μ — распад. Такой нейтральный ток, изменяющий аромат, не может происходить на уровне дерева в Стандартной модели физики элементарных частиц, а возникает только через прямоугольные и петлевые диаграммы Фейнмана; свойства распада могут быть сильно изменены новой физикой.
- Измерение фазы нарушения CP в распаде B s → J / ψ φ, вызванной интерференцией распадов с осцилляциями B s и без них . Эта фаза является одной из наблюдаемых CP с наименьшей теоретической неопределенностью в Стандартной модели и может быть значительно изменена новой физикой.
- Измерительные свойства радиационных распадов B, т.е. распад B-мезона с фотонами в конечных состояниях. В частности, это снова спады нейтрального тока с изменением вкуса .
- Трехуровневое определение угла треугольника унитарности γ.
- Бесчеловечный заряженный двухчастичный B распадается.
Практическая польза Большого адронного коллайдера и фундаментальной науки
Прежде всего, следует отметить, что фундаментальные исследования привносят вклад в фундаментальную науку. Применением же этих знаний занимается прикладная наука. Сегмент общества, не осведомленный в пользе фундаментальной науки зачастую не воспринимает открытие бозона Хиггса или создание кварк-глюонной плазмы, как нечто значимое. Связь подобных исследований с жизнью рядового человека – неочевидно. Рассмотрим краткий пример с атомной энергетикой:
В 1896-м году французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности. Долгое время считалось, что к ее промышленному использованию человечество перейдет нескоро. Всего за пять лет до запуска первого в истории ядерного реактора великий физик Эрнест Резерфорд, собственно открывший атомное ядро в 1911-м году, говорил, что атомная энергия никогда не найдет своего применения. Переосмыслить свое отношение к энергии, заключенной в ядре атома, специалистам удалось в 1939 году, когда немецкие ученые Лиза Мейтнер и Отто Ган обнаружили, что ядра урана при облучении их нейтронами делятся на две части с выделением огромного количества энергии — ядерной энергии.
И лишь после этого последнего звенья ряда фундаментальных исследований в игру вступила прикладная наука, которая на основе этих открытий изобрела устройство для получения ядерной энергии – атомный реактор. Масштаб открытия можно оценить, ознакомившись с долей выработки электроэнергии атомными реакторами. Так в Украине, например, на АЭС выпадает 56% выработки электроэнергии, а во Франции и вовсе – 76%.
Все новые технологии основываются на тех или иных фундаментальных знаниях. Приведем еще пару кратких примеров:
- В 1895-м году Вильгельм Конрад Рентген заметил, что под действием рентгеновского излучения фотопластинка затемняется. Сегодня рентгенография – одно из наиболее применяемых исследований в медицине, позволяющая изучить состояние внутренних органов и обнаружить инфекции и опухали.
- В 1915-м году Альберт Эйнштейн предложил свою Общую теорию относительности. Сегодня эта теория учитывается при работе GPS спутников, которые определяют местоположение объекта с точностью до пары метров. GPS применяется в сотовой связи, картографии, мониторинге транспорта, но в первую очередь – в навигации. Погрешность спутника, не учитывающего ОТО, с момента запуска росла бы на 10 километров в день! И если пешеход может воспользоваться разумом и бумажной картой, то пилоты авиалайнера попадут в затруднительную ситуацию, так как ориентироваться по облакам – невозможно.
Схема работы спутника с учетом ОТО
Если сегодня практическое применение открытиям, произошедшим на LHC еще не найдено – это не значит, что ученые «возятся на коллайдере зря». Как известно, человек разумный всегда намеревается получить максимум практического применения из имеющихся знаний, а потому знания о природе, накопленные в процессе исследования на БАК, определенно найдут свое применение, рано или поздно. Как уже было продемонстрировано выше – связь фундаментальных открытий и использующих их технологий иногда может быть совсем не очевидна.
Напоследок, отметим так называемые косвенные открытия, которые не ставятся как изначальные цели исследования. Они встречаются довольно часто, так как для совершения фундаментального открытия, обычно, требуется внедрение и использование новых технологий. Так развитие оптики получило толчок от фундаментальных исследований космоса, строящихся на наблюдениях астрономов через телескоп. В случае с ЦЕРН – так возникла повсеместно применяемая технология – Интернет, проект, предложенный Тимом Бернерсом-Ли в 1989-м году для облегчения поиска данных организации ЦЕРН.
Почему люди боятся Большого адронного коллайдера
БАК и микроскопические черные дыры
Согласно одной из теорий, во время столкновения протонов на Большом адронном коллайдере могут появиться черные дыры. Если они окажутся стабильными и не распадутся, то попадут в центр Земли, поглотят ее материю и разрушат планету. Начало этим предположениям положил гаваец Уолтер Вагнер — он подал иск с требованием остановить строительство БАК и провести дополнительные тесты, чтобы доказать безопасность установки. После суда стали переживать и остальные. Так, группа неизвестных угрожала расправой ученым, которые работали над БАК.
Но устрашающий сценарий невозможен. То, что происходит в БАК, также происходит в природе, только в гораздо больших масштабах и на огромных мощностях. А значит, микроскопические черные дыры уже давно бы возникли. Кроме того, согласно теории относительности Эйнштейна, микроскопические черные дыры не могут возникнуть на БАК, потому что частицы, которые могли бы их образовывать, моментально распадаются.
Футурология
Черные дыры: почему они черные, как их находят и при чем здесь квазары
Анатолий Сидорин:
«Если микроскопические черные дыры найдут на Большом адронном коллайдере, это будет революция в науке. Какова их судьба? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить механизм Хокинга, описывающий принцип испарения черной дыры: чем меньше масса черной дыры, тем быстрее она исчезает. Микроскопическая черная дыра будет жить микроскопическое время — после появления она тут же испарится».
БАК и страпельки
Последователи другой теории предполагают, что во время работы БАК могут появиться страпельки — часть странной материи, которая состоит из странных кварков. Если эти частицы попадут в обычную материю, то начнется цепная реакция и вся планета превратится в комок странной материи, непригодный для жизни.
Осложняется все тем, что странная материя до сих пор плохо изучена и никто из ученых не может сказать, как она себя поведет (отсюда и ее название).
Однако многолетние эксперименты показали, что за все время работы БАК в нем не возникло ни одной страпельки. Найти эти части пытались и физики из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке на другом коллайдере, но поиски, которые начались еще в 2000 году, на сегодняшний день не дали результатов.
БАК и магнитные монополи
Магнитные монополи — гипотетически существующие частицы с одним магнитным зарядом: либо северным, либо южным. Согласно некоторым теориям, если эти элементы действительно существуют, они могут вызвать распад протонов — одних из основных частиц материи — и, как следствие, разрушение материи и мира.
Люди опасаются, что в БАК могут производиться магнитные монополи. Но это не так: специалисты ЦЕРН доказали, что если монополи и существуют, они имеют слишком большую массу — даже для БАК. Но даже имея подходящий для ускорителя вес, они уже давно бы появились: космические лучи, попадающие в атмосферу Земли, произвели бы их намного раньше.
Футурология
Загадочные частицы: что ученые знают о космических лучах
Анатолий Сидорин:
«Мифы о Большом адронном коллайдере возникают из-за гипертрофированного антропоцентризма. Многие думают, что человек — самая мощная сила на планете, и он может уничтожить планету. На самом деле это не так.
Все ускорители, которые работают на текущий момент, производят в тысячи, если не в миллионы раз меньше событий, чем космическое излучение, падающее на Землю. Все, что делают коллайдеры, происходит со значительно большей частотой в течение всего времени существования планеты в атмосфере и на поверхности земли.
Поэтому все мифы о том, что во время работы коллайдера может возникнуть что-то, что уничтожит землю, — это просто переоценка возможностей человечества, оно не обладает такими способностями».
Физические силы и Стандартная модель
Достоверно известны четыре фундаментальные типа взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Эти силы природы управляют всем во Вселенной, от микромира до галактик.
Стандартная модель описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие элементарных частиц. Это самая подтвержденная теория, хотя не учитывает гравитацию, а также не охватывает темную энергию и материю.
В Стандартной модели есть два вида частиц: фермионы, образующие строительные блоки материи, и бозоны, управляющие взаимодействиями и заставляющие фермионы собираться вместе или, наоборот, разлетаться в разные стороны. На этом основаны все природные процессы — от ядерного распада до преломления света, включая химические реакции.
Кварки, из которых построены протоны и нейтроны, — это фермионы. Они бывают шести видов, или, как говорят физики, «ароматов». Каждому соответствует античастица с противоположными квантовыми числами. Мезоны — это нестабильные частицы из равного числа кварков и антикварков. Кроме того, к фермионам относятся лептоны: электроны, мюоны, тау-лептоны, а также нейтрино.
Изучая кварки, физики выяснили, что они группируются в три поколения, различающиеся только массой. Так же ведут себя лептоны.
Классификация элементарных частиц в соответствии со Стандартной моделью
Как работает Большой адронный коллайдер?
Что такое Большой адронный коллайдер и как он работает – основные вопросы, интересующие общественность. Рассмотрим эти вопросы далее.
Коллайдер (collider) – в переводе с английского означает «тот, кто сталкивает». Задача такой установки состоит в столкновении частиц. В случае с адроннмы коллайдером, в роли частиц выступают адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Таковыми являются протоны.
Получение протонов
Долгий путь протонов берет свое начало в дуоплазматроне – первой ступени ускорителя, куда поступает водород в виде газа. Дуоплазматрон представляет собой разрядную камеру, где через газ проводится электрический разряд. Так водород, состоящий всего из одного электрона и одного протона, теряет свой электрон. Таким образом образуется плазма – вещество, состоящее из заряженных частиц – протонов. Конечно, получить чистую протонную плазму сложно, поэтому далее образованная плазма, включающая также облако молекулярных ионов и электронов, проходит фильтрацию для выделения облака протонов. Под действием магнитов протонная плазма сбивается в пучок.
Физик Детлеф Кюхлер измеряет положение печи внутри источника ионов
Предварительный разгон частиц
Новообразованный пучок протонов начинает свой путь в линейном ускорителе LINAC 2, который представляет собой 30-тиметровое кольцо, последовательно увешенное несколькими полыми цилиндрическими электродами (проводниками). Создаваемое внутри ускорителя электростатическое поле градуировано таким образом, что частицы между полыми цилиндрами всегда испытывают ускоряющую силу в направлении следующего электрода. Не углубляясь целиком в механизм разгона протонов на данном этапе, отметим лишь, что на выходе с LINAC 2 физики получают пучок протонов с энергией 50 МэВ, которые уже достигают 31% скорости света. Примечательно, что при этом масса частиц возрастает на 5%.
Линейный ускоритель LINAC 2
К 2019-2020-му году планируется замена LINAC 2 на LINAC 4, который будет разгонять протоны до 160 МэВ.
Стоит отметить, что на коллайдере также разгоняют ионы свинца, которые позволят изучить кварк-глюонную плазму. Их разгоняют в кольце LINAC 3, аналогичном LINAC 2. В дальнейшем также планируются эксперименты с аргоном и ксеноном.
Далее пакеты протонов поступают в протон-синхронный бустер (PSB). Он состоит из четырех наложенных колец диаметром 50 метров, в которых располагаются электромагнитные резонаторы. Создаваемое ими электромагнитное поле имеет высокую напряженность, и проходящая через него частица получает ускорение в результате разности потенциалов поля. Так спустя всего 1,2 секунды частицы разгоняются в PSB до 91% скорости света и достигают энергии в 1,4 ГэВ, после чего поступают в протонный-синхротрон (PS). Диаметр PS составляет 628 метров и оснащен 27 магнитами, направляющими пучок частиц по круговой орбите. Здесь частиц протоны достигают 26 ГэВ.
Протонный-синхротрон (PS)
Предпоследним кольцом для разгона протонов служит Суперпротонный-синхротрон (SPS), длина окружности которого достигает 7 километров. Будучи оснащенным 1317-ю магнитами SPS разгоняет частицы до энергии в 450 ГэВ. Спустя примерно 20 минут пучок протонов попадает в основное кольцо – Большой адронный коллайдер (LHC).
Суперпротонный-синхротрон (SPS)
Разгон и столкновение частиц в LHC
Переходы между кольцами ускорителей происходят посредством электромагнитных полей, создаваемых мощными магнитами. Основное кольцо коллайдеро состоит из двух параллельных линий, в которых частицы движутся по кольцевой орбите в противоположном направлении. За сохранение круговой траектории частиц и направление их в точки столкновения отвечают около 10 000 магнитов, масса некоторых из них достигает 27 тонн. Во избежание перегрева магнитов используется контур гелия-4, по которому протекает примерно 96 тонн вещества при температуре -271,25 ° С (1,9 К). Протоны достигают энергии в 6,5 ТэВ (то есть энергия столкновения – 13 ТэВ), при этом их скорость на 11 км/ч меньше скорости света. Таким образом за секунду пучок протонов проходит большое кольцо коллайдера 11 000 раз. Прежде, чем произойдет столкновение частиц, они будут циркулировать по кольцу от 5 до 24 часов.
Схема ускорителей LHC
Столкновение частиц происходит в четырех точках основного кольца LHC, в которых располагаются четыре детектора: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb.
Детектор LHCb
Тот факт, что два b-адрона преимущественно рождаются в одном переднем конусе, используется в схеме детектора LHCb. Детектор LHCb представляет собой одноплечий передний спектрометр с полярным угловым охватом от 10 до 300 миллирадиан (мрад) по горизонтали и 250 мрад в вертикальной плоскости. Асимметрия между горизонтальной и вертикальной плоскости определяется большим дипольным магнитом с основным компонентом поля в вертикальном направлении.
Логотип коллаборации LHCb
Подсистемы
Вершинный локатор (VELO) построен вокруг области взаимодействия протонов. Он используется для измерения траекторий частиц вблизи точки взаимодействия, чтобы точно разделить первичные и вторичные вершины.
Детектор работает на расстоянии 7 миллиметров (0,28 дюйма) от луча LHC. Это подразумевает огромный поток частиц; VELO был разработан, чтобы выдерживать интегральную плотность энергии более 10 14 п / см 2 в год в течение примерно трех лет. Детектор работает в вакууме и охлаждается приблизительно до -25 ° C (-13 ° F) с помощью двухфазной системы CO 2 . Данные детектора VELO усиливаются и считываются ASIC Beetle .
ВЕЛО
Детектор РИЧ-1 ( кольцевой черенковский детектор ) расположен сразу после вершинного детектора. Он используется для идентификации треков с низким импульсом .
Основная система слежения размещается до и после дипольного магнита. Он используется для восстановления траекторий заряженных частиц и измерения их импульсов. Трекер состоит из трех субдетекторов:
- Tracker Turicensis, кремниевый полосовой детектор, расположенный перед дипольным магнитом LHCb.
- Внешний трекер. Детектор на основе соломенной трубки, расположенный после дипольного магнита, закрывающий внешнюю часть приемной части детектора.
- Inner Tracker, детектор на основе кремниевой ленты, расположенный после дипольного магнита, закрывающий внутреннюю часть приемного устройства детектора.
Следом за системой слежения идет РИЧ-2. Это позволяет идентифицировать тип частиц треков с большим импульсом.
В электромагнитных и адронных калориметров обеспечивают измерения энергии от электронов , фотонов и адронов . Эти измерения используются на уровне запуска для идентификации частиц с большим поперечным импульсом (частицы с высоким содержанием Pt).
Система мюонов используется для идентификации и запуска на мюонов в событиях.
Обновление LHCb (2019–2021 гг.)
В конце 2018 года LHC был остановлен на модернизацию, а перезапуск в настоящее время запланирован на начало 2022 года. Что касается детектора LHCb, то почти все субдетекторы должны быть модернизированы или заменены. Он получит полностью новую систему слежения, состоящую из модернизированного локатора вершин, восходящего трекера (UT) и сцинтилляционного оптоволоконного трекера (SciFi). Детекторы RICH также будут обновлены, как и вся электроника детектора. Однако наиболее важным изменением является переключение на полностью программный триггер эксперимента, что означает, что каждое зарегистрированное столкновение будет анализироваться сложными программами без промежуточного этапа аппаратной фильтрации (который в прошлом считался узким местом).