Коллайдер: Перезагрузка

Самый сложный, дорогой и известный инструмент физики элементарных частиц вновь начал работу после двухлетнего перерыва. Ученые надеются, что со второй попытки Большой адронный коллайдер достигнет своей главной цели: найдет трещины в железобетонном здании современной теории элементарных частиц и откроет что-то совершенно новое.

По крайней мере,

все технические усовершенствования коллайдера, нынешние и будущие, нацелены на достижение именно этой цели. Напомним, что первый полноценный сеанс работы коллайдера (LHC Run 1) состоялся в 2010-2012 годах. Затем последовали два года техобслуживания и модернизации, и сейчас, обновленный и возмужавший, он готовится к следующему сеансу работы (LHC Run 2), который продлится до конца 2018 года. Что же изменилось за прошедшие два года?

Если сказать совсем кратко, то коллайдер стал сильнее, напористее, и прозорливей. Энергия протонов выросла с 4 ТэВ до 6,5 ТэВ (тераэлектронвольт); суммарная энергия столкновения двух протонов — с 8 ТэВ до 13 ТэВ. В столкновениях теперь смогут рождаться более тяжелые частицы, до которых во время сеанса Run 1 коллайдер не «добивал». Но главное даже не это: умеренно тяжелые частицы, которые, в принципе, были доступны и раньше, теперь будут рождаться намного чаще.

Протонные пучки станут интенсивнее и будут еще плотнее сфокусированы в местах столкновений. Это значит, что каждую секунду в коллайдере будет происходить еще больше интересных событий. Интенсивность столкновений в ускорителях называется светимостью; условно говоря, она показывает, сколько по-настоящему полезных данных накопится на коллайдере за год. Ожидается, что в сеансе Run 2 будет записано и проанализировано примерно в 5 раз больше столкновений, чем сейчас.

Протоны в пучке летят не сплошным потоком, а организованы в компактные сгустки. Слишком большая концентрация протонов в каждом сгустке вредна: отдельные, никак не связанные друг с другом столкновения протонов накладываются друг на друга и сбивают с толку детектор. Во время сеанса Run 1 cгустки протонов следовали друг за другом с интервалом 50 наносекунд. Сейчас этот интервал уменьшится до 25 наносекунд, что позволит распределить протоны чуть более равномерно и упростить анализ столкновений.

Обновленные детекторы станут еще надежнее, параметры родившихся частиц будут измеряться еще точнее, погрешности уменьшатся, а сами физики возьмут на вооружение те методы анализа данных, которые они наработали за прошедшие годы. Все это позволит разглядеть еще более тонкие свойства взаимодействий элементарных частиц.

Физика на LHC: что ждать от нового этапа

Публика жаждет громких открытий с места в карьер. Увы, в современной экспериментальной физике частиц это невозможно. Чтобы быть уверенным, что вы открыли что-то новое, ранее неизвестное, надо сначала убедиться, что все уже известное воспроизводится в установке корректно и с заявленной точностью. Этот этап работы коллайдера условно называется «переоткрытие Стандартной модели»: то, что в прошлом веке заняло десятки лет, теперь должно уместиться в считанные недели.

Что касается поиска Новой физики, нужно сначала рассказать о его контексте. В физике частиц сложилась такая упрощенная классификация теорий:

Есть Стандартная модель — современная картина элементарных частиц, которая была построена полвека назад и проверена в тысячах экспериментов. Все измерения с обескураживающей точностью согласуются с теоретическими расчетами, по крайней мере в тех вещах, которые хорошо вычисляются теоретически. Все, что находится за пределами Стандартной модели, называется «Новая физика».

Есть суперсимметричные теории — огромный пласт теоретических работ, в которых главную роль играет новая, очень привлекательная, но пока не подтвержденная экспериментально идея о суперсимметрии нашего мира на сверхмалых расстояниях. Эти теории предсказывают фейерверк новых частиц и эффектов, но, к сожалению, не могут сказать точно, насколько тяжелы эти частицы и какая энергия требуется для их открытия.

Есть консервативная Новая физика — это разные модели, в которых не постулируется ничего кардинального нового, а просто слегка расширяется набор частиц по сравнению со Стандартной моделью, например, добавляется побольше хиггсовских бозонов.

И, наконец, есть многочисленные теории разного рода сложности и необычности, которые коллективно называются «экзотикой». Таких теорий — тьма. Некоторые из них предсказывают совершенно новые типы частиц или сил, действующих между частицами, другие обещают рождение на коллайдере частиц темной материи, а иные даже покушаются на устройство пространства-времени и предсказывают эффекты сильной гравитации, вплоть до рождения и взрыва микроскопических черных дыр (уточнение для насторожившегося читателя: даже если эти экзотические теории верны, никакой опасности такие черные дыры не представляют).

Самая важная задача Большого адронного коллайдера — да и вообще практически всей современной физики элементарных частиц — это открыть хоть что-нибудь за пределами Стандартной модели, найти Новую физику хоть в каком-то виде. Она существует, это гарантировано: без нее, в рамках одной только Стандартной модели, невозможно объяснить ни темную материю, ни тот дисбаланс между частицами и античастицами, который возник еще в ранней Вселенной и благодаря которому все звезды и планеты состоят только из вещества, а не антивещества. Но какова эта Новая физика и как ее найти — пока неизвестно. Каждый новый ускоритель, каждое повышение энергии столкновений — это словно десант на новую, неизведанную территорию, которая может оказаться пустыней, а может — джунглями, полными неизвестных зверей. Никакой гарантии открытий тут нет — но не высадившись, мы не узнаем, что там.

Поиски Новой физики

Экзотику искать легко. Если новые необычные частицы существуют, следы их рождения и распада, как правило, отличаются от обычных процессов Стандартной модели и легко опознаются детектором. К тому же теперь, когда энергия столкновений подросла, увеличивается вероятность родить такие частицы, и чем они тяжелее, тем резче подскакивает эта вероятность (рис. 2). Для гипотетической частицы с массой 1 ТэВ она возрастает в 6 раз, для массы 3 ТэВ — почти 50 раз, для 5 ТэВ — в тысячу раз! Так что не исключено, что такие события «полезут» сразу же, в первые дни или недели работы коллайдера. Но если мы о них не услышим в течение 2015 года, то интерес к ним до поры до времени поутихнет.

Суперсимметрию искать труднее. Из-за изобилия возможностей здесь нет какого-то одного яркого, выдающегося предсказания. Поэтому поиск суперсимметрии — это кропотливая работа по проверке сотен разных комбинаций частиц и по сравнению результатов с предсказаниями Стандартной модели. Кое-что интересное было обнаружено уже во время сеанса Run 1. Сейчас эти поиски возобновятся с новым рвением, но главные результаты — а может быть, сенсации и разочарования — стоит ждать ближе к 2017 году.

Примерно то же относится и к консервативной Новой физике. Новые частицы, даже если они рождаются на коллайдере, будет непросто отличить от обычных частиц. Для того, чтобы сказать новое веское слово, коллайдеру потребуется накопить статистику в несколько раз больше, чем в сеансе Run 1. Основные результаты здесь тоже ожидаются ближе к концу сеанса.

Изучение бозона Хиггса

Открытие бозона Хиггса в 2012 году — это не завершение, а только начало долгого пути. Хиггсовский бозон важен не столько сам по себе, сколько как средство поиска Новой физики. Шутка ли: хиггсовский бозон — это совершенно новый тип материи, после частиц вещества и частиц-переносчиков сил, который теперь стал доступен экспериментальному изучению. Многие теории предсказывают, что именно в свойствах хиггсовского бозона будут легче всего заметны отклонения от Стандартной модели.

Многие характеристики бозона Хиггса были измерены во время первого сезона работы коллайдера. Пожалуй, самое главное направление работы здесь — это доскональное измерение вероятностей всех вариантов распада бозона Хиггса. Эти вероятности очень сильно зависят от устройства хиггсовского сектора, от того, сколько типов хиггсовских бозонов существует и какую роль они играют. На этот счет у Стандартной модели с ее наипростейшим хиггсовским сектором есть очень жесткие предсказания.Тщательное восстановление всей картины рождения и распада бозона Хиггса — это одна из ключевых задач сеанса Run 2.

По результатам сезона Run 1 было опознано пять вариантов распада хиггсовского бозона (рис. 3). Их вероятности измерены с точностью от 20 до 50 процентов. Во время сеанса Run 2 будет произведено и зарегистрировано примерно в десять раз больше хиггсовских бозонов, и погрешности уменьшатся в два-три раза. Станет доступен для измерения еще один тип распада бозона Хиггса — на мюоны. Если в распадах бозона Хиггса в самом деле есть какое-то отклонение от Стандартной модели, оно должно стать более заметным.

В результатах Run 1 обнаружились также две любопытных «аномалии» в свойствах бозона Хиггса. Первая — это распад на мюон и тау-лептон. Обе эти частицы — тяжелые собратья электрона, но это разные собратья. В Стандартной модели, где бозон Хиггса должен распадаться на пару одинаковых частиц, такой распад невозможен. Но последние данные эксперимента CMS показали, что такой распад вроде бы идет с вероятностью чуть меньше процента. Статистическая значимость этого результата невелика, — уж слишком непросто отделять распады бозона Хиггса от других процессов, — поэтому ни о каком настоящем открытии Новой физики тут речи пока не идет. Но если по итогам Run 2 погрешность уменьшится в два раза, а распад будет упорствовать, назреет сенсация.

Второе отклонение касается не распада, а рождения бозона Хиггса. В столкновениях протонов он может рождаться разными способами. Один из них — это когда рождение бозона Хиггса сопровождается парой топ-кварков, самых тяжелых из известных частиц, к которым хиггсовский бозон цепляется исключительно хорошо. Этот процесс измеряется пока не слишком надежно, но уже первые данные дают значение почти втрое больше стандартного. Справедливости ради надо сказать, что такое сильное отклонение видит только CMS, один из двух главных детекторов коллайдера. Его «научный конкурент», детектор ATLAS, пока существенного отклонения не обнаружил. Во время сеанса Run 2 будет зарегистрировано в десятки раз больше таких событий, так что с таким сильным расхождением физики могут разобраться уже в 2016 году.

Cверхредкие распады

Для того, чтобы обнаружить новые тяжелые частицы, необязательно рождать их напрямую. Вызванные ими эффекты можно заметить и по косвенным признакам, например, в распадах каких-нибудь мезонов. Особенно пристальное внимание следует обратить на очень редкие распады, которые по какой-то причине плохо протекают в Стандартной модели, но которые могут заметно усилиться за счет каких-то нестандартных явлений. Эти распады — своеобразная «замочная скважина», сквозь которую можно, подглядывая за природой, обнаружить Новую физику.

Самыми интересными частицами для таких измерений являются B-мезоны, и на Большом адронном коллайдере есть даже специальный детектор LHCb, «заточенный» под их изучение. Обычно они распадаются на другие мезоны, полегче, но в исключительно редких случаях умудряются распасться просто на пару мюонов. Вероятность такого распада в Стандартной модели — миллиардные доли. Чтоб зарегистрировать такой редкий процесс, требуется очень большая статистика: надо сначала породить B-мезоны много миллиардов раз, отследить в каждом случае результаты распада, и найти несколько распадов нужного типа. За ним физики охотились десятки лет, и только в 2013 году он, наконец-то, был обнаружен. Результаты измерения пока не слишком точны, но в них проступают кое-какие намеки на отклонения от Стандартной модели.

C B-мезонами связаны и другие загадочные результаты, которые наблюдаются при их распаде на K-мезон и на электронную или мюонную пару. Три частицы в этом распаде разлетаются не совсем так, как ожидается в Стандартной модели, да и к тому же эти распады почему-то отличаются для электронов и мюонов. Сейчас многие теоретики пытаются разобраться, почему так получается, и помочь им в этом деле смогут новые измерения, которые коллайдер выполнит в ходе нового сезона работы.

Тонкости сильного и слабого взаимодействия

Вообще, список научных задач Большого адронного коллайдера длинный, и далеко не все его пункты звучат как революционные открытия. Тем не менее, все они очень нужны для лучшего понимания того, как устроен и как функционирует мир элементарных частиц. Эти задачи изучались и во время сеанса Run 1, но теперь, благодаря возросшей статистике, измерения станут еще точнее, а последствия для теории — еще более осязаемы.

Вот только два примера таких измерений. Первый касается изучения сильного взаимодействия при высоких температурах (триллионы градусов) и плотностях (несколько ядерных плотностей). Оказывается, в этих условиях ядерная материя превращается в этих условиях в совершенно необычную жидкость, которую не так-то легко описать теоретически. Подходящих условий можно добиться, если разогнать и столкнуть друг с другом не протоны, а тяжелые ядра, — и Большой адронный коллайдер умеет это делать. Ожидается, что ближе к концу 2015 года будет выделен примерно месяц для работы в режиме ядерных столкновений. Такие столкновения проводились и раньше, но сейчас, благодаря повышенной энергии и интенсивности, можно ждать новых результатов.

Второй пример касается слабого взаимодействия, а конкретно — нарушения CP-симметрии. Это очень любопытное явление, которое проявляется только в слабых взаимодействиях и без которого, вообще-то, наша Вселенная не могла бы существовать в привычном виде. Стандартная модель это явление может описать, но не объяснить. Его могут объяснить, с разных позиций, многочисленные теории Новой физики, но для этого это явление надо проверить в как можно большем числе случаев. Детектор LHCb во время сеанса Run 1 уже зарегистрировал несколько новых проявлений CP-нарушения, и в новом сезоне он продолжит этот «квест».

Игорь Иванов