Помните, когда в 2008 году впервые был запущен Большой адронный коллайдер - массивный ускоритель частиц, расположенный глубоко под землей в пасторальной сельской местности Швейцарии? Помните, как он уничтожил всю нашу вселенную, создав черную дыру, которая проглотила нас целиком и втянула прямо в апокалипсис?
Или, возможно, вы этого не помните.
Возможно, вы думаете о том времени, когда БАК был запущен в результате непрекращающейся шумихи о том, как он может уничтожить планету. Но потом началось, и ты съел бутерброд с индейкой на обед и в тот же день получил штраф за парковку. Мир, казалось, продолжался.
Итак, давайте уберем одну вещь, прежде чем погрузиться в захватывающий мир столкновений частиц: так же, как первый день первого луча был для типичного нефизика, они не такие захватывающие.
Теперь, прежде чем вы, кабинетные физики и настоящие физики, разозлитесь, давайте признаем, что, конечно же, столкновения частиц захватывают на фундаментальном, универсальном уровне. Столкновения частиц для физиков эквивалентны тому, чтобы схватить Вселенную и ударить ее по голове, спрашивая, включена ли эта штука. Изучая столкновения частиц, мы можем оценить не только то, что могло произойти сразу после рождения нашей Вселенной, но и судить о том, как функционируют и взаимодействуют первичные частицы материи.
Другими словами: это большое дело.
И еще. Несмотря на все разговоры об ускорении и столкновении, о протонах, движущихся почти со скоростью света, о столкновениях столь грандиозных, что люди думали, что они разорвут нас всех в клочья, то, что на самом деле видят ученые, не имеет ничего общего с последними 30 огненными взрывами., разрушительные минуты вашего типичного летнего блокбастера. Даже если принять во внимание, что когда эта штука включена, происходит 600 миллионов столкновений в секунду.
Это не просто кульминация всей этой болтовни о конце света, которая не увенчалась успехом. То, что физики видят, когда сталкиваются протоны, оказывается данными.
Честно говоря, данных очень много. Хотя было бы здорово, если бы физики смотрели на экран, показывающий, как протоны взрываются, как фейерверки, - подсвеченные надписями вроде «мюон!» или "Хиггс!" чтобы легко идентифицировать себя - это действительно числа и графические представления, собранные детекторами, которые «показывают» физикам, что происходит во время столкновений.
Физики ищут много разных данных при изучении столкновений частиц. Это означает, что существует не только один сигнал для наблюдения или даже только один тип детектора для измерения. Вместо этого они полагаются на несколько различных типов детекторов, которые дают им подсказки о том, что они наблюдают.
Во-первых, они смотрят, куда летят частицы, образующиеся при столкновении протонов. Устройство слежения может немедленно сообщить им несколько вещей, таких как заряд частицы (положительный будет искривляться в одну сторону, отрицательный - в другую) или импульс частицы (большой импульс движется по прямой линии, низкий - по спиралям). Теперь помните, они не смотрят на фактический путь частицы. Вместо этого они смотрят на электрические сигналы, записанные компьютером, которые можно представить в виде графика пути.
Устройство слежения не улавливает нейтральные частицы, поэтому вместо этого они идентифицируются в калориметре. Калориметр измеряет энергию, когда частицы останавливаются и поглощаются. Ты можешь сказать физикам довольно конкретные вещи, поскольку один тип калориметра измеряет электроны и фотоны, а другой - протоны и пионы. Обнаружение излучения также измеряет скорость частиц. Физики изучают все эти маленькие идентификаторы, чтобы определить, что происходит с частицами во время и вскоре после столкновения.
Все эти инструменты и доказательства, которые они собирают, - это то, за чем наблюдают ученые, чтобы определить, что произошло во время столкновения. После этого пришло время исследовать любые странные или важные результаты, с которыми они столкнутся. Хорошим примером этого было открытие бозона Хиггса, крошечной частицы, которая пронизывает Вселенную, добавляя частицам массу. Физики изучили наборы данных о столкновениях, чтобы увидеть, выбрасывает ли поле Хиггса лишнюю частицу (бозон Хиггса) при столкновении двух протонов. Идея была похожа на наблюдение за двумя потоками воды, змеящимися на песчаном пляже: каждый поток сам по себе может плавно течь по песку, но если они внезапно столкнутся, песчинка может подняться.
Эта песчинка не была вспышкой на экране. Вместо этого были тщательно нанесены данные, собранные из многочисленных столкновений. Эти числа были в определенной степени математическими вероятностями. Другие эксперименты определили, где нам нужно искать, чтобы найти массовый эквивалент (и, следовательно, существование) бозона Хиггса.
Ученые также знали, что если бозон Хиггса существует, он должен действовать определенным образом (например, распадаться на другие частицы). Поэтому, когда они увидели избыток событий сверх того, что было предсказано на графике данных, они были взволнованы - и они могли начать судить, был ли сигнал, который они видели в данных, чем-то новым. В случае с бозоном Хиггса это было.
Нет, физики элементарных частиц не могут увидеть черные дыры или даже мини-Большие взрывы, когда происходят столкновения. Вместо этого они видят свидетельство того, что определенные частицы оторвались во время столкновения, и данные, указывающие на то, что то, что они видели, было частью более крупной предсказуемой модели - или, если им еще повезет, совершенно новым путем открытия.
Примечание автора: что видят физики элементарных частиц, когда происходят столкновения?
Хотя было бы здорово просто увидеть удивительное «столкновение» на экране, а затем наблюдать за появлением неоново-зеленой частицы, которую никогда раньше не замечали, не сбрасывайте со счетов, насколько захватывающим это должно быть для физиков частиц в реальности. Получение целой кучи данных, указывающих на что-то впечатляющее, само по себе должно быть захватывающим, даже если это не означает, что частица машет вам рукой на большом экране.