Как известно любому, у кого есть ящик для мусора, уследить за крошечными кусочками однодневки сложно. Вы клянетесь, что у вас были канцелярские кнопки - их же надо куда-то засунуть, да? Вместе с клеем? Или они в той большой коробке с канцелярскими принадлежностями, в которой также есть несколько случайных частей старого телевизионного оборудования, плюс машинки для стрижки, которыми вы стригете собак каждое лето? И да, все фотографии с твоей свадьбы тоже в этой коробке. Может быть, вы бы лучше следили за ними, если бы они были в ящике для мусора? Они идут.
Разбираясь со всем этим беспорядочным беспорядком, вы можете проникнуться симпатией к физикам из Европейской организации ядерных исследований. (Которое сокращено до CERN из-за запутанного поворота событий, связанного с переводом с французского на английский.) Ученые ЦЕРНа - умные девчонки и парни, которые управляют Большим адронным коллайдером, который мы сократим до гораздо более практичного БАК. БАК - это большой ускоритель частиц, расположенный глубоко под швейцарской сельской местностью, где физики подтвердили существование бозона Хиггса, субатомной частицы, которая позволила ученым лучше понять, как материя набирает массу во Вселенной.
Ключевое слово здесь "субатомный". Сказать, что ученые в ЦЕРН изучают вещи в малом масштабе, значит сильно преуменьшить. Они не только наблюдают, как два протона - сами субатомные частицы - сталкиваются друг с другом, но и пытаются нанести на карту субатомные обломки, которые разлетаются, когда это происходит. Для непосвященных это может показаться просто ящиком для мусора крошечных, крошечных, быстро движущихся частиц, которые, помимо того, что они такие маленькие, распадаются почти быстрее, чем вы можете их обнаружить.
Давайте пройдемся по всему процессу разлета-разложения, чтобы получить представление о том, за чем должны следить ученые. На БАК протоны мчатся по кругу почти со скоростью света. И они не просто готовы быть застегнуты в любой момент. Ученые из ЦЕРНа должны доставить пучок протонов в БАК, направив газообразный водород в дуоплазматрон, который отделяет электроны от атомов водорода, оставляя только протоны.
Протоны входят в LINAC 2, первый ускоритель LHC. LINAC 2 - это линейный ускоритель, который использует электромагнитные поля, чтобы толкать и притягивать протоны, заставляя их ускоряться. Пройдя это первое ускорение, протоны уже движутся со скоростью 1/3 скорости света.
Затем они попадают в протонный синхротронный ускоритель, который состоит из четырех колец. Отдельные группы протонов мчатся вокруг каждого из них, при этом ускоряясь электрическими импульсами и управляясь магнитами. На данный момент они движутся со скоростью 91,6 процента скорости света, и каждая группа протонов сжимается ближе друг к другу.
Наконец, их забрасывают в протонный синхротрон - теперь уже более концентрированной группой. В протонном синхротроне протоны циркулируют по 2060-футовому (628-метровому) кольцу со скоростью около 1,2 секунды за круг и достигают более 99,9% скорости света. Именно в этот момент они действительно не могут стать намного быстрее; вместо этого протоны начинают увеличиваться в массе и становятся тяжелее. Они входят в превосходно названный суперпротонный синхротрон, 4-мильное (7-километровое) кольцо, где они ускоряются еще больше (что делает их еще тяжелее), чтобы быть готовыми к выстрелу в лучевые трубы. БАК.
В БАК есть две вакуумные трубы; у одного пучок протонов движется в одну сторону, а у другого - в противоположном. Однако с четырех сторон 16,5-мильного (27-километрового) БАК есть детекторная камера, где лучи могут пересекаться друг с другом - и именно здесь происходит волшебство столкновения частиц. Это, наконец, наш ящик субатомного беспорядка.
" Забавно", - подумаете вы. «Это крутая история об ускорении частиц, братан. Но как физики узнают, куда частицы летят в ускорителе? И как, черт возьми, они могут отслеживать столкновения обломков, чтобы изучать их?»
Магниты, йоу. Ответ всегда магниты.
Честно говоря, это всего лишь ответ на первый вопрос. (Ко второму мы вернемся через секунду.) Но на самом деле гигантские холодные магниты не дают частицам двигаться в неправильном направлении. Магниты становятся сверхпроводниками при очень низкой температуре - мы говорим о более низкой температуре, чем в открытом космосе. Сверхпроводящие магниты создают сильное магнитное поле, направляющее частицы вокруг БАК и, в конечном итоге, друг в друга.
Что подводит нас к следующему вопросу. Как ученые отслеживают частицы, образовавшиеся в результате столкновения? Слово «след» фактически становится важным словом в нашем объяснении. Как вы понимаете, физики не просто смотрят телевизор с большим экраном, переключаясь между показом протонных фейерверков и повторами «Звездного пути». Когда они наблюдают за гонками протонов и столкновениями, ученые в основном наблюдают за данными. (Не Данные.) Частицы, которые они «отслеживают» после столкновений, на самом деле не более чем следы данных, которые они могут анализировать.
Один из детекторов на самом деле называется устройством слежения, и он действительно позволяет физикам «видеть» траекторию движения частиц после столкновения. Конечно, то, что они видят, - это графическое представление траектории движения частицы. Когда частицы движутся через устройство слежения, электрические сигналы записываются, а затем переводятся в компьютерную модель. Калориметрические детекторы также останавливают и поглощают частицу для измерения ее энергии, а излучение также используется для дальнейшего измерения ее энергии и массы, таким образом сужая идентичность конкретной частицы.
По сути, именно так ученые смогли отслеживать и улавливать частицы во время и после процесса ускорения и столкновения, когда БАК совершил свой последний запуск. Одна проблема, однако, заключалась в том, что при таком количестве столкновений в секунду - мы говорим о миллиардах - не все столкновения протонов были на самом деле такими уж интересными. Ученым нужно было найти способ отделить полезные столкновения от скучных. Вот тут-то и появляются детекторы: они обнаруживают частицы, которые выглядят интересно, а затем пропускают их через алгоритм, чтобы увидеть, заслуживают ли они более пристального внимания. Если они нуждаются в более тщательном изучении, этим занимаются ученые.
Когда БАК снова включится в 2015 году, будет еще больше столкновений, чем раньше (и вдвое больше энергии столкновения). Когда это произойдет, система, которая вызывает у физиков флаг «Эй, посмотри на это», получит обновление: будет сделан более точный выбор, чтобы пройти первый этап, а затем все эти события будут полностью проанализированы..
Итак, следите за обновлениями, чтобы узнать больше о том, как физики отслеживают частицы в БАК; там все может меняться почти со скоростью света.
Примечание автора: как они отслеживают частицы в БАК?
Слава богу, протоны - в отличие от мышей или крыс других научных экспериментов - не нужно кормить и поить. Будут ли миллиарды столкновений в секунду, физика элементарных частиц получит приз за наибольшее количество собранных данных с наименьшим количеством сыра, полученным в качестве награды.