Большой адронный коллайдер – самый мощный ускоритель элементарных частиц в мире – вступил в новую стадию своей работы, сообщает пресс-служба Европейской организации ядерных исследований (CERN). В течение полугода после запуска гигантского прибора в конце марта в нем сталкивали пучки протонов. Теперь пришла очередь «тяжелой артиллерии» — ядер свинца, для изучения столкновений которых специально приспособлен один из четырех больших детекторов БАК – ALICE (A Large Ion Collider Experiment).
Почему свинец?
Конечно, совершенно обоснованным будет сказать, что
и протоны, и ядра свинца в БАК сталкивают, чтобы «изучить первые минуты жизни Вселенной после Большого взрыва».
Однако между двумя программами работы ускорителя есть значительная разница.
Начнем с того, что предположение о том, что когда-то Вселенная была гораздо меньше в размерах, происходит из современных наблюдений постоянного ее расширения. Согласно закону сохранения энергии, это значит, что в прошлом она была еще и гораздо горячее. Значит, частицы в ней двигались в среднем быстрее и сталкивались друг с другом на более высоких энергиях.
При повышении энергии сталкивающихся частиц изменяются наблюдаемые физические эффекты. Например, при определенных энергиях атомы сталкивались, выбивая друг из друга электроны, то есть переходя в форму заряженных частиц – ионов. Этот процесс, по оценкам ученых, закончился за 400 тысяч лет: столько времени понадобилось Вселенной после Большого взрыва, чтобы достаточно «остыть». До этого все вещество было ионизированным, то есть находилось в состоянии плазмы. Сейчас искусственно созданная плазма «живет» в флуоресцентных плазменных лампочках.
Однако физиков интересует и то, что было раньше: как выглядела Вселенная через несколько минут после Взрыва, когда она была совсем «маленькой», а энергии частиц были поистине гигантскими. Элементарные частицы не могли объединяться в ядра, протоны и нейтроны существовали отдельно. Такие энергии, например, нужны для запуска процесса ядерного синтеза – этого пытаются добиться физики международного проекта термоядерного реактора (ITER).
Самая «молодая» Вселенная (около 0,00000000001 секунды после Большого взрыва) была еще интереснее и необычнее. Даже протоны и нейтроны еще «не собрались» из составляющих их кварков и глюонов. Вся материя находилась в состоянии, названном «кварк-глюонная плазма». Именно это состояние изучает БАК и особенно его эксперимент ALICE.
Изучение кварк-глюонной плазмы может пролить свет на природу так называемого сильного взаимодействия, за счет которого кварки и глюоны объединяются в протоны и нейтроны.
Зачем же нужны другие детекторы, изучающие протон-протонные столкновения? Дело в том, что с их помощью физики добиваются еще более высокой энергии, когда так называемое слабое взаимодействие достигает силы, равной электромагнитному взаимодействию. При таких энергиях, надеются ученые, можно обнаружить свободный бозон Хиггса – «божественную частицу», ответственную за возникновение массы во Вселенной. Эти эксперименты моделируют время, максимально приближенное к Большому взрыву – 10-34 секунды после него.
Соответственно, разные научные эксперименты изучают поведение частиц в разных интервалах энергии, фактически представляющих собой разные периоды существования Вселенной. Вступив в новый цикл работ (перейдя от протонных столкновений к ионам свинца), БАК перешел от моделирования периода 10-34 секунды после Большого взрыва к периоду 10-11 секунды после него.
Промежуточные итоги
С момента первого запуска БАК на энергии в 7 ТэВ (напомним, это лишь половина проектной энергии ускорителя) физикам удалось успешно решить все важные задачи, запланированные на первый год работы БАК. Самой важной из них пока была задача технического характера – увеличить светимость, то есть количество частиц в пучке, до 1032 на один квадратный сантиметр в секунду. Эта цель была достигнута 13 октября. Еще две недели проводился ускоренный набор данных (понятно, что чем больше частиц сталкиваются, тем больше «событий» получается регистрировать). В результате за несколько дней ученым удалось удвоить объем собранной информации.
«Задача, которую мы поставили на этот год, была реалистичной, но сложной. Очень радостно видеть, что нам удалось ее решить. Это стало проверкой конструкции коллайдера, а также проверкой для нас, коллектива ученых CERN. Теперь мы с новыми силами и уверенностью перейдем к задачам пуска 2011 года», — отметил генеральный директор CERN Рольф Хойер.
В 2011 году БАК перейдет непосредственно к решению научных задач: нужно будет накопить достаточно информации, чтобы перейти в новую фазу современной физики частиц, сдвинуть «передний край» этой науки.
Уже на данном этапе физики получили важные научные результаты. Первые же измерения на рекордной энергии столкновений в 7 ТэВ (3,5 ТэВ на пучок протонов) позволили проверить постулаты Стандартной модели – главной теории физики частиц. Ученые экспериментально подтвердили, что она работает и на таких энергиях. Впервые в протон-протонных столкновениях удалось наблюдать топ-кварк, обнаружены новые эффекты протон-протонных столкновений.
«Успех наших программ не в последнюю очередь связан с эффективной работой всемирной системы сохранения и распределения информации Grid», — подчеркивает Серджио Бертолуччи, директор по исследованиям и моделированиям CERN.
Система Grid объединяет расчетные мощности 140 независимых компьютерных центров в 34 странах мира (несколько находятся в России). Всего она решает до миллиона независимых расчетных задач в день, сотни физиков проводят с ее помощью анализ данных. Данные обрабатываются и передаются с огромной скоростью – до 10 гигабайт в секунду. Сбор данных столкновений ядер свинца – новый вызов для Grid. Дело в том, что каждое ядро свинца содержит 82 протона и от 122 до 126 нейтронов, поэтому объем информации, получаемой при столкновении таких тяжелых ядер, будет значительно больше, чем при протон-протонных столкновениях.
БАК продолжит работать с пучком ядер свинца до 6 декабря, затем он будет в плановом порядке остановлен. Работа возобновится столкновениями протонов в следующем феврале и будет продолжаться весь год.