# Как детектор весом в 1000 Биг-Бенов ищет тайны Вселенной?

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=VcsXn63RbX0
Канал: The Royal Institution
Опубликовано: 20.08.2024

---

Детектор CMS на Большом адронном коллайдере является одним из самых сложных инженерных сооружений в истории человечества, созданным для поиска ответов на фундаментальные вопросы об устройстве нашей Вселенной. В своей лекции для The Royal Institution британский физик и популяризатор науки Кэтрин Колдхэм (Kathryn Coldham) подробно рассказывает о принципах работы этого гигантского устройства, истории его создания и будущем физики элементарных частиц. Данный материал раскрывает ключевые аспекты работы CERN, структуру Стандартной модели и амбициозные проекты модернизации ускорителей, рассчитанные на десятилетия вперёд.

## 🌍 От Ист-Лондона до Женевы: история Кэтрин Колдхэм и миссия CERN
[[JUMP:0:14]]
Путь Кэтрин Колдхэм в большую науку начался в рабочем районе Дагенем на востоке Лондона. Впервые она попала в Европейскую организацию по ядерным исследованиям (CERN) в возрасте 17 лет в рамках программы производственной практики. После этого последовало обучение физике в Университете Квин Мэри в Лондоне и более пяти лет непосредственной работы со сложнейшим детектором CMS, включая проведение исследований на базе Принстонского университета.

Организация CERN, чей комплекс зданий и подземных сооружений пересекает франко-швейцарскую границу недалеко от Женевы, была основана в 1954 году. Главной целью создания центра после Второй мировой войны было объединение европейских стран и восстановление разрушенных научных связей для достижения общих технологических целей в области физики элементарных частиц. Первоначально в состав организации входило 12 государств-членов, однако со временем она расширилась до 23 стран, не считая ассоциированных членов и государств-наблюдателей за пределами Европы.

## 🔬 От человеческого волоса до кварка: как устроен микромир
[[JUMP:1:49]]
Физика элементарных частиц изучает тончайшую структуру материи, из которой состоит окружающий мир. Чтобы осознать масштабы этих объектов, Кэтрин Колдхэм предлагает последовательно масштабировать структуру человеческого тела:

* Толщина одного человеческого волоса составляет около 100 микрометров, или одну десятую долю миллиметра.
* На более глубоком уровне волос состоит из клеток, которые, в свою очередь, формируются из макрофибрилл.
* Макрофибриллы состоят из пучков микрофибрилл, те — из протофибрилл, которые образуются из вытянутых кластеров белков, таких как кератин.
* Белок кератин состоит из отдельных атомов, например, углерода и кислорода.

Внутри атома углерода находятся электроны, вращающиеся на своих орбиталях, а в самом центре расположено атомное ядро. Масштабы ядра поражают воображение: если мысленно увеличить весь атом до размеров поля для американского футбола, то его ядро будет размером со среднюю муху в самом центре этого поля. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Диаметр протона составляет всего одну миллионную от миллиардной доли метра ($10^{-15}$ метра). Протоны состоят из субатомных частиц — кварков (конкретно, из двух up-кварков и одного down-кварка). Кварки уникальны тем, что представляют собой фундаментальные элементарные частицы, которые невозможно разделить на более мелкие составляющие.

## 📐 Стандартная модель и фундаментальные взаимодействия
[[JUMP:4:12]]
Для описания всех существующих элементарных частиц и способов их взаимодействия ученые используют Стандартную модель, которая объединяет в себе несколько физических теорий. В эту систему входят:

* Шесть типов кварков: up (верхний), down (нижний), strange (странный), charm (очарованный), top (истинный) и bottom (прелестный).
* Шесть типов лептонов, включая электрон, направленный поток которых обеспечивает существование электрического тока.
* Переносчики фундаментальных взаимодействий, отвечающие за физические силы в природе.

Среди переносчиков сил ключевую роль играет фотон, транспортирующий электромагнитное взаимодействие, которое ответственно за притяжение и отталкивание магнитов, а также за химические связи между атомами. За слабое взаимодействие отвечают W- и Z-бозоны, открытые в CERN в 1983 году и играющие важнейжшую роль в процессах бета-распада. Этот механизм регулирует баланс протонов и нейтронов внутри атомного ядра. Переносчиком сильного ядерного взаимодействия является глюон, который удерживает кварки внутри протонов и нейтронов с колоссальной силой. По словам спикера, сильное ядерное взаимодействие превосходит гравитацию в $10^{38}$ раз (или в сто миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов раз).

## 🚀 Ускорительный комплекс CERN: путь к Большому адронному коллайдеру
[[JUMP:6:31]]
Преодоление таких мощных внутриядерных сил требует огромных энергий, для генерации которых в CERN построен каскад ускорителей. Конечной точкой этого маршрута является Большой адронный коллайдер (БАК) — крупнейший ускоритель частиц в мире. Физики используют специальную единицу измерения энергии — электронвольт. Весь процесс разгона начинается с обычного баллона с водородом. Атомы водорода внутри него лишают электронов, получая чистые протоны для последующего ускорения.

Маршрут протонов внутри ускорительного комплекса состоит из нескольких последовательных этапов:

1.  Линейный ускоритель Linac4, где частицы получают начальный разгон.
2.  Бустер протонного синхротрона (Proton Synchrotron Booster), увеличивающий энергию пучка до 2 гигаэлектронвольт (ГэВ).
3.  Протонный синхротрон (Proton Synchrotron) с длиной окружности чуть более 600 метров, поднимающий энергию частиц в 13 раз — до уровня от 26 ГэВ.
4.  Суперпротонный синхротрон (Super Proton Synchrotron) протяженностью около 7 километров, ускоряющий протоны до 450 ГэВ.

На финальном этапе пучок инжектируется в основное кольцо Большого адронного коллайдера, имеющее длину окружности 27 километров, что сопоставимо с Кольцевой линией Лондонского метрополитена. Здесь протоны разгоняются до скорости, крайне близкой к скорости света, после чего их сталкивают лоб в лоб внутри специальных детекторов. Цель этих столкновений — либо детальное изучение уже известных частиц, либо рождение принципиально новых элементов материи.

## 🏗️ Детектор CMS: гигантский хай-тек на глубине 100 метров
[[JUMP:9:04]]
Одним из двух основных универсальных детекторов БАК является CMS (Компактный мюонный соленоид), расположенный на глубине 100 метров под французской деревней Сисси. Статус универсального прибора означает, что он применяется для исследования широкого спектра физических феноменов. Название детектора расшифровывается через его конструктивные особенности: слово «компактный» отражает колоссальную плотность материала для его размеров, «мюонный» указывает на способность сверхточно регистрировать мюоны, а «соленоид» подчеркивает наличие самого мощного в истории человечества соленоидального магнита.

Габариты детектора CMS можно наглядно представить с помощью сравнения с лондонскими двухэтажными автобусами (даблдекерами):

* Высота прибора составляет 15 метров, что эквивалентно 3,5 поставленным друг на друга автобусам.
* Длина достигает 21 метра (примерно 1,5 длины автобуса).
* Ширина равна 15 метрам (чуть больше ширины одного даблдекера).

Несмотря на относительно скромные размеры, вес CMS огромен и составляет около 14 000 тонн. Для сравнения: знаменитый колокол Биг-Бен весит 13,5 тонн, колесо обозрения «Лондонский глаз» — чуть более 2 000 тонн, а Эйфелева башня в Париже — около 10 000 тонн. Таким образом, CMS по массе равен примерно 1 000 колоколов Биг-Бен.

Строительство этой установки потребовало масштабных подземных работ. Если сам коллайдер БАК задействовал готовые туннели своего предшественника — электрон-позитронного коллайдера LEP, что сэкономило время и средства, то шахту для CMS пришлось копать с нуля. Выемка грунта в точке 0.5 на кольце БАК заняла более 6,5 лет. В результате была создана подземная каверна длиной 57 метров, шириной 27 метров и высотой 24 метра. Все компоненты детектора собирались и тестировались на поверхности Земли, после чего их крайне медленно и осторожно опускали вниз. Весь прибор был разделен на 15 отдельных вертикальных слоев-«ломтиков», что не только облегчило транспортировку, но и упростило последующий доступ инженеров для проведения сервисных работ.

## 🧅 Цилиндрический лук: как слои CMS регистрируют частицы
[[JUMP:16:33]]
По своей структуре CMS напоминает цилиндрический лук, состоящий из множества специализированных слоев. Протоны сталкиваются внутри центральной вакуумной трубы, и продукты реакций разлетаются во всех направлениях, проходя сквозь измерительные системы. Каждый слой выполняет строго определенную задачу по фиксации параметров конкретных типов частиц.

Движение различных частиц внутри детектора подчиняется строгим физическим законам:

* **Электроны** обладают отрицательным электрическим зарядом, поэтому они оставляют цепочку сигналов (хитов) в кремниевом трекере, расположенном ближе всего к трубе, а затем полностью поглощаются в электромагнитном калориметре. Их траектория изгибается под действием магнитного поля.
* **Фотоны**, будучи нейтральными переносчиками электромагнетизма, не оставляют следов в трекере. Они летят по абсолютно прямой траектории, поскольку не имеют массы и движутся со скоростью света, и также поглощаются электромагнитным калориметром. Чем выше импульс и скорость частицы, тем прямее её путь в магнитном поле.
* **Заряженные адроны** (например, положительно заряженные пионы) имеют траекторию с изгибом, противоположным электронам, из-за знака своего заряда. Они проходят сквозь электромагнитный калориметр без поглощения и отдают свою энергию в следующем слое — адронном калориметре.
* **Нейтральные адроны** (например, нейтроны) обладают высоким импульсом, движутся быстро и по прямой линии, финишируя и поглощаясь в адронном калориметре.
* **Мюоны** обладают временем жизни в 2,2 микросекунды (миллионных долей секунды). Они способны без труда пробить насквозь все внутренние слои детектора, изгибаясь в магнитном поле, и регистрируются только на самой периферии — в мюонных камерах.

Каждый из этих слоев устроен уникальным образом. Кремниевый трекер работает на базе полупроводников: пролетающая заряженная частица ионизирует атомы кремния, выбивая электроны, что запускает лавинообразный процесс, считываемый как электрический сигнал благодаря приложенной разности потенциалов. Электромагнитный калориметр (ECAL) состоит из кристаллов вольфрамата свинца ($PbWO_4$): при столкновении частицы с кристаллом возникает сцинтилляционная вспышка света, яркость которой прямо пропорциональна энергии частицы. Адронный калориметр (HCAL) является «выборочным» (sampling calorimeter) — он чередует слои латуни и пластикового сцинтиллятора. Частица бьется о латунь, рождая каскад вторичных элементов, которые вызывают световые импульсы в пластике, передаваемые затем по оптоволокну в систему сбора данных.

Сердцем установки является сверхпроводящий соленоидальный магнит. При пропускании через него тока силой 18 500 Ампер обмотка не оказывает никакого электрического сопротивления. Это позволяет генерировать колоссальное магнитное поле индукцией 4 Тесла, что примерно в 100 000 раз мощнее магнитного поля Земли. Наконец, внешняя часть — мюонные спектрометры и массивный стальной ярмо возврата магнитного поля (return yoke) — весит 12 500 тонн и служит для удержания поля внутри прибора и прецизионного замера параметров мюонов с помощью газонаполненных камер.

## ⚡ Триггерная система: как алгоритмы ИИ отсекают 90% «информационного шума»
[[JUMP:20:06]]
Столкновение протонов — это процесс невероятной интенсивности. Внутри коллайдера навстречу друг другу движутся пучки, разделенные на отдельные сгустки (банчи). Всего в каждом луче насчитывается 2 808 таких сгустков, а внутри каждого из них находится порядка 100 миллиардов протонов. Интервал между прохождением сгустков составляет всего 25 наносекунд. При этом сам протонный пучок невероятно сжат — его поперечный диаметр составляет всего около 2 миллиметров, что сопоставимо по масштабу с размером Испании, отчеканенной на одноевровой монете.

Такая частота столкновений порождает колоссальные массивы данных. Ежегодно четыре главных эксперимента БАК генерируют объем информации, эквивалентный 100 000 двухслойных DVD-дисков или 4 миллионам файлов видеостриминговых приложений объемом 205 Мегабайт каждый. Физически сохранить такой массив на жестких дисках невозможно.

Для решения этой проблемы ученые используют триггерную систему отбора событий. Она функционирует на базе специализированных алгоритмов, аналогичных алгоритмам машинного обучения в сфере искусственного интеллекта. Эти программы в реальном времени анализируют поток данных, выявляя аномалии или потенциальные признаки физических процессов, представляющих научный интерес, и мгновенно уничтожают остальной массив. В итоге триггер сохраняет лишь около 10% от первоначально зафиксированных Большим адронным коллайдером данных.

## 🏆 Открытие бозона Хиггса и новые сочетания кварков
[[JUMP:28:11]]
Главным триумфом БАК на сегодняшний день стало открытие бозона Хиггса, подтвержденное в 2012 году. Существование этой частицы было предсказано еще в 1960-х годах Питером Хиггсом и его коллегами как объяснение механизма формирования массы у других элементарных частиц. По сути, именно для поиска бозона Хиггса и строился Большой адронный коллайдер. Открытие было совершено коллаборациями детектора ATLAS и детектора CMS абсолютно независимо друг от друга, что гарантировало стопроцентную валидность результатов.

Физический механизм поля Хиггса Кэтрин Колдхэм описывает следующим образом: это поле пронизывает всю Вселенную, и частицы взаимодействуют с ним при движении. Чем сильнее частица взаимодействует с полем, тем больше массы она приобретает и тем сильнее замедляется. Безмассовые фотоны вообще не взаимодействуют с полем Хиггса и летят со скоростью света, в то время как тяжелые частицы приобретают весомую массу. 

Прямая фиксация бозона в детекторе невозможна из-за его мгновенного распада. По этой причине ученые фиксируют «финальные продукты» его распада (например, пары фотонов), измеряют их массу, заряд, импульс и методом «обратной реконструкции событий» восстанавливают исходную картину. Теоретики предсказывали массу бозона на уровне 125 ГэВ (что в 125 раз тяжелее протона), и именно на этой отметке графики распределения событий зафиксировали отчетливый пик (флуктуацию).

За 12 лет, прошедших с момента открытия бозона Хиггса, ученые существенно продвинулись в прецизионных измерениях:

* Были проведены сверхточные измерения массы самого бозона Хиггса.
* Зафиксирован редчайший процесс TWZ — одновременное рождение top-кварка, W-бозона и Z-бозона.
* Наблюдалось одновременное рождение сразу четырех top-кварков.
* В CERN был открыт тетракварк — по словам Колдхэм, на CMS удалось зафиксировать уникальное состояние тетракварка, содержащего в себе пять очарованных (charm) кварков.

## 👥 Глобальная коллаборация и планы на будущее до 2040 года
[[JUMP:32:29]]
Успех экспериментов CMS держится на людях. Коллаборация CMS сегодня объединяет почти 6 000 специалистов: физиков, инженеров, техников, студентов и административный персонал. Это глобальный проект, включающий в себя около 250 институтов из 60 стран мира. Часть сотрудников базируется непосредственно в Женеве, остальные работают удаленно из своих университетов по всему земному шару.

Несмотря на успехи, Стандартная модель далека от завершения. В ней есть фундаментальные пробелы, которые ученым еще предстоит заполнить:

* **Отсутствие гравитации:** в Стандартной модели до сих пор экспериментально не обнаружен переносчик гравитационного взаимодействия — гипотетический гравитон.
* **Проблема Темной материи:** Стандартная модель описывает лишь 5% массы и энергии Вселенной. Остальные 95% приходятся на темную материю и темную энергию. Существование темной материи доказывается аномально быстрым вращением внешних областей спиральных галактик, которым явно не хватает массы видимого вещества для удержания звезд. В качестве кандидатов рассматриваются гипотетические слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP), но их поиски продолжаются.

Для решения этих задач БАК проходит этапы модернизации. С момента запуска в 2008 году работа ускорителя делится на периоды набора данных (раны) и длительные остановки (long shutdowns) для ремонта. В настоящее время идет Run 3. После плановой остановки начнется масштабный проект «БАК высокой светимости» (High Luminosity LHC). В рамках Run 4, запланированного на 2029 год, энергию столкновений пучков планируется довести до 14 тераэлектронвольт (ТэВ).

Для детектора CMS это потребует кардинального обновления систем:

* Модернизация триггерной системы ИИ из-за резкого роста объемов данных.
* Полная замена калориметров ECAL и HCAL на принципиально новый высокогранулярный калориметр (High Granularity Calorimeter).
* Обновление электроники мюонных систем.
* Установка нового трекера, способного выдерживать экстремальный уровень радиации, возникающий при высокоэнергетических столкновениях (данное излучение полностью изолировано на 100-метровой глубине и безопасно для людей, но разрушительно для кремниевой электроники).
* Интеграция абсолютно нового детектора синхронизации минимально ионизирующих частиц (Minimum Ionising Particles Timing Detector) для сверхточного определения времени их прибытия.

## 🔮 Будущее за рамками БАК: FCC и мюонные коллайдеры
[[JUMP:36:57]]
На период после 2040 года у физиков есть еще более амбициозные технологические предложения. Одним из ключевых вариантов является Будущий циклический коллайдер (Future Circular Collider, FCC). Его планируется интегрировать в текущий комплекс CERN в качестве финального кольца супер-ускорителя. Если БАК имеет длину 27 км, то окружность кольца FCC составит 100 километров, а энергия столкновений достигнет фантастических 100 ТэВ. Подобные масштабные машины необходимы для достижения энергий, способных «раскрыть» скрытые пласты физики, недоступные БАК.

Вторым перспективным направлением является создание Мюонного коллайдера (Muon Collider). При разгоне заряженных частиц по кругу они неизбежно теряют энергию в виде синхротронного излучения. Однако мюон тяжелее электрона более чем в 200 раз. Благодаря большой массе, мюоны теряют в 2 миллиарда раз меньше энергии на синхротронное излучение. Кроме того, мюон — это неделимая элементарная часть материи (в отличие от составного протона), что позволяет эффективнее концентрировать энергию удара: по оценкам ученых, мюонный коллайдер на 10 ТэВ по своей физической эффективности может сравниться со 100-тераэлектронвольтным протонным ускорителем.

## 🤝 Открытые данные и как прикоснуться к большой науке
[[JUMP:38:48]]
CERN предлагает множество путей интеграции для людей со всего мира: от школьных практик и студенческих стажировок до постоянных позиций для инженеров, ИТ-специалистов, экспертов по международным отношениям и научных коммуникаторов. 

Более того, любой желающий может посетить детектор CMS в реальности. Экскурсии спускаются в туннели на глубину 87 метров под землю, где можно увидеть сам детектор и посетить диспетчерскую (control room), где специалисты ведут круглосуточный мониторинг работы систем в рамках непрерывных 8-часовых смен. 

Для тех, кто предпочитает удаленный формат, CERN активно развивает концепцию открытой науки. Не так давно был опубликован новый массив открытых данных (Open Data) БАК. С помощью языков программирования C++ и Python любой энтузиаст или студент может самостоятельно проанализировать реальные логи столкновений и, возможно, заново открыть свой собственный бозон Хиггса. Для массовой аудитории созданы научно-популярные дайджесты, блоги (например, блог «Цилиндрический лук» — Cylindrical Onion) и официальные аккаунты CMS во всех ведущих социальных сетях.

В финале своего выступления Кэтрин Колдхэм посвятила лекцию памяти своей близкой университетской подруги Наташи Доменики Хихир (Natasha Domenica Hehir), с которой они вместе изучали физику в Университете Квин Мэри и которая активно занималась популяризацией науки в школах, но преждевременно ушла из жизни от онкологического заболевания. Спикер призвала аудиторию поддержать фонд Cancer Research UK — крупнейшую независимую благотворительную организацию по исследованию рака в мире.