# Детектор ATLAS в CERN: как ученые ловят частицы в 50 миллиардов раз тоньше волоса

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=wTaU7S1DcNQ
Канал: The Royal Institution
Опубликовано: 26.11.2024

---

Как устроена самая сложная машина в истории человечества? Физик-исследователь Клэр Мэлоун (Claire Malone) проводит виртуальную экскурсию по гигантскому детектору ATLAS в CERN, объясняя, как человечество ловит частицы, которые в 50 миллиардов раз меньше толщины человеческого волоса, и почему Стандартная модель — это лишь начало пути к пониманию 96% «невидимой» Вселенной.

## 🏗️ ATLAS: Детектор размером с шестиэтажный дом
[[JUMP:01:34]]

Детектор ATLAS является самым крупным в истории экспериментом по физике частиц, построенным на Большом адронном коллайдере (БАК) в CERN [01:34]. Его физические масштабы поражают воображение:

*   **Габариты:** 46 метров в длину и 25 метров в диаметре [01:47].
*   **Вес:** Около 7000 тонн, что сопоставимо с весом Эйфелевой башни [01:47].
*   **Расположение:** Установка находится в гигантской каверне на глубине 100 метров под землей в районе франко-швейцарской границы [02:00].

В центре этого колосса происходит столкновение протонов, разогнанных почти до скорости света [02:14]. По словам Клэр Мэлоун, задача ATLAS — отследить и идентифицировать каждую субатомную частицу в хаосе этого столкновения, где многие из них существуют лишь крошечную долю секунды, прежде чем распасться [02:27].

## 🧪 Стандартная модель и триумф бозона Хиггса
[[JUMP:02:57]]

Поведение фундаментальных частиц описывается Стандартной моделью (СМ), в которой все частицы делятся на две категории: фермионы (материя) и бозоны (переносчики сил) [03:09].

*   **Фермионы:** Делятся на кварки и лептоны. Протоны и нейтроны состоят из верхних (up) и нижних (down) кварков [03:53].
*   **Бозоны:** Фотоны (электромагнитная сила), W и Z бозоны (слабое взаимодействие) и глюоны (сильное взаимодействие, удерживающее ядра атомов) [04:18].

Особое место в исследованиях Клэр Мэлоун занимает **Топ-кварк (Top quark)**. Как отмечает гостья, она посвятила свою докторскую диссертацию изучению его свойств, так как поведение этой частицы может многое рассказать о самом знаменитом элементе системы — бозоне Хиггса [06:06].

Открытие бозона Хиггса в 2012 году стало кульминацией десятилетий поиска. По словам Мэлоун, до этого момента бозон был «недостающим кусочком пазла», подтверждающим механизм наделения массой всех остальных частиц во Вселенной [06:32]. 4 июля 2012 года коллаборации ATLAS и CMS официально объявили, что обнаружили частицу с массой около **125 ГэВ** (гигаэлектронвольт) [09:08].

## гни Магниты и траектории: Как «увидеть» невидимое
[[JUMP:10:27]]

Чтобы измерить свойства частиц, их нужно заставить отклониться от прямолинейного движения. Для этого ATLAS оснащен мощнейшими магнитами. Клэр Мэлоун выделяет две основные системы [13:46]:

1.  **Соленоидальный магнит:** Цилиндрическая катушка, окружающая внутренний детектор. Она изгибает траектории заряженных частиц, что позволяет рассчитать их импульс исходя из радиуса кривизны [14:15].
2.  **Тороидальные магниты:** Огромные катушки в форме пончиков во внешних частях детектора, предназначенные специально для отслеживания мюонов [14:54].

Принцип работы Мэлоун демонстрирует на аналогии с теннисными мячиками: обычный мяч катится прямо, но если поместить внутрь него магнит, внешнее магнитное поле изменит его путь [12:53]. Заряженные частицы ведут себя так же: электроны и мюоны (отрицательный заряд) отклоняются в одну сторону, протоны (положительный заряд) — в другую, а нейтральные фотоны и нейтрино летят прямо [16:16].

## 🔍 Анатомия внутреннего детектора: Точность в микронах
[[JUMP:16:45]]

Внутренний детектор ATLAS состоит из трех ключевых слоев, обеспечивающих беспрецедентную точность отслеживания:

*   **Пиксельный детектор (Pixel Detector):** Содержит миллионы кремниевых сенсоров размером меньше песчинки [17:27]. Он создает изображение столкновения с разрешением до **10 микрон** (тоньше человеческого волоса) [17:53].
*   **Полупроводниковый трекер (SCT):** Состоит из 6 миллионов микрополосок кремния [19:29]. Клэр Мэлоун использовала данные SCT для измерения **светимости (luminosity)** — интенсивности протонного пучка, что критически важно для точности всех экспериментов [20:10].
*   **Трекер переходного излучения (TRT):** Внешний слой, состоящий из 300 000 газонаполненных трубок-соломинок диаметром 4 мм с позолоченной вольфрамовой проволокой внутри [22:15]. Частицы ионизируют газ, создавая ток, который позволяет реконструировать их путь, как «след из хлебных крошек» [23:18].

## 🛡️ Калориметры: Ловушки для энергии
[[JUMP:23:49]]

Если трекеры измеряют путь, то калориметры — энергию. В ATLAS они расположены слоями [25:22]:

1.  **Электромагнитный калориметр:** Использует слои свинца и жидкого аргона. Аргон поддерживается при температуре **-154°C** [26:04]. Здесь поглощаются электроны и фотоны, превращаясь в «ливни» вторичных частиц.
2.  **Адронный калориметр (Tile Calorimeter):** Самая тяжелая часть ATLAS весом 2900 тонн [27:44]. Он состоит из стальных пластин и 420 000 пластиковых сцинтилляционных плиток, которые светятся при прохождении частиц [27:44]. Он улавливает протоны и нейтроны, которые прошли сквозь первый слой.

## 💾 Триггерная система: Иголка в стоге данных
[[JUMP:28:11]]

Количество данных, генерируемых ATLAS, колоссально. По информации Мэлоун, объем данных от столкновений превышает **60 миллионов мегабайт в секунду** [28:11]. Это эквивалентно 5400 одновременным видеостримам высокого качества.

В год БАК производит более **1 экзабайта (1000 петабайт)** данных [28:56]. Чтобы справиться с этим потоком, используется двухступенчатая система триггеров:

*   **Уровень 1 (Hardware):** Аппаратная система на базе кастомной электроники. Она принимает решение о сохранении события всего за **2,5 микросекунды** [30:21].
*   **Уровень 2 (Software):** Программная ферма из **40 000 процессорных ядер**. У нее есть 200 микросекунд на анализ, после чего она отбирает всего около 1000 наиболее интересных событий в секунду для дальнейшего хранения [31:15].

## 👻 Мюоны и «призрачные» нейтрино
[[JUMP:32:10]]

Мюоны — это «тяжелые кузены» электрона, способные проходить сквозь метры стали [15:06]. Для их регистрации на внешнем радиусе ATLAS установлены огромные мюонные спектрометры, способные определить положение частицы с точностью до 0,1 мм [35:07].

Однако есть частицы, которые ATLAS не видит вовсе — **нейтрино**. Они не имеют заряда и почти не взаимодействуют с материей [37:26]. По словам Мэлоун, физики узнают об их присутствии по «недостающей энергии»: если после столкновения сумма импульсов всех обнаруженных частиц не сходится, значит, нейтрино унесло часть энергии с собой [38:22].

## 🌌 Будущее: За пределами Стандартной модели
[[JUMP:38:48]]

Несмотря на успех в обнаружении бозона Хиггса, Клэр Мэлоун подчеркивает, что Стандартная модель объясняет лишь около **4% Вселенной** [39:17].

*   **Темная материя:** Составляет около 23% Вселенной. Мы знаем о ее существовании по гравитационному влиянию на галактики, но в Стандартной модели нет подходящей для нее частицы [39:44].
*   **Темная энергия:** Занимает около 72% Вселенной и отвечает за ускоренное расширение космоса. СМ также не дает ей объяснения [39:57].

По мнению Мэлоун, это делает нынешнее время самым захватывающим в истории фундаментальной физики. Технологии ATLAS уже находят применение в других областях: например, в создании мультиэлектродных массивов для протезирования сетчатки глаза и в системах бесконтактного обнаружения утечек газа с помощью ультразвука [36:19].