CC BY
66
Секция «Ф и з и к а»
Бозон Хиггса и другие тайны Вселенной: эксперимент LHC
А.В. Богомолова,
студентка группы ДКир 2-2
В течение всей истории человечества научная мысль была направлена на поиски ответов на фундаментальные вопросы: что есть окружающий нас мир, из чего он состоит, каковы его законы, как он образовался и как эволюционирует?
Многие свойства частиц проявляются только в процессах, происходящих при сверхвысоких энергиях, когда создаются условия для образований новых форм материи, которые были недоступны для наблюдения и исследования при низких энергиях. Основные инструменты для экспериментального изучения - ускорители высоких энергий, на которых процессы столкновения частиц исследуются по продуктам реакций с помощью детекторов излучения. Наиболее эффективный способ получения принципиально новой информации - эксперименты на коллайдерах. Поэтому мы ожидаем новых открытий в физике частиц в экспериментах, которые проходят в ЦЕРНе. Ускорительный комплекс расположен, как на поверхности, так и под землей на большой глубине до 100 метров (более современные SPS, LHC).
Скорость частиц в Большом Адронном Коллайдере (LHC) на встречных пучках близка к скорости света в вакууме. Разгон частиц до таких больших энергий достигается в несколько этапов. На первом этапе низкоэнергетичные линейные ускорители Linac 2 и Linac 3 производят инжекцию протонов и ионов свинца в кольцевой PS-бустер, где частицы разгоняются до энергии 1 ГэВ. Затем частицы попадают в сам PS (протонный синхротрон), приобретая энергию в 26 ГэВ. После этого ускорение частиц продолжается в SPS (протонный суперсинхротрон), где энергия частиц достигает 450 ГэВ. Затем сгусток протонов направляют в
главное 26,7-километровое кольцо, доводя энергию протонов до максимальных 7 ТэВ, и в точках столкновения детекторы фиксируют происходящие события. Два встречных пучка протонов при полном заполнении могут содержать 2808 сгустков каждый. Сгустки в определенной последовательности могут сталкиваться в четырех точках кольца, где находятся детекторы частиц: ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment), ALICE (A Largelon Collider Experiment).
Основные направления исследований
Для объяснения такого феномена, как наличие у элементарных частиц массы, английский физик Питер Хиггс выдвинул теорию, согласно которой наличие массы у частиц обусловлено их взаимодействием с полем Хиггса. Согласно специальной теории относительности, безмассовые частицы (например, фотоны) должны перемещаться со скоростью света, в то время как массивные частицы не могут достичь этой предельной скорости. Скалярное поле Хиггса, заполняя пространство, может «замедлять» определенные типы взаимодействующих с ним частиц, подобно тому, как воздух замедляет движение выстреленного из пушки снаряда. Эти типы частиц, по своей природе безмассовые, вследствие взаимодействия с полем Хиггса будут двигаться медленнее скорости света и выглядеть как массивные частицы. Другие типы частиц, не взаимодействующие с полем Хиггса (например, фотоны), не будут «замедляться» и останутся безмассовыми. Бозоны Хиггса могут образовываться при столкновении протонов большой энергии на коллайдере LHC. Чтобы обнаружить рождение бозона Хиггса, нужно зарегистрировать частицы, которые получились в результате его распада, измерить их энергию и импульс, и вычислить массу бозона Хиггса на большом количестве событий рождения.
В настоящее время установлен парадоксальный факт - лишь менее пяти процентов массы Вселенной составляет обычная барионная материя. Невидимая же часть материального мира (более 95 процентов) приписывается так называемой темной материи (около 25 процентов) и темной энергии (до 70 процентов), чьи истинные свойства еще не разгаданы. Темная материя участвует в гравитационном взаимодействии так же, как обычное вещество, но по отношению к другим взаимодействиям (сильному и электромагнитному), - это новая форма материи, не похожа на уже известные и открытые экспериментально. Кандидатами в частицы темной материи считаются легчайшие частицы-суперпартнеры, которые очень слабо взаимодействуют с обычной материей. Таким образом, задачи, рассматриваемые на LHC, имеют прямой выход на проблемы современной космологии.
Исследование сильновзаимодействующей материи как нового ее состояния, в котором кварки и глюоны свободны и образуют
некую среду, называемую кварк-глюонной плазмой, занимает особую позицию в современной физике высоких энергий. Кварк-глюонная плазма - это такое состояние вещества, при котором сильновзаимо-действующие частицы материи переходят в состояние, аналогичное электронам и ионам в обычной плазме. При этом кварки и глюоны образуют непрерывную среду (хромоплазму) и могут распространяться в ней как свободные частицы. По современным представлениям, кварк-глюон-ная плазма может образовываться при высоких температурах и/или больших плотностях адронной материи. Предполагается, что в естественных условиях кварк-глюонная плазма существовала в первые 10-5 секунды после Большого Взрыва. Большие плотности адронной материи могут быть достигнуты при столкновении тяжелых атомных ядер, ускоренных до высоких энергий. Отметим, что на нынешнем этапе развития Вселенной кварк-глюонная плазма может существовать в гипотетических черных дырах.
Таким образом, современные ускорительные эксперименты дают уникальную возможность воссоздать в лабораторных условиях материю, которая существовала на самых ранних этапах развития Вселенной и дала жизнь всему, что сегодня есть во Вселенной. Изучение Большого Взрыва представляет несомненный интерес как с точки зрения понимания природы фундаментальных взаимодействий и свойств элементарных частиц, так и с точки зрения проверки современных космологических представлений о рождении и эволюции ранней Вселенной.
