Как изучают элементарные частицы

«Азбука Морзе» для общения с природой о микромире

Ставя физические опыты, ученые фактически задают природе вопросы. Если опыт поставлен грамотно, если все технические тонкости учтены и если результат его правильно интерпретирован — ученые получают ответ природы, новое знание о физическом мире.

Физики задают природе вопросы и об устройстве микромира. Для общения с природой на эту тему был найден удобный язык, этакая «азбука Морзе» для разговоров о микромире. «Буквами» этого языка служат разнообразные элементарные частицы и их характеристики, «словами» — комбинации элементарных частиц, которые рождаются в каком-то столкновении на коллайдере и затем регистрируются в детекторе. А последовательность из большого числа одинаковых столкновений с самыми разными результатами — это целые «фразы», которыми природа рассказывает нам о каком-то своем свойстве.

Задача физика-экспериментатора — правильно распознать все буквы и слова, найти в этом потоке информации от природы фразы и правильно понять их смысл.

Этапы изучения элементарных частиц

То же самое можно выразить и менее поэтическим языком. Физикам требуется:

  • зарегистрировать частицы, рождающиеся в столкновениях, и аккуратно измерить их характеристики;
  • понять, как частицы комбинируются друг с другом: какая вместе с какой рождается, какая на какую распадается, какая с какой взаимодействует;
  • повторить такое столкновение много раз, набрать большой объем данных и, анализируя его статистическими методами, извлечь закономерности;
  • проверить, согласуются ли эти закономерности друг с другом и с теоретическими предсказаниями.

Все эти этапы вместе и составляют задачу изучения элементарных частиц. Перечислим некоторые тонкости этих этапов.

Регистрация событий

Элементарные частицы, родившись в столкновении внутри коллайдера, разлетаются прочь с околосветовой скоростью. Если на пути частицы поставить какой-нибудь простой датчик, то он, может быть, зарегистрирует пролет частицы, но не расскажет ни о ее сорте, ни о ее заряде, энергии, массе, времени жизни и прочих характеристиках. Всю эту информацию приходится «выцарапывать» с помощью сложных многослойных детекторов элементарных частиц.

Многослойность нужна потому, что каждый слой оптимизирован для измерения какой-то одной характеристики. Внутренние части детектора очень точно измеряют траектории частиц и почти не мешают их движению. Следующие слои, напротив, стараются полностью поглотить интенсивно взаимодействующие частицы, чтобы измерить их энергию. А на самой периферии детектора установлены датчики, которые отслеживают плохо взаимодействующие частицы (в основном, мюоны).

(Подробнее о принципах детектирования элементарных частиц)

В каждом слое используются свои инженерные решения, которые зачастую были придуманы специально для этого детектора. Так что современный детектор вовсе не собирается из каких-то стандартных готовых блоков, а изобретается почти с нуля. Поэтому все детекторы, установленные на Большом адронном коллайдере, непохожи друг на друга и имеют свои изюминки. При этом многие из них специально оптимизированы для какого-то определенного класса «вопросов природе», и лишь два самых крупных детектора — CMS и ATLAS — являются многоцелевыми.

(Подробнее о детекторах на LHC)

Сразу после того, как столкновение зарегистрировано, оно моментально — за доли микросекунды! — оценивается на предмет его «научной интересности». Это решение принимается электроникой, установленной рядом с детектором; эта совокупность электроники называется триггером. Если в том «снимке события», который запечатлел детектор, прослеживаются намеки на частицы большой энергии или прочие интересные объекты, триггер разрешает полностью оцифровать событие и пропускает его дальше. Оно затем поступает в вычислительные центры и записывается для будущего анализа.

Анализ статистики

Анализ событий начинается не сразу, а после того, как накопится заметное число событий. В рамках крупной коллаборации выделяется несколько десятков небольших групп, каждая из которых в течение месяцев или даже лет работает над определенным типом анализа. Это может быть поиск хиггсовского бозона, измерение массы топ-кварка, изучение распадов B-мезонов, и многое другое.

Работа этой группы, в общих чертах, выглядит так. Исследователи изучают ранее накопленный опыт изучения таких частиц и вырабатывают критерии поиска (какие события отбирать, а какие игнорировать, на какие характеристики частиц обращать внимание прежде всего, какого сорта проверки полезно делать). Они (а точнее, написанные ими программы) перебирают всю накопленную статистику и отбирают события, удовлетворяющие их критериям. Затем с этой выборкой идет длительная работа: физики классифицируют события, строят распределения, выделяют области, наиболее чувствительные к искомому эффекту, и т. д.

Параллельно они проводят моделирование с помощью специально созданных программных пакетов, в которых заложена та или иная теоретическая модель, либо Стандартная модель, либо какой-то вариант Новой физики. Эти программы генерируют псевдоданные, то есть они как бы эмулируют работу коллайдера в рамках какого-то теоретического предположения. Эти псевдоданные тоже могут подвергаться тем же самым критериям отбора, которые применяются и к настоящим данным коллайдера. Экспериментаторы сравнивают одни с другими, и это позволяет им не только сказать что-то о результатах измерений, но и еще больше оптимизировать анализ данных. При этом сравнение и оптимизация делаются так, чтобы не допустить предвзятость самих исследователей (см. пример в новости Что означает «слепой анализ» при поиске новых частиц?)

Разумеется, вся эта работа очень сложна и содержит множество подводных камней. Результат, который получают экспериментаторы, вовсе не идеально точен, а содержит разнообразные погрешности самого разного происхождения. Грамотная оценка всех источников погрешностей — один из ключевых этапов работы исследовательской группы.

(Подробнее о погрешностях экспериментальных результатов)

После того как результат получен и перепроверен внутри маленькой группы, пишется статья с изложением результата, и она выносится на обсуждение всей коллаборации. Проходит несколько этапов обсуждения работы, и после того, как коллаборация дает добро, статья публикуется. Именно в этот момент «внешний мир» узнает, что такая-то коллаборация провела такой-то анализ и опубликовала статью.

Желающим ближе познакомиться со всеми этими этапами работы на одном конкретном примере можно порекомендовать большой популярный рассказ Анатомия одной новости, или Как на самом деле физики изучают элементарные частицы.

В физике элементарных частиц принято все свежие статьи выкладывать в полностью открытый архив е-принтов arxiv.org (так и читается, «архив»). Одновременно статья направляется для публикации в научный журнал, и после прохождения этапа рецензирования статья появляется в печати. Стоит подчеркнуть, что политика ЦЕРНа такова, что абсолютно все статьи с результатами Большого адронного коллайдера находятся в свободном доступе — не важно, в каком журнале они опубликованы. Так что с результатами LHC во всех деталях может познакомиться любой желающий.

Элементы

© 2005-2017 «Элементы»