Как на ускорителе изучают свойства частиц

Режим работы ускорителя

Когда вы сталкиваете частицы из встречных пучков, вы не можете заставить их породить какую-то определенную частицу. По законам квантовой механики, рождаться будет всё, что разрешено всевозможными законами сохранения, — но только с разной вероятностью.

В таких условиях изучение какого-то конкретного процесса на современном ускорителе выглядит примерно так. Ускоритель работает на протяжении одного-двух десятков лет — не непрерывно, а по нескольку месяцев в году (остальное время тратится на обслуживание, модернизацию, устранение неполадок или просто пережидание холодного времени года, чтобы не тратить дорогую электроэнергию). И в течение всего этого времени регулярно, с частотой миллионы раз в секунду, внутри детектора сталкиваются сгустки частиц, а детектор регистрирует родившиеся и разлетевшиеся частицы.

В подавляющем большинстве случаев столкновения сгустков приводят к «неинтересным», уже давно изученным событиям — например, упругому рассеянию частиц на маленький угол за счет электрических сил. Реже, но всё-таки довольно часто, происходит рождение и распад нестабильных, но хорошо известных частиц. Это уже считается интересным событием, и данные о нём «в сыром виде» записываются для дальнейшей обработки. И совсем редко (раз в минуту, в день, в месяц — в зависимости от типа события) происходит что-то очень интересное, например рождение очень редких частиц. Именно за такими очень интересными, но редкими событиями и охотятся физики.

Анализ статистики

Набор «интересных» событий (или, как говорят физики, накопление статистики) — это только первый этап работы. Сами по себе «сырые данные» (а это просто перечисление, какие частицы, где, когда и как пролетели сквозь детектор) еще ничего не говорят о физическом механизме того или иного процесса, происходящего в столкновениях частиц. Для того чтобы его понять, эту статистику требуется вначале обработать.

Для этого экспериментаторы сначала изучают то, что говорит теория по поводу нужной реакции, а также всех тех иных реакций, которые могут оказаться похожими на нее по своим следам в детекторе (такие реакции называются фоновыми). Затем составляется список критериев, которым должна удовлетворять искомая реакция: например, столько-то частиц такой-то энергии, углы отклонения от оси не больше такой-то величины и т. д. Затем перебираются все записанные сырые данные и из них извлекаются те события, которые удовлетворяют нужным критериям.

Это первый, самый простой шаг. После него уже начинается тщательнейший анализ выбранных событий: изучается, как частицы группируются по импульсам и энергиям, пишутся и перепроверяются специальные программы моделирования, оцениваются многочисленные погрешности как самого детектора, так и методики обработки, и многое другое.

На эту работу уходят минимум месяцы, часто — годы. Однако занимается этим не весь коллектив исследователей, а небольшая специально назначенная группа. Обычно в масштабе всего эксперимента одновременно идут десятки таких анализов разных процессов.

Сравнение с теоретическими вычислениями

Результатом обработки статистики становится научная статья, в которой рассказывается, сколько событий, похожих на следы искомого процесса, были зарегистрированы и каковы их свойства. Экспериментаторы описывают методику обработки, перечисляют источники погрешностей, но на этом и останавливаются — теоретической интерпретацией полученных данных (например, из чего состоит обнаруженная нестабильная частица) они обычно не занимаются.

Для того чтобы сделать выводы об устройстве элементарных частиц и характере их взаимодействий, требуется подключать теоретиков. Их вычисления могут показать, какие именно варианты устройства частиц согласуются с полученными данными, а какие — нет. Если при этом, например, оказывается, что есть две разных теории, хорошо согласующихся с этими данными, то теоретики предлагают какие-то другие эксперименты, могущие отличить эти две теории. Проведя новый эксперимент (или же просто заново обработав уже имеющуюся статистику, но с акцентом на другие частицы), экспериментаторы могут зачастую сказать, какая из конкурирующих теорий ближе к реальности.

Именно путем сравнения со всё более точными и разнообразными экспериментальными данными, путем отсева конкурирующих теорий постепенно вырисовывается общая картина тех или иных процессов и взаимодействий.

Например, тот факт, что протоны, нейтроны и другие подобные частицы состоят из кварков — результат не одного, а сотен разнообразных экспериментов. И напротив, гипотеза о том, что протоны не состоят из каких-либо более мелких частиц, приводит к противоречию с экспериментальными данными. Другой пример: общепринятая сейчас объединенная теория электромагнитного и слабого взаимодействия, лежащая в основе Стандартной модели физики элементарных частиц, тоже выкристаллизовалась, пройдя через многие десятки проверочных экспериментов, которые «закрыли» ее конкурентов.

Сейчас физики уверены, что сама Стандартная модель — не окончательная теория элементарных частиц, а лишь «приблизительный вариант» какой-то более глубокой теории. На роль такой теории предложено уже много теоретических конструкций, но какая из них отвечает реальности — пока не известно. Коллайдер LHC, вступающий в строй в 2008 году, скорее всего даст ответы на многие подобные вопросы. Именно поэтому физики ожидают, что ближайшее десятилетие будет для физики элементарных частиц революционным.

Далее: Природные ускорители

Комментировать