Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Возможно, существование такого сонма суперсимметричных частиц кажется фантастическим, но история физики элементарных частиц сплошь состоит из фантастических открытий, основанных на теоретических прогнозах, от которых поначалу многие отмахиваются, считая их абсурдными. Если суперсимметричные частицы действительно существуют, то некоторые из них, как ожидается, проявятся на энергиях порядка тераэлектронвольт.

Когда в начале нового тысячелетия на глубине более 150 метров под швейцарской и французской землей началось строительство Большого адронного коллайдера, было очевидно, что у него гораздо более масштабная задача, чем обнаружение электрослабого бозона Хиггса или даже нескольких бозонов или суперсимметричных частиц, предсказанных МССМ. Смысл был в том, чтобы выйти за пределы Стандартной модели; в нашей способности разобраться, из чего состоит и как устроен мир.

В декабре 2000 года начался демонтаж БЭП. Пришлось вывезти 40 тысяч тонн материала. Полностью туннель освободили к ноябрю 2001 года, когда инженеры-геодезисты начали размечать первый из 7 тысяч участков, отведенных под компоненты БАКа.

Неизбежно возникали задержки. В октябре 2001 года Майани установил значительный перерасход средств сверх сметы, и из-за последующей нехватки бюджетных средств завершение проекта отодвинулось еще на год, с 2006 на 2007. Как и у американцев, которые обнаружили это на примере своего незаконченного проекта по строительству ССК, новая технология с использованием сверхпроводящих магнитов забирала гораздо больше денег, чем закладывалось в смету.

Сооружение крупнейшей в мире охладительной системы, способной охлаждать сверхпроводящие магниты до температуры –271,4 °C, закончилось в октябре 2006 года. Последний из 1746 сверхпроводящих магнитов БАКа был установлен в мае 2007 года.

Хотя под БАК отвели тот же 27-километровый туннель, в котором располагался БЭП, для размещения новых детекторных установок снова требовалось вынимать грунт.

В первоначальной планировке у БАКа предусматривалось четыре основные детекторные установки. Это ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus, тороидальный аппарат БАК), CMS (Compact Muon Solenoid, компактный мюонный соленоид), ALICE (A Large Ion Collider Experiment, большой ионный коллайдер) для изучения столкновений тяжелых ионов (ядер свинца) и LHCb (Large Hadron Collider beauty, большой адронный коллайдер b-кварков), специально предназначенный для изучения физики прелестных кварков.

Потом к ним добавились еще два детектора намного меньшего размера. TOTEM (TOTal Elastic and diffractive cross section Measurement, измерение полного сечения упругого дифракционного рассеяния) предназначен для измерения исключительно высокоточных протонов и установлен недалеко от центра детектора CMS, где сталкиваются протоны. И наконец, это LHCf (Large Hadron Collider forward, большой адронный коллайдер «передний»), задача которого – изучать частицы, образующиеся в «передней» части протон-протонных столкновений, вылетающие в направлении почти совпадающем с направлением сталкивающихся пучков. Он расположен рядом с детектором ATLAS, недалеко от точки пересечения пучков.

Многоцелевые детекторы ATLAS и CMS предназначены для поиска бозона Хиггса и другой «новой физики», которая может продемонстрировать существование суперсимметричных частиц и разрешить загадку темной материи. Детектор ATLAS состоит из ряда все более увеличивающихся концентрических цилиндров, расположенных вокруг точки пересечения протонных пучков. Функция внутреннего детектора в том, чтобы отслеживать заряженные частицы, идентифицировать их и измерять импульс. Внутренний детектор окружен большим соленоидальным (в виде катушки) сверхпроводящим магнитом, который изгибает траекторию движения заряженных частиц.

Снаружи находятся электромагнитный и адронный калориметры, которые поглощают заряженные частицы – фотоны и адроны – и выводят их энергию из создаваемых ими потоков частиц. Мюонный спектрометр измеряет импульс мюонов, которые проходят сквозь другие элементы детектора. В нем используется тороидальное (в форме пончика) магнитное поле, создаваемое большими сверхпроводящими магнитами, образующими восемь баррелей и два торцевых тороида. Это самые крупные сверхпроводящие магниты в мире (см. рис. 24).

Рис. 24