Взять с поличным


Но разогнать и столкнуть частицы — это только полдела. Необходимо еще и зарегистрировать рожденные в столкновении вторичные частицы. Этим занимаются не сами ускорители, а другие научные аппараты — детекторы.

На заре ядерной физики для регистрации частиц использовались люминесцентные экраны и фотоэмульсии. Люминесцентные экраны похожи на экран телевизора: частица попадает в какую-то точку экрана, выделяет там энергию, которая затем превращается в короткую вспышку света. С помощью этого нехитрого приспособления можно было наблюдать за рассеянием частиц в реальном времени.

Снимок пузырьковой камеры, где виден процесс рождения и распада первого зарегистрированного омега-гиперона. K--мезон взаимодействует с протоном, образуются омега--гиперон и два мезона (K0 и K+), которые далее распадаются в другие частицы. Справа: расшифровка снимка. Траектории нейтральных частиц, невидимых в пузырьковой камере, отмечены пунктиром

Фотоэмульсии удобны для наблюдения за частицами космических лучей. Запущенная на аэростате стопка фотоэмульсионных пластинок в течение долгого времени подвергается бомбардировке космическими частицами, а после проявки изучаются оставленные ими треки, которые образуются из-за ионизации атомов вдоль пути энергичной заряженной частицы. Огромное преимущество такого метода регистрации — возможность видеть ход реакции, пусть и не в реальном времени. Вот трек входящей частицы, здесь произошло столкновение, а вот следы вторичных частиц. Изучая длину и толщину треков и используя законы механики, можно узнать, что это за частицы, как они взаимодействуют и сколько времени живут до распада.


Следующим шагом стало изобретение пузырьковой камеры. В ней под высоким давлением находится сжиженный газ в состоянии, близком к закипанию. При резком понижении давления жидкость становится термодинамически неустойчивой и начинает вскипать. Если в этот момент сквозь камеру пролетит заряженная частица, то первые пузырьки появятся как раз на оставленном ею ионизационном следе. Спустя долю секунды давление возвращают в норму, жидкость больше не стремится закипеть, но вдоль всего трека остается четкий след из пузырьков. Тут же делается фотоснимок всей камеры, и спустя еще мгновение пузырьки рассасываются — камера готова к очередному циклу.

Пузырьковая камера позволяет визуализировать треки в реальном времени, однако ее главный недостаток заключается в том, что она должна работать непрерывно, цикл за циклом, независимо от того, пролетели частицы или нет. В подавляющем большинстве случаев на фотографиях ничего нет, а поиск какого-то редкого процесса на десятках тысяч снимков становится очень трудоемким занятием.

Чтобы избавиться от бесполезных циклов работы, физики изобрели искровую камеру. Она тоже визуализирует траектории частиц, но иным, электрическим, способом. В отличие от пузырьковой камеры, ее можно запускать только тогда, когда гарантированно пролетает какая-то частица, что позволяет избавиться от «холостых» снимков. Именно использование искровой камеры позволило в 1962 году открыть мюонное нейтрино.

Современные универсальные детекторы, применяемые на больших ускорителях, устроены намного сложнее. Их главная черта — многослойность. Все вместе разные компоненты детектора извлекают из пролетающих частиц максимум информации: координаты точки рождения, скорость, импульс, энергию и тип. Все это необходимо для понимания того, что именно произошло с частицами из встречных пучков в момент их столкновения.

Ближе всего к точке столкновения расположен вершинный детектор. Его задача — с максимальной точностью восстановить первые сантиметры траектории заряженной частицы. Имея несколько таких траекторий от одного столкновения, можно проследить их до пересечения и с субмиллиметровой точностью восстановить вершину — точку в пространстве, в которой произошло рождение частиц.

Следующими идут трековые детекторы. Они измеряют искривление траектории в магнитном поле и позволяют вычислить импульс частицы. Часто в качестве трековых детекторов используются дрейфовые камеры. В них с мелким шагом натянуты тонкие проволочки под напряжением. Заряды, порожденные пролетевшей частицей, оседают на ближайшей проволочке, сообщая регистрирующей аппаратуре, где пролетела частица. Из сигналов с многих проволочек и складывается траектория частицы.

Следующим слоем расположены черенковские детекторы, которые измеряют скорость пролетевшей заряженной частицы. Зная импульс и скорость, можно затем вычислить массу частицы и определить ее тип. Тут главная проблема состоит в том, что для всех рождающихся частиц скорость очень близка к световой. Требуется устройство, которое надежно различает, например, 95 и 99% скорости света, что при равных импульсах отвечают частицам с массами, различающимися вдвое.

На помощь приходит еще один физический эффект, на этот раз из оптики. Свет распространяется со скоростью с=300 000 км/с только в вакууме. При входе в прозрачную среду с показателем преломления n он замедляется до скорости c/n. А вот элементарные частицы при этом не тормозятся, и поэтому их скорость оказывается выше скорости света в данной среде. В 1934 году советские физики П.А. Вавилов и С.И. Черенков открыли, что такая заряженная частица излучает свет (черенковское излучение) под углом к направлению движения, и этот угол зависит от скорости частицы.

Для создания черенковских детекторов пришлось решить интересную задачу из области материаловедения. Для максимальной эффективности требовалось вещество с показателем преломления n=1,01–1,05. Но ничего подобного в природе не существует (например, для воды n=1,33, а для газов он не превышает n=1,001), и потому нужные материалы пришлось создавать искусственно. Так в детекторах появились аэрогели, которые иногда называют «твердым дымом». В руках кусок аэрогеля вызывает непривычные ощущения: по прочности он примерно как пенопласт, но ощутимо легче него и вдобавок прозрачный. Подбросив аэрогель в воздух, можно заметить, что падает он как бы «неохотно» — ведь он всего в несколько раз плотнее воздуха.

Наконец, внешние слои детектора состоят из нескольких разных калориметров — приборов, измеряющих энергию частиц. Эти компоненты детектора обязаны стоять самыми последними, поскольку для надежного измерения энергии частица должна полностью поглотиться калориметром и передать ему всю свою энергию. Для этого на пути частицы ставятся слои вещества с тяжелыми атомами, при столкновении с которыми порождается лавина вторичных частиц. Лавина застревает в детекторе, и вся ее энергия переходит частично в тепло, а частично — в свет. Эту вспышку улавливают фотоэлектронные умножители. Они превращают ее в электрический сигнал, измеряя который можно с хорошей точностью рассчитать энергию первоначальной частицы.

Все это — стандартная начинка современного детектора, его «анатомия». Но есть еще большая интересная тема, связанная с его «физиологией», с тем, что в нем происходит непосредственно в ходе эксперимента. Сгустки частиц сталкиваются внутри детектора миллионы раз в секунду, и при этом либо рождаются новые частицы, либо происходит упругое рассеяние частиц сгустка. Каждый такой процесс оставляет в разных компонентах детектора много информации. За какие-то доли микросекунды требуется не только собрать всю эту информацию и подготовить детектор к приему следующих частиц, но и успеть предварительно обработать полученные данные. Детектор буквально напичкан сложнейшей электроникой. Важнейшая из электронных систем называется триггером. Он на лету отбирает из всего потока события, интересные с точки зрения физики. Если бы не этот отбор, система хранения данных просто захлебнулась бы чудовищным потоком информации от детекторов. Поэтому создание эффективного триггера — один из важнейших этапов конструирования детектора.

Но даже после отсева объемы получаемой информации остаются огромными. Ожидается, что с LHC будет поступать порядка 10 петабайт (10 миллионов гигабайт) данных в год — грубо говоря, по DVD-диску в несколько секунд. Чтобы осмыслить такое количество информации, потребуется порядка сотни тысяч сегодняшних процессоров, участие в работе примут исследователи со всего мира, а хранение и обработка информации будет вестись с опорой на создаваемую сейчас GRID-технологию, которая обеспечивает глобальное использование распределенных вычислительных ресурсов.

Игорь Иванов, кандидат физико-математических наук




1 комментарий к записи “Взять с поличным

  1. Необходимо Ваше участие в продвижении сего послания. Проблема столь серьёзна
    и чревата фатальной БЕДОЙ, что необходимо содействие всех сознательных людей,
    Вам решать, какой вклад Вы привнесёте в устранение угрозы уничтожения Земли.
    Приношу извинения за возможные повторы послания.
    ВСЕМ! ВСЕМ! ВСЕМ!
    Пока Мы живы, остановим LHC (Large Hadron Collider) Большой адронный коллайдер,
    иначе LHC станет Нашим Lethal Hadron Collider-Смертельным адронным коллайдером.
    В ЦЕРНе ПРАВО ЧЕЛОВЕЧЕСТВА НА СУЩЕСТВОВАНИЕ подвергнуто колоссальной опасности
    из-за зловещего любопытства и беспечной погоне за Нобелевской премией горстки
    фанатиков от науки, затеявших фатальные игры с ЧЁРНЫМИ ДЫРАМИ, и другие не менее
    ОПАСНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ на Lethal Hadron Collider-Смертельном адронном коллайдере.
    В оценке последствий рефери они сами, оппонентов не слышат. Следует привлечь
    мнение независимых экспертов и общественных деятелей планеты, и сообща решить
    будущее Земли, без риска вскрыть последний для Человечества «ящик Пандоры».
    Возможно, амбициозные опыты с такими коллайдерами одержимых физиков иных Миров
    и привели к Армагеддону их Цивилизаций. Ощущение такое, что рождённая в опытах
    ЧЁРНАЯ ДЫРА-пожиратель материи и есть предел любопытству и существованию Разума,
    ведь никаких признаков наличия во Вселенной аналогов Человечества не обнаружено.
    Ещё одна новая ЧЁРНАЯ ДЫРА, откупоренная нашими горе-доками, уничтожив Землю и
    Солнечную систему, возникнет во Вселенной, увы, ВСЕ МЫ к тому времени СГИНЕМ
    вслед за Большим адронным коллайдером во чреве наукосотворённой ЧЁРНОЙ ДЫРЫ.
    Армагеддон Земли возможен не только от чёрной дыры, и не при пробных запусках
    LHC, сколько во время крайне экстремальных опытов на Lethal Hadron коллайдере.
    О КОНЦЕ СВЕТА ВОПИЮТ ПРОРОЧЕСТВА.
    Люди! отрешитесь от сиюминутного, задумайтесь — Человечество в жуткой опасности.
    Не надейтесь на Божественное Спасение Вашей плоти. Человек свободен в проявлении
    своей Воли и ответственен за последствия; показатель — вся История Человечества.
    Обстоятельством, предотвратившим планетарную катастрофу ядерной войны, явилось
    гнетущее состояние опасности у большинства Землян после Хиросимы и Нагасаки.
    Бездна всеобщей обострённой тревоги овладела политиками, стоявшими у ядерной
    кнопки, обуздала их амбиции и не позволила разразиться ядерному Апокалипсису.
    Необходимо ОСТАНОВИТЬ самый Большой адронный коллайдер, чтобы не допустить даже
    самый малейший риск гибели Земли и Апокалипсиса Человечества из-за наивной веры
    в науку и её «ТИТАНИК» Lethal Hadron Collider этот смертельный шедевр физиков.
    ЛЮДИ! ПРОТЕСТУЙТЕ! Ищите любые доводы, чтобы ОСТАНОВИТЬ зловредный коллайдер.
    ПРОТЕСТУЙТЕ! Передавайте ПРОТЕСТ ВСЕМ, кому сможете. ЖИЗНЬ или КОНЕЦ СВЕТА!
    ОСТАНОВИМ! Большой адронный коллайдер — исчадие Армагеддона Человечества.
    ЛЮДИ! ОЧНИТЕСЬ! И ПРОТЕСТУЙТЕ! ПРОТЕСТУЙТЕ! ПРОТЕСТУЙТЕ!
    Тем, кто не проникся, ЗАДУМАЙТЕСЬ о вероятности зарождения и гибели Разума.
    Вероятность образования лишь одной молекулы ДНК на Земле невообразимо мала и
    составляет 10^-800, прибавьте вероятность появления живых существ и вероятность
    зарождения Разума. Вы только представьте сколь Мы, Люди УНИКАЛЬНЫ во Вселенной!
    Возникновение и существование Человечества это БЕСПРЕЦЕДЕНТНЫЙ факт, а значит
    даже ничтожный риск ВОЗМОЖЕН. Теоретически непредсказуемые последствия опытов
    на LHC НЕ ОТРИЦАЮТСЯ, следовательно, и вероятность фатальных БЕД, исходящих из
    злосчастных экспериментов вполне реальна. Риск Армагеддона на много порядков
    вероятней зарождения Жизни. Известны факты риска жизнью во имя Науки, однако
    никакой риск жизнью Землян ради любопытства НЕДОПУСТИМ! Что Им эти риски. Они
    игнорировали их и прежде, рискуют Нами и теперь на LHC. Цинично, ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ
    условия LHC приравнивать к явлениям природы. Вы видели фото LHC? Нам внушают,
    сей МОНСТР не опасен, убаюкивая пустячными данными одиночного протона. Дело в
    том, что протоны сжимают в сгустки по 100 МИЛЛИАРДОВ. Толщина сгустка тоньше
    волоса человека (0,03мм), при этом протонам подводится огромная энергия ~100кг
    тротила, и эти сгустки протонов, разогнанные до скорости света, хотят шарахать
    «лбами», итоги даже теориям неведомы. Пронесёт с протонами, займутся крайне
    зловещими экспериментами с применением ионов тяжёлых атомов. Это невероятно,
    для ублажения своего любопытства в ЦЕРНе моделируют условия «Большого взрыва».
    В общем ситуация ТИТАНИКА, при этом Айсберг это LHC (Lethal Hadron Collider),
    а Мы пассажиры-заложники смертельного коллайдера без средств спасения. Гаранты
    безопасности Землян это горстка самоуверенных фанатиков от науки, готовая на
    всё ради оголтелого познания и обладания Нобелевской премией. Их беспечность
    и пофигизм к Нам Мирянам обусловили трагедию Хиросимы и Нагасаки, Чернобыля.
    ЛЮДИ! ОЧНИТЕСЬ! Пока ещё не поздно ПРОТЕСТУЙТЕ! ПРОТЕСТУЙТЕ! ПРОТЕСТУЙТЕ!
    ОСТАНОВИМ! LHC — Lethal Hadron Collider — Смертельный адронный коллайдер.

    Ответить на этот комментарий

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*