Именно так хотел назвать свой перевод книги Люиса Кэрролла «Alice in Wonderland» Борис Заходер – это название гораздо ближе к оргинальному, английскому. Но не назвал, потому что все привыкли к скучноватому «Приключения Алисы в Стране Чудес».
«Это называется литературной традицией», – усмехнувшись, написал Заходер в предисловии к своему переводу.
Вот и в популяризации науки есть свои традиции серьезности, отклонения от которых не всеми приветствуются.
А физики ЦЕРНа – Европейского центра ядерных исследований в Женеве – не побоялись с улыбкой рассказать о том, чем занимаются. И написали веселые комиксы об экспериментах на Большом адронном коллайдере. Один из них назвали «Алиса и суп из кварков и глюонов».
«Причем тут Алиса?» – спросите вы. А вот при чем. Один из шести детекторов частиц, сооружённых на Большом адронном коллайдерев Женеве, называется ALICE. И это название выбрано не в честь героини детской сказки Льюиса Кэрролла. Аббревиатура ALICEрасшифровывается как ALargeIonColliderExperiment – большой ионный коллайдерный эксперимент. То есть детектор ALICE построен для изучения столкновений пучков тяжелых ионов, например, ядер свинца. Зачем это нужно, и рассказывает веселый комикс о супе из кварков и глюонов: для поисков кварк глюнной плазмы!
В большой норе
Крупная Алиса улеглась на бок в шахте на глубине 52 метра. Детектор ALICE представляет собой сооружение 26-метровой длины с поперечным сечением 16 на 16 метров. Весит эта игрушка 10 тысяч тонн. Зачем нужны такие размеры? Затем, что столкновения тяжелых ядер имеют свою специфику.
Во-первых, даже пасхальные яйца трудно нос в нос ударить, не сбочив. А уж
столкнуть ядра точно лоб в лоб получается редко.
Гораздо чаще ядра, сближаясь, как бы «задевают плечом» друг друга и разделяются при этом на две части: столкнувшиеся нуклоны остаются в центре, порождая на миг кварк-глюонную плазму, а не столкнувшиеся – просто пролетают мимо. Поэтому в каждом конкретном столкновении температура и плотность кварк-глюонной плазмы получаются разными. А значит следящие за процессом «глаза» нужно иметь практически в каждой точке площади столкновения – как наблюдателей на поле боя.
Во-вторых, при расширении и остывании кварк-глюонной плазмы образуются десятки тысяч частиц, но их энергии при этом получаются умеренно большими – порядка десятков ГэВ.
Столкновения, в которых рождались бы очень высокоэнергетические частицы (с энергией порядка ТэВ – в тысячу раз больше ГэВ), намного менее вероятны, чем при столкновении протонов.
А значит, нужно внимательно обозревать довольно обширную площадь взаимодействия частиц.
Наконец, при изучении столкновения ядер возрастает роль хорошей идентификации частиц. Частицы, игравшие не очень заметную роль в столкновении протонов, теперь выходят на первый план, поскольку они позволяют заглянуть в самый центр кварк-глюонной плазмы.
Чтобы все это увидеть и зафиксировать, нужно сконцентрировать вокруг места столкновения пучков тяжелых ионов огромное количество детектирующей аппаратуры. Вся вместе, работающая слаженно, она и составляет установку колоссальных размеров с именем ALICE.
Алиса в фас и профиль
Установка ALICE набрана из нескольких слоев детекторов разных типов. В самом центре Алисы несколькими цилиндрическими слоями расположены трековые детекторы. Снаружи вакуумной трубы разместился двухслойный вершинный пиксельный детектор, который позволяет восстановить траекторию частицы сточностью более 50микрон. За ними – дрейфовая камера и полосковые детекторы, которые вместе с пиксельным детектором образуют «внутреннюю трековую систему» детектора ALICE.
Внутреннюю трековую систему охватывает особый трековый детектор –времяпроекционная камера. Это огромный (88 м3) и практически пустой цилиндр, заполненный смесью неона и углекислого газа, в котором создано однородное электрическое поле. Ровно посередине камеры находится катод, поэтому электрическое поле направлено от торцов к середине. Когда заряженные частицы пролетают через объем, они ионизирую газ на своем пути. Свободные электроны начинают дрейфовать к торцам цилиндра и, достигнув торца, регистрируются считывающими камерами. Так определяют, координаты частиц.
Другие типы детекторов установки ALICE позволяют идентифицировать частицы, то есть «увидеть их в лицо». Иначе, как узнать, что за частицы образовались в столкновениях ядер?
Внешние слои детектора состоят из калориметрови мюонных систем. Задача особого калориметра ALICE – аккуратно измерить энергию фотонов, поскольку именно фотоны служат индикатором тех условий, которые сопровождают образование кварк-глюонной плазмы (маленького облачка материи с температурой порядка триллиона градусов).
Специальные детекторы ZDC(ZeroDegreeCalorimeters) – адронные калориметры –установлены рядом кольцом ускорителя на расстоянии 115метров вобе стороны от основного детектора. Они регистрируют протоны и нейтроны, вылетевшие в направлении прямо вперед. По измеренной суммарной энергии с этих детекторов можно вычислить, сколько нуклонов пролетело мимо и сколько участвовало в столкновении.
Мюонный детекторв ALICE – димюонный спектрометр – создан для обнаружения пар мюонов. Это частицы, которые получаются при распаде кваркониев– тяжелых частиц, имеющих способность вылетать из самых глубин кварк-глюонной плазмы, азначит, могущих рассказать о свойствах ядерного вещества.
К созданию ALICEприложили немалый труд ученые и инженеры Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. Они разработали и изготовили большой дипольный магнит, дрейфовые камеры детектора переходного излучения и фотонный спектрометр.
Ах, Алиса, как бы увидеться нам…
«Здесь много ваших из Дубны», – сказал мне Борис Полищук из Протвино, когда мы разговорились в ЦЕРНе, в пультовой детектора ALICE. Побывав в конце июля в Женеве, я имела честь познакомиться с церновской Алисой. Экскурсию с любовью к детищу международной команды ученых вела участница проекта, физик Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ Галина Шабратова.
Огромный ангар, скрывающий вход в шахту, где уже работает детектор, в свое время служил сборочным цехом этой колоссальной сверхточной установки. Отсюда ее по специальной технологии осторожно спустили под землю. А под крышей ангара, на поверхности земли, расположился пульт управления детектором. Это комната, где за компьютерами круглосуточно, без перерыва, дежурят операторы, контролируя работу всех систем сложной установки и людей, спускающихся под землю.
В день моей экскурсии пучок Большого адронного коллайдера остановили, сделав техническую паузу.
– Небольшие технические паузы, дня на три, устраивают где-то раз в полтора месяца, – объяснил дежуривший в смене за пультом Борис Полищук. – В это время обычно выполняют какие-то срочные задачи, например, заменяют сгоревшую электронику. В общем, мелкий ремонт, не требующий долгого времени. С апреля детектор работал круглосуточно, в штатном режиме, без происшествий. Пока сталкиваются протоны, а в ноябре, в течение месяца планируются столкновения тяжелых ядер свинца.
Отвечая на вопрос, трудно ли управлять такой махиной, Борис признался: «Сначала казалось, что это очень сложная задача. Но система построена очень разумно, логично, оборудование детектора работает более-менее хорошо, поэтому это не так уж сложно».