Коллайдер

Возьмем, к примеру, систему электромагнитной калориметрии АТЛАСа, предназначенную для измерения энергии частиц. В ее основе лежит метод, который Уильям Уиллис предложил в 1972 г. для несостоявшегося коллайдера «Изабелль»: пропускать поток частиц через жидкий аргон - ионизуя его, они вызывают в нем заметный электрический сигнал. Когда «Изабелль» закрыли, Уиллис включил свой метод в заявку, в которой вместе с Баришем и другими излагал свое видение детектора GEM на ССК. Помимо Брукхейвена, непосредственного места работы Уиллиса, способ с жидким аргоном переняли и другие лаборатории, в том числе Стэнфордская и «Фермилаб». Сегодня Уиллис возглавляет американскую группу в составе проекта АТЛАС, а его оригинальный метод с жидким аргоном составляет основу системы измерения энергии в детекторе.

Если жидкий аргон - эго кровь, текущая в сердце АТЛАСа, то кремниевые пиксели и дорожки (светочувствительные пластины, как в цифровых фотоаппаратах) - это его зоркие глаза. Точка столкновения пучков взята в оцепление так называемым внутренним детектором. Его электронные глаза смотрят практически во все стороны, а частицам впору ощутить себя участниками какого-нибудь реалити-шоу. Не считая участков, где пучок влетает и вылетает, внутренний детектор со всех сторон окружен миниатюрными световыми зондами. Другими словами, он обладает высокой «герметичностью» - почти идеал физиков-экспериментаторов в этой области, стремящихся блокировать все ходы и выходы. Подобная панорамная скрытая камера позволяет очень точно воссоздать последовательность событий во время столкновения.

Чтобы пучок просматривался одинаково хорошо со всех сторон, все узлы АТЛАСа, не исключая внутренний детектор, представляют собой набор концентрических цилиндров (барабан). На входе и выходе перпендикулярно пучку стоят дисковые заглушки. Такая конструкция позволяет покрыть телесный угол почти полностью. В системе слежения внутреннего детектора есть светочувствительные пиксели и дорожки, которыми испещрены три самых глубоких слоя барабана, а также сами заглушки.

Между внутренним детектором и калориметрами разместился сверхпроводящий соленоид (катушка) с магнитным полем около 2 тесла. Криостаты (холодильные агрегаты) поддерживают его температуру на уровне ниже 5 кельвинов. Предназначение соленоида - отклонять заряженные частицы, когда они влетают во внутренний детектор. В зависимости от их импульса (массы, помноженной на скорость) меняется и угол отклонения. Таким образом, электронная система слежения вкупе с магнитом дает экспериментаторам возможность измерить импульсы осколков.

Покинув пределы внутреннего детектора, частицы попадают в электромагнитный калориметр. Врезаясь в свинцовые прослойки, частицы, участвующие в электромагнитных взаимодействиях, порождают ливни и «размазывают» свою энергию по объему жидкого аргона, после чего ее можно измерить. Тонкая электроника улавливает каждую крупинку оброненной частицей энергии, обеспечивая исследователей еще одним источником информации о событии. Узнать заряд, импульс и энергию частицы - это все равно что спросить у солдата его имя, звание и личный номер. Поскольку все эти физические величины сохраняются, данные о характеристиках пойманных частиц позволяют с большой долей вероятности вычислить ловких контрабандистов (например, нейтральные частицы).

Но электромагнитный калориметр отправляет в нокдаун лишь легковесные частицы вроде электронов, позитронов и фотонов. Более тяжелые (и не имеющие отношения к электромагнетизму) частицы проходят через него насквозь и встречают на своем пути толстую стальную пластину, переложенную сцинтилляторами, - адронный калориметр. Окружающие пластину датчики регистрируют тепло, выделяемое любым участником сильных взаимодействий. В этом приборе протоны, нейтроны, пионы и их адронные сообщники последний раз дают свидетельские показания.

Единственные заряженные частицы, которые не способен уловить ни тот ни другой калориметр, - это мюоны. За ними охотятся внешние, самые толстые слои, составляющие мюонную систему. Она во многом напоминает внутренний детектор, те же магниты и система слежения, но размах у нее гигантский по сравнению с остальными узлами АТЛАСа. На фотографиях готового прибора невозможно не заметить исполинскую заглушку мюонной системы, «колесо обозрения».

По форме огромные сверхпроводящие магниты отличаются от центрального магнита, представляющего собой соленоид. Они имеют форму сильно растянутого тора (бублика), а их длина, равная четверти длины футбольного поля, делает их самыми большими сверхпроводящими магнитами в мире. Разделяя внешний барабан на восемь частей, они придают ему вид порезанного на восемь долек фрукта. Эти магниты отклоняют мюоны сильнее благодаря уже одному только размеру. А мюоны на всем своем длинном пути находятся под неусыпным наблюдением тысяч датчиков, скрупулезно подсчитывающих импульсы частиц.

Вид на детектор АТЛАС с его восемью впечатляющими тороидальными магнuтами.