Иван Сапрыкин
От экспериментов на детекторе ALICE в ЦЕРН ждут фундаментальных результатов в изучении кварков. Иллюстрация Physorg
С легкой руки Льюиса Кэрролла, математика и сочинителя, имя созданной его воображением девочки Алисы вошло в научный оборот. Она, в частности, стала «элементом» пары Эллис–Боб, обменивающихся зашифрованными посланиями, которые в силу их квантовой природы невозможно перехватить – они просто разрушаются при попытке сделать это. По замыслу сказки, приключения Алисы начинаются с того, что она проваливается в кроличью нору, то есть под землю.
Возможно, именно поэтому один из крупнейших в мире детекторов, в камеру которого поступают продукты столкновений пучков элементарных частиц в подземной трубе коллайдера, называется ALICE (A Large Ion Collider Experiment). В трубе сталкиваются пучки ядер (греч. HADPON). Поэтому устройство называют Большой адронный (то есть ядерный) коллайдер (LHC). И вся эта бубликообразная (тороидальная) конструкция расположена на глубине 100 м под землей, проходя под территорией Швейцарии и Франции.
Cтолкновение протонов в трубе имитирует термоядерный процесс. Реально же его пытаются «приручить», нагревая атомы водорода до миллионов градусов, получая при этом плазму, то есть совокупность протонов и оторвавшихся от них электронов. Это облегчает столкновение «голых» протонов. Плазмой называют и сочетание «голых» кварков, и соединяющих их (в норме) «клея» – глюонов. Считается, что в таком виде существовала первозданная Вселенная после Большого взрыва. Ученые полагают, что по мере охлаждения плазмы глюоны через миллионные доли секунды стали «скреплять» кварки. В результате появились протоны и нейтроны. Но состояние последних может быть неустойчивым, что приводит к бета-распаду, следствием которого является вылетающий из ядра электрон, а также вроде бы безмассовая частица, которую итальянец Энрико Ферми предложил назвать «нейтрино» – «маленький нейтрончик».
Нейтрино пребывают в трех «ипостасях» – электронное, мюонное и тау, причем они могут переходить из одного состояния в другое. Явление это называется «миксинг» (Mixing). В силу кажущегося отсутствия массы и реального отсутствия заряда нейтрино практически ни с чем не взаимодействуют, прилетая к Земле из глубин космоса от далеких сверхновых звезд. Тем не менее они изредка все же ударяются в атомы и молекулы, в результате чего возникает вспышка. Эти вспышки отслеживают в нейтринных обсерваториях. Так, за исследования, проведенные в шахте у японского г. Камиоканде и на дне Средиземного моря, в 2015 году присудили Нобелевскую премию.
После этого появились еще две нейтронные обсерватории: одна состоящая из сотен больших контейнеров с водой, собранных в горах, а другая – в Антарктиде. Сейчас это куб. км льда, но хотят «оснастить» детекторами 30 куб. км. В Камиоканде, Антарктиде и Средиземном море фотодетекторы регистрируют нейтрино разных энергий и приходящие с разных направлений. Ледяной куб интересен тем, что он ловит частицы, пронзившие Землю.
И все же поливалентность обсерваторий во многом работает вхолостую, так как события, интересующие физиков, астрономов и космологов, чрезвычайно редки. Именно поэтому большой интерес вызвала публикация в журнале Physical Reviw X коллектива ученых из Физического центра в испанском Сан-Себастьяне, Ливерпульского и Гарвардского университетов. В ней описывается еще один – причем весьма «щедрый» – источник нейтрино, а именно тех, которые возникают как вторичные частицы после бомбардировки атмосферы космическими лучами.
По оценке экспертов журнала Nature, частота фиксации нейтрино должна увеличиться в миллионы раз, и результаты измерений их параметров, накопленные к 2030 году, помогут решить многие проблемы теоретической физики. Есть также надежда, что будут определены массы разных нейтрино.
Представила свои предварительные результаты и международная коллаборация, использовавшая для уловления кварков детектор ALICE. Речь идет о столкновениях не ионных пучков лоб в лоб, а об эллиптических – ионы свинца пролетают вблизи друг друга (elliptical flow). Это приводит к образованию кварков. Преимущество такого подхода заключается в том, что кварки генерируются до образования плазмы. К тому же они легче плазмы. Различие масс должно помочь в последующих измерениях на LHC. Авторы ожидают, что им удастся получить как минимум увеличение эллиптических столкновений ионов свинца в 40–50 раз, что также облегчит получение ценных результатов.
