Мегадетектор ALICE представляет собой многоцелевую мультидетекторную систему, специально разработанную для исследований по физике кварк-глюонной материи в столкновениях тяжелых ядер сверхвысоких энергий. Кварк-глюонная материя (КГМ), или кварк-глюонная плазма (КГП), — это фазовое состояние ядерного вещества, в котором последнее состоит из свободных кварков и глюонов. Эта фаза характеризуется экстремально высокими значениями плотности энергии и температуры. Критическая температура фазового перехода составляет около 200 МэВ. Физика кварк-глюонной плазмы фактически объединяет ядерную физику, физику элементарных частиц, астрофизику и космологию: Вселенная находилась в состоянии кварк-глюонной плазмы в первые мгновения после Большого взрыва (~10 сек) при этом ее температура была ~200 МэВ (~2 10 °К — в 100 тысяч раз выше температуры ядра Солнца).
Исследования по физике кварк-глюонной материи направлены на решение фундаментальной задачи современной науки — объяснить структуру, происхождение и эволюцию материи Вселенной. В земных условиях кварк-глюонная плазма может быть получена в лобовых столкновениях тяжелых ядер сверхвысоких энергий — таких, чтобы реализовались условия для перехода через критическую плотность энергии. В настоящее время такие энергии достигнуты в двух мировых центрах. Это ЦЕРН, в котором с 2009 года работает Большой адронный коллайдер (БАК), обеспечивающий столкновения ядер свинца при рекордно высокой энергии (в системе центра масс) 2760 ГэВ на каждую пару нуклонов сталкивающихся ядер, и Брукхейвенская национальная лаборатория (БНЛ) в США, в которой на работающем с 2000 года ядерном коллайдере RHIC осуществляются столкновения ядер золота при энергии до 200 ГэВ.
Физика кварк-глюонной плазмы в последние 30 лет стремительно развивается. Для исследований в этой области требуются сложные многофункциональные детекторные системы, а также развитие экспериментальных методик за пределы существующих технологий. Их разработка, создание, проведение на них экспериментов и последующий анализ получаемых данных потребовали объединения усилий и средств научных учреждений многих стран.
Планы развития ALICE связаны с повышением энергии частиц и светимости БАК, что позволит на порядок увеличить скорость набора данных и, следовательно, сделает возможными исследования процессов, не доступных при меньшей светимости. Для этого необходима значительная модернизация супердетектора. Работы по модернизации ALICE производятся при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Российские специалисты предложили ряд проектов по модернизации. НИЦ "Курчатовский институт" — один из пионеров и инициаторов исследований ядро-ядерных столкновений. Работы в этой области в институте начались в 70-е годы на синхротроне в Дубне и ускорителе Бэвалак в Беркли сразу после получения там первых пучков ядер. Сейчас научная программа НИЦ "Курчатовский институт" по физике кварк-глюонной плазмы основана на использовании уникальных ускорительных установок мировых научных центров. "Курчатовский институт" — один из инициаторов организации международных объединений ALICE в ЦЕРНе и PHENIX в БНЛ и завоевал лидирующие позиции в одном из ключевых направлений физики кварк-глюонной материи — физике фотонов и нейтральных мезонов. В мегапроекте ALICE в ЦЕРНе "Курчатовский Институт" руководит международным проектом ALICE / PHOS (14 институтов из 8 стран). В рамках проекта создан прецизионный фотонный спектрометр нового поколения, PHOS, имеющий более 10000 каналов на основе кристаллов вольфрамата свинца (PWO), разработанных и произведенных в России.
БАК заработал в конце 2009 года — после почти двадцатилетней подготовки экспериментов на встречных пучках протонов и ядер при рекордно высоких энергиях. За время с момента запуска БАК работал в нескольких режимах. Во-первых, был набран большой объем данных в режиме ускорения протонов до энергии 3500 ГэВ, то есть до энергии протон-протонных столкновений в системе центра масс 7000 ГэВ (в 7 раз выше энергии коллайдера TEVATRON). При этом в течение двух лет во много раз была повышена светимость. Были получены данные в столкновениях протонов при энергиях 0,9 ТэВ, 2,76 ТэВ, 7 и 8 ТэВ. В 2012 году был проведен первый пробный сеанс p+208Pb столкновений с энергией 5.02 ТэВ, во время которых были получены новые данные. В 2010- 2011 годах было проведено два сеанса ускорения ядер 208Pb при энергии 2760 ГэВ на нуклонную пару в системе центра масс, то есть при полной энергии столкновения 574080 ГэВ в системе центра масс (в 13 раз выше максимальной энергии на коллайдере RHIC). В 2013 году были проведены сеансы столкновений ядер p+208Pb с энергией 5.02 ТэВ и столкновений p+р с энергией 2,76 ТэВ.
Рамки участия российских институтов в научной программе Большого адронного коллайдера установлены "Протоколом об участии в реализации программы проведения экспериментов на Большом адроном коллайдере (БАК)" (Распоряжение Правительства РФ от 18 декабря 2003 г. N1871-р) к "Соглашению между Правительством Российской Федерации и Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН) о дальнейшем развитии научно-технического сотрудничества в области физики высоких энергий" от 30 октября 1993 г. (Постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 1993 г. N1040).
Мегапроект ALICE осуществляется с 1992 года. Его научная программа рассчитана по меньшей мере еще на 20 лет. В 2008-2009 годах все четыре мегапроекта на Большом адроном коллайдере, в том числе и ALICE, перешли в новую фазу: были созданы все разрабатывавшиеся в рамках этих мегапроектов системы мегадетекторов. В 2010 году наступило время для физических исследований, ради которых они создавались. В начале 2013 года, так же как и в 2011-2012 годах, продолжался набор статистики в физических исследованиях на БАК, после чего БАК был остановлен до конца 2014 года. В 2015 году были получены пучки протонов с увеличенной энергией 13 ТэВ.
Одним из результатов в международном мегаэксперименте ALICE на Большом адронном коллайдере является проведение детальных исследований подавления выходов адронов в столкновениях тяжелых ядер. Были измерены инклюзивные спектры образования 0 и мезонов в столкновениях протонов при энергии 0,9, 2,76 и 7 ТэВ и в столкновениях ионов свинца при рекордно высокой энергии 2,76 ТэВ. Сравнение спектров 0 мезонов в столкновениях ионов свинца различных центральностей со спектрами в pp-столкновениях при той же энергии столкновения 2,76 ТэВ демонстрирует сильное подавление выходов 0 мезонов в центральных столкновениях тяжелых ионов. Результат убедительно свидетельствует об образовании нового состояния вещества — кварк-глюонной материи, характеризующейся экстремально высокой плотностью энергии.
Эксперимент ALICE обеспечивает возможность идентифицировать частицы и античастицы, ядра и соответствующие антиядра, рождающиеся в столкновениях ядер свинца при рекордно высоких энергиях, и восстанавливать их траектории в магнитном поле установки. Выполняются прецизионные измерения кривизны траектории частицы и время ее пролета, что позволяет с высокой точностью определить отношение заряда к массе. Сравнение этих отношений выполнено для двух комбинаций легких ядер и антиядер: дейтрона (состоящего из протона и нейтрона) и антидейтрона (состоящего из антипротона и антинейтрона); гелия-3 (два протона и нейтрон) и антигелия-3 (два антипротона и антинейтрон). Установлено, что в пределах точности измерений разность этих отношений равна нулю. Этот результат подтверждает CPT-симметрию — фундаментальный принцип, согласно которому законы физики остаются теми же самыми при одновременном изменении знака заряда всех частиц, отражении в пространстве и обращении времени. В эксперименте ALICE на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе с высокой точностью подтверждена фундаментальная симметрия между материей и антиматерией. Выполнены рекордно точные измерения разницы отношений заряда к массе для легких ядер и антиядер. Результат, опубликованный 17 августа 2015 года в Nature Physics, с беспрецедентно высокой точностью подтверждает для легких ядер фундаментальную симметрию между материей и антиматерией. Среди авторов работы — 41 сотрудник НИЦ "Курчатовский институт".
Зачем нужен БАК
Большой адронный коллайдер (LHC, по-русски БАК) является самым высокоэнергетичным ускорителем в мире. Коллайдер ускоряет протоны до рекордной энергии 7 ТэВ. Это в 35 раз больше энергии самого мощного до сих пор коллайдера RHIC (США). Энергия одного протона меньше энергии летящей мухи, но, поскольку протонов очень много, в маленьком объеме пучка, длиной в сантиметр и диаметром всего 64 микрон (толщина волоса), сконцентрирована гигантская энергия, сравнимая с энергией поезда TGV весом в 400 тонн на скорости 150 км/час. Чтобы предотвратить столкновения с молекулами газа, в трубе коллайдера поддерживается вакуум 10-13 атм, такой, как на высоте 1000 км над Землей. Трубу окружают магниты, по которым проходит ток 11000 А. Магниты охлаждаются жидким гелием до температуры -271°С (холоднее, чем в межпланетном пространстве). В тоннеле находятся огромные экспериментальные установки ALICE, ATLAS, CMS и LHCb, каждая высотой с 4-6-этажный дом.
Основные задачи БАК
1. Что такое масса? Почему некоторые частицы имеют массу, а некоторые не имеют? Ответить на этот вопрос — задача экспериментов ATLAS и CMS.
2. Что представляют собой 96% массы и энергии Вселенной? Известная нам Вселенная — это только 4% массы и энергии всей Вселенной. Поиск и исследование свойств "темной материи" и "темной энергии" — также задача ATLAS и CMS.
3. Почему нет антиматерии? Ведь при Большом взрыве образовалось равное количество материи и антиматерии, которые аннигилировали и превращались в энергию. Однако часть материи уцелела, а антиматерии — нет. Пролить свет на эту загадку — задача эксперимента LHCb.
4. Изучить свойства материи в первые мгновения после Большого взрыва, получить новое состояние вещества (кварк-глюонную плазму), в котором Вселенная находилась через 10-5 сек после Большого взрыва, — и изучить ее свойства — задача эксперимента ALICE.
5. Существуют ли "спрятанные миры", есть ли еще пространственные измерения, кроме знакомых нам трех? Найти следы этих спрятанных измерений на большой энергии БАК — задача всех экспериментов.
Безопасность БАК
Специальная комиссия рассматривала всевозможные гипотетические риски:
1. Возможное образование устойчивых микро-черных дыр: их образование в БАКе невозможно, но даже если бы дыра образовалась, она из-за малых размеров не смогла бы поглощать материю и быстро испарилась бы.
2. Возможное образование "странных капелек" (страпелек, strangelets). Это объекты из свободных кварков, которые могли бы, взаимодействуя с ядрами, превратить весь мир в "странную материю". Даже если предположение об их существовании верно, этот сценарий неосуществим, так как страпельки очень быстро распадаются.
3. Возможное образование магнитного монополя, то есть магнита с одним полюсом, который может ускорить распад протона. Монополь никогда не наблюдался, но даже если он образуется, то быстро покинет нашу Галактику, успев "съесть" очень мало протонов до своего обращения в привычный двухполюсный магнит.
4. Возможное образование антивещества и его последующая аннигиляция с грандиозным взрывом. Антивещество, получаемое в лабораториях мира, храниться долго не может, а его количества не хватит даже на то, чтобы взорвать новогоднюю хлопушку.
БАК — самый мощный рукотворный ускоритель, но в окружающем нас мире есть и помощнее. Например космические лучи, соударения которых с ядрами на Земле иногда превосходят энергии БАК. И никакой опасности не было и нет.
Девять фактов о БАК
Когда была завершена прокладка 27-километрового тоннеля, в котором находится кольцо БАК, между Женевским озером и Юрскими горами, два коридора, вырытые с разных сторон, совпали с точностью до 1 см.
Каждое из 6000-9000 ниобиево-титановых сверхпроводящих волокон, составляющих кабели в БАК, имеет толщину всего 0,007 мм. Это в 10 раз тоньше человеческого волоса. Если соединить волокна друг с другом, то их можно протянуть от Земли до Солнца шесть раз, а остатка хватит на 150 "поездок" на Марс.
Все протоны в ускорителях CERN получают из обычного водорода. Хотя пучки протонов БАК имеют очень высокую интенсивность, за день в ускоритель попадает лишь 2 нанограмма водорода. Чтобы "разогнать" хотя бы грамм водорода, БАК понадобится непрерывно работать около миллиона лет.
Центральная часть БАК — самый большой холодильник в мире. В нем при температуре ниже температуры космического вакуума будут "храниться" железо, сталь и сверхпроводящие обмотки.
Давление в вакуумных трубах БАК в десять раз ниже, чем на Луне. Это сверхвысокий вакуум.
Когда протоны в БАК будут разогнаны до проектной энергии, они будут двигаться с 0.999999991 скорости света. Каждый протон будет "пробегать" 27-километровое кольцо коллайдера более 11 тыс. раз в секунду.
Каждый из пучков протонов БАК будет иметь энергию, равную энергии 400-тонного скоростного поезда, движущегося со скоростью 150 км/ч. Этой энергии достаточно, чтобы растопить 500 кг меди.
Солнце никогда не садится над коллаборацией ATLAS. На этом эксперименте работают люди со всех континентов Земли, кроме Антарктиды, поэтому в родной стране кого-то из них обязательно день, а не ночь.
Суммарное количество железа в системе магнитов CMS — более 10 тыс. т. Это больше, чем в Эйфелевой башне в Париже.
Схема мегадетектора ALICE
Рис.02 Лобовое столкновение ядер свинца на Большом адронном коллайдере, зарегистрированное экспериментальной установкой ALICE
Рис. 03 Международное объединение ALICE
Участники
132 института из 36 стран, 1200 участников
10 институтов России:
БИЯФ
ИТЭФ
ИФВЭ
ИЯИ РАН
НИЦ "Курчатовский Институт"
РФЯЦ-ВНИИЭФ
МИФИ
СПбГУ
ПИЯФ
ОИЯИ
Рис. 04 Эволюция вселенной
