Содержание:
Запуск коллайдера
Главным результатом работы Большого адронного коллайдера в 2009 году стал сам факт его успешного запуска. За 26 дней, прошедших с момента получения циркулирующих пучков в ускорителе и до его плановой остановки на рождественские каникулы, был сделан целый ряд важнейших шагов в программе поэтапного запуска коллайдера и повышения его производительности. Попутно были поставлены некоторые «рекорды», но отдельного интереса они не представляют, а важны лишь как часть общего плана запуска LHC.
Для того чтобы вывести коллайдер на запланированный рабочий режим, необходимо:
- добиться безопасной циркуляции пучков в ускорителе,
- повысить энергию протонов,
- повысить интенсивность пучков (то есть количество сгустков в пучке и количество протонов в каждом сгустке),
- сжать пучки в месте их столкновения для еще большего повышения вероятности соударений протонов.
Каждая из этих задач, в свою очередь, состоит из многих отдельных шагов. В 2009 году началось выполнение всех четырех задач. Вот краткая хронология тех этапов, которые были пройдены за это время:
20 ноября
Пучки начали циркулировать в ускорителе и были синхронизированы с ускорительной секцией. Вначале пучки «жили» лишь несколько оборотов и затем терялись в ускорительной трубе, но благодаря корректировке магнитной системы «время жизни» пучков было увеличено. 22 ноября пучки уже «держались» по несколько часов.
23 ноября
LHC официально стал «коллайдером»: самые первые протон-протонные столкновения были зарегистрированы всеми четырьмя детекторами.
23 ноября
Большой адронный коллайдер стал «ускорителем»: протоны были впервые разогнаны с энергии инжекции (450 ГэВ) до 560 ГэВ.
23 ноября
Заработала процедура «precycle» магнитов, которая обеспечивает воспроизводимость магнитной системы ускорителя после каждого цикла впрыска, работы и сброса пучков.
29/30 ноября
Достигнута энергия протонов 1,18 ТэВ, и тем самым был побит рекорд американского протон-антипротонного коллайдера Тэватрон (0,98 ТэВ).
6 декабря
Первый несколькочасовой сеанс столкновений 450-гэвных протонов (то есть столкновений с полной энергией 0,9 ТэВ) в режиме 4 сгустка на пучок.
11-12 декабря
Сеансы столкновений в режиме 4 сгустка на пучок с повышенной интенсивностью в каждом пучке (20 млрд протонов).
14 декабря
Сеанс столкновений с энергией 2,36 ТэВ в режиме 2 сгустка на пучок.
14 декабря
Циркулирующие пучки в режиме 16 сгустков на пучок.
16 декабря
Сеанс столкновений с энергией 2,36 ТэВ в режиме 4 сгустка на пучок и с небольшим сжатием сгустков.
Скриншот онлайн-дисплея LHC Vistar 1 при работе в режиме 16 сгустков на пучок. Центральный график показывает интенсивность обоих пучков (то есть суммарное количество протонов в них) с течением времени. Отдельные ступеньки отвечают моментам впрыска очередного сгустка. Изображение с сайта cms.web.cern.ch Технические подробности хода работ, включая регулярно возникавшие неполадки и их устранение, можно найти в ленте новостей Комитета по запуску LHC. О запуске коллайдера рассказывала также иллюстрированная лента новостей из пультовой детектора CMS.
Результаты работы детекторов
Частицы, родившиеся в столкновении протонов, регистрируются детекторами, и из обработки этих данных извлекается информация об устройстве и взаимодействии элементарных частиц. Однако любой регистрирующий прибор требуется откалибровать — то есть проверить его отклик на известные сигналы. Для детекторов в качестве такого сигнала выступают изученные в прошлых экспериментах элементарные частицы. Именно такой калибровкой и были заняты детекторщики в 2009 году. Так, треки заряженных частиц, прошедших сквозь весь детектор, позволили проверить, насколько хорошо разные компоненты детекторов выровнены относительно друг друга. Если же какая-то очень нестабильная частица не регистрировалась непосредственно в детекторе, но детектировались следы ее распада, то по энергии и импульсу дочерних частиц можно было восстановить ее массу, которая должна была совпадать с уже известными значениями. Так проверялась аккуратность измерения энергий и импульсов.
Предварительные данные свидетельствуют о том, что все системы всех детекторов работают хорошо. Отдельные результаты работы детекторов в 2009 году были описаны в докладах на заключительной мини-конференции по итогам года, которая состоялась в ЦЕРНе 18 декабря. Некоторые картинки с изображениями первых столкновений доступны на страницах коллабораций ATLAS и CMS. Более подробные результаты должны появиться в начале 2010 года.
Многоструйное событие, зарегистрированное детектором ATLAS в столкновении протонов с полной энергией 2,36 ТэВ. Отдельными штрихами в центральной части детектора отмечены сработавшие элементы трекового детектора, а проходящие через них линии отображают восстановленные траектории частиц. «Кубики» по краям показывают энерговыделение в калориметрах детектора. Желтые конусы охватывают восстановленные адронные струи. Изображение с сайта atlas.web.cern.ch Что касается новых физических результатов, то ситуация здесь следующая. Несмотря на то что энергия протонов на LHC достаточно велика, светимость коллайдера пока остается на несколько порядков меньше расчетной. Из-за этого в течение 2009 года было накоплено очень мало статистики (несколько миллионов событий с полной энергией 0,9 ТэВ и около ста тысяч событий с энергией 2,36 ТэВ), так что ни о каких существенно новых результатах речи пока не идет.
Впрочем, на данном этапе представляет интерес распределение заряженных частиц по быстроте и другие инклюзивные (то есть «общие», включающие все частицы) характеристики событий. Эти величины интересны не сами по себе, а как способ получше настроить программы моделирования фоновых процессов рождения адронов. В будущем они позволят четче отделять редкие и интересные события от фона. Данные по результатам первых часов столкновений уже были обработаны коллаборацией ALICE и выпущены в виде препринта arXiv:0911.5430 спустя всего несколько дней после их регистрации, а 3 декабря статья была принята к печати. В начале 2010 года должны подоспеть и аналогичные данные с других экспериментов.
