Анатомия одной новости,
или Как на самом деле физики изучают элементарные частицы

Игорь Иванов,
кандидат физико-математических наук,
Институт математики СО РАН (Новосибирск) и Льежский университет (Бельгия)

·  Земная материя

·  Почему кварки не бывают свободными

·  Что такое эксперимент в физике элементарных частиц

·  Мощнейший в мире ускоритель

·  Практика перевода с английского на русский

·  Ох, нелегкая это работа...

·  Сто тысяч миллионов

·  По мнению ученых...

·  И снова о материи

В декабре 2006 года по лентам научных информагентств и СМИ прошло странное сообщение об открытии «свободных топ-кварков» в эксперименте DZero на коллайдере Тэватрон и о том, как это открытие приводит к «еще лучшему пониманию свойств материи» . На самом деле речь идет об изучение процесса одиночного рождения топ-кварка (без сопровождающего его антикварка), а самый достойный для широкого освещения аспект этого исследования заключается в том, как проводилось это исследование (см. подробности в заметке Умные алгоритмы помогли совершить открытие в физике элементарных частиц).

Подавляющее большинство сообщений СМИ об этой работе изобилуют фактическими ошибками и неправильно расставленными акцентами. Но главное даже не это. Беда в том, что эти сообщения представляют в совершенно искаженном виде то, как работают физики, то, что именно они в конце концов получают, и то, зачем они этим занимаются. В этой статье на примере подробного, фраза за фразой, анализа текста новости Ученые приблизились к пониманию строения земной материи я постараюсь объяснить, в чем именно заключаются ошибки, и рассказать, как всё обстоит на самом деле. (Эта конкретная новость не выделяется чем-то особенным из всего множества сообщений, а, скорее, служит их типичным представителем.) Начнем с заголовка.

Земная материя

Заголовок, конечно, крайне неудачен. «Строение земной материи» навевает мысли о геологии, но никак не о физике микромира. Чуть-чуть улучшить его можно было бы, убрав или заменив слово «земная», и в первой строчке заметки так и сделано. Однако эта замена всё равно ситуацию не исправляет просто потому, что получившаяся фраза совершенно никак не характеризует то, что же, собственно, сделано.

На самом деле, суть работы состоит в том, что наконец-то обнаружен редкий процесс в столкновении элементарных частиц. Если быть честными, то надо признать, что это в общем-то рутинный результат, который сам по себе ни к какому большому открытию не привел (хотя, в принципе, может — для этого надо будет улучшить точность эксперимента). Однако в этой истории есть два важных момента: во-первых, эта реакция очень интересует теоретиков, которые надеются с ее помощью проверить некоторые свои построения, а во-вторых, это был исключительно трудоемкий анализ, поэтому-то коллаборация так гордится результатом.

Я пока повременю с объяснением, что же на самом деле означает фраза «...на шаг приблизились к окончательному пониманию строения и свойств ... материи», и перейду непосредственно к описанию эксперимента.

Почему кварки не бывают свободными

Крамольное слово «свободные» моментально превращает текст новости в фарс. Переводчик (вероятно, из ИТАР-ТАСС) лихо перевел «single top-quark production» как «рождение свободного топ-кварка», вскрыв тем самым целый пласт недопониманий, вот уже десятки лет сопровождающих эту тему. Поясню подробно, в чём тут дело.

Сначала — краткий экскурс в современную теорию строения вещества. Всё вещество состоит из атомов, а они состоят из компактного ядра и электронов, сидящих на своих электронных оболочках на большом (по сравнению с ядерными масштабами) удалении от ядра. Ядро, в свою очередь, — это набор протонов и нейтронов, крепко связанных друг с другом за счет ядерного взаимодействия.

Ядерное взаимодействие очень сильное, во много раз сильнее электромагнитного взаимодействия, ответственного за химические связи — достаточно сравнить энергию обычного, химического взрыва и ядерного взрыва. Однако у ядерных сил, связывающих протоны и нейтроны, и электромагнитных сил, связывающих отдельные атомы в молекулы, есть общая черта — они ослабевают при удалении частиц друг от друга. Именно поэтому можно получить свободный атом — то есть атом, отделенный от всех остальных атомов (манипулировать отдельными атомами с помощью скрещенных лазерных лучей физики научились уже давно). Можно также получить отдельный, свободный протон или нейтрон — они, например, вылетают из некоторых радиоактивных ядер.

Для того, чтобы изучить сильные взаимодействия, физики разгоняют элементарные частицы, например протоны, и сталкивают их друг с другом. Если энергия частиц невелика, то они просто упруго отскакивают друг от друга без какого-либо изменения. Если же энергия достаточно велика, то в столкновении протонов рождаются новые нестабильные частицы. Реакции первого типа относятся, скорее, к ядерной физике, а настоящая физика элементарных частиц занимается изучением реакций второго типа. Это, кстати, дало второе название физике элементарных частиц — физика высоких энергий.

Многочисленные эксперименты по столкновению частиц при высокой энергии навели физиков на мысль, что и протоны и нейтроны не элементарны, а состоят из других, более фундаментальных частиц — кварков. Семейство адронов — то есть частиц, состоящих из кварков, — очень велико: протоны, нейтроны, пи-мезоны, К-мезоны и т. д. (Отдельный кварк адроном не является.) Все они, за исключением протона, — нестабильны, распадаются на другие частицы. Например, нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино; K-мезон распадается на два пи-мезона, которые далее распадаются на мюон и нейтрино и т. п.

Однако ни разу ни в каком распаде никакого адрона не наблюдались свободные кварки. То есть адроны состоят из кварков, но распадаются не на них, а на группки кварков, а если кварков в исходном адроне для этого не хватает, то квантовые флуктуации породят столько кварк-антикварковых пар, сколько нужно.

Такая неожиданная особенность поведения кварков связана со свойствами сильного взаимодействия — глюонного поля, которое связывает кварки внутри адронов. В отличие от гравитационных или электрических сил, и даже в отличие от ядерных сил между протонами и нейтронами, сила взаимодействия, связывающего кварки, не уменьшается с удалением их друг от друга. В результате какую бы энергию мы ни передали отдельному кварку, он не сможет удалиться от своего соседа на какое-то экспериментально измеряемое расстояние. Более того, кварки, разлетевшиеся уже на несколько фемтометров (1 фм примерно равен размеру протона), обладают такой большой потенциальной энергией глюонного поля, что она тут же тратится на рождение других кварк-антикварковых пар. Иными словами, передав любому адрону достаточно большую энергию, мы дестабилизируем его, заставляем его тут же распадаться на другие адроны.

В этом смысле по-настоящему свободный кварк — то есть кварк, сильно отдаленный от всех иных кварков, — создать невозможно. Кварки существуют только в связанном состоянии, и явление, отвечающее за это вечное пленение кварков, называется конфайнмент. Это неизбежный вывод в рамках квантовой хромодинамики — единственной известной на сегодня теории, которая может описать все свойства адронов и их столкновений. (Несмотря на многочисленные попытки, никакой альтернативной теории, способной описать всю совокупность данных, так и не построено.)

Конечно, это всё очень непохоже на те силы, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни (что неудивительно — ведь все они, в конечном счете, сводятся к электромагнитным взаимодействиям и гравитации). Поэтому людям, которые считают, что все физические явления должны объясняться в простых, интуитивных, общепонятных терминах, здесь видится какой-то обман. Некоторые из них прямо говорят, что кварки вместе с их пленением — это всё выдумки теоретиков, которые попросту запутались в описании микромира. Либо частицы существуют — и тогда их можно выделить, либо они не существуют.

Разумеется, кварки существуют, этому имеется множество экспериментальных доказательств, которых ниспровергатели попросту не понимают, но речь тут даже не об этом. Речь о том, что заявление «обнаружены свободные кварки», прошедшее по многим СМИ и подкрепленное ссылками на пресс-релизы и научные статьи (да только кто же их читать будет, на буржуйском-то языке), попросту дает в руки «альтернативщикам» новую «дубинку». «Так, значит, кварки существуют в свободном виде, так что ж нам физики голову-то морочили! Вот и вскрылся обман, теперь-то им никуда не деться!»

В результате физикам приходится делать лишнюю работу, устраняя негативные последствия этих ошибочных сообщений, объяснять, что же на самом деле имелось в виду в этих «научных» новостях. Журналисты должны понимать, что такими безответственными сообщениями они не просто дезинформируют читателей, но и наносят удар по престижу современной физики и науки вообще.

Возвращаясь к утверждению о том, что кварки не существуют в свободном виде, замечу, точности ради, что и это еще не вся правда. Как раз топ-кварки отличаются от всех других кварков тем, что они — в некотором смысле! — всегда свободны. Дело в том, что конфайнмент начинает сказываться на движении кварка, лишь когда он отлетит от точки рождения на расстояние порядка 1 фм (10^–15 м). Однако топ-кварк обладает столь малым временем жизни, что такую «большую» дистанцию он просто не успевает пролететь. В результате рождение и распад топ-кварка можно описывать без учета эффектов конфайнмента — то есть не обращая внимания на то, что кварки связаны в адроны.

Наконец, стоит заметить, что называть топ-кварки «верхними» кварками не стоит. Термин «верхний кварк» уже давно закрепился за самым легким среди всех кварков — u-кварком (up-кварком). (Интересно отметить, что некоторые СМИ допустили тут двойную ошибку и прямо написали об «открытии свободного u-кварка». На самом деле, u-кварк — это самый обычный кварк, который наряду с d-кварком входит в состав протонов и нейтронов.)

Причина такого не самого удачного выбора имен в том, что с точки зрения слабых взаимодействий кварки объединяются в пары (то есть шесть кварков надо представлять себе как три пары). В таких парах одну частицу принято называть «верхней», а другую «нижней» (математически, такие пары похожи на два состояния спина электрона — спин вверх и спин вниз). Когда открыли первую пару кварков, то названия up «верхний» и down «нижний» напрашивались сами собой; названия для второй пары кварков — «странный» и «очарованный» — возникли по иным мотивам, а когда речь зашла про кварки третьей пары, то физики для своего удобства придумали синонимы английским словам up и down («верхний» и «нижний») — top и bottom; а в русском языке таких синонимов не нашлось (и up, и top на русский переводятся одним словом — «верхний»). Впрочем, у третьей пары есть и альтернативные названия — true и beauty, «истинный» и «прелестный» кварки.

Вся эта чехарда с именами особого значения не имеет, однако путаться в терминологии не стоит.

Что такое эксперимент в физике элементарных частиц

Эта фраза создает у читателя совершенно неверное представление о том, как вообще протекают эксперименты в физике элементарных частиц. Никакого отдельного эксперимента, поставленного исключительно для поиска одиночного топ-кварка, не было. Ускоритель и детекторы такой стоимости, такого уровня сложности и таких трудозатрат строятся для того, чтобы одновременно изучать огромное количество самых разнообразных процессов.

Изучение какого-то конкретного процесса на современном ускорителе выглядит примерно так. Ускоритель работает на протяжении одного-двух десятков лет — не непрерывно, конечно, а по нескольку месяцев в году (остальное время тратится на обслуживание, модернизацию, устранение неполадок или просто пережидание холодного времени года, чтоб не тратить дорогую электроэнергию). У физиков-ускорительщиков есть даже условная единица измерения — «стандартный ускорительный год», равный 10 миллионам секунд (физики любят подчеркивать, что это примерно в π раз меньше, чем длительность календарного года).

В течение всего этого времени регулярно, с частотой в миллионы раз в секунду, сталкиваются сгустки частиц. Кстати, сгусток (bunch) и пучок (beam) частиц — это не одно и то же. Частицы в кольцевом ускорителе летают, удерживаемые магнитным полем, вдоль одной и той же орбиты. Весь этот поток частиц образует пучок (а точнее, два встречных пучка, которые движутся по двум разным пересекающимся орбитам). Однако этот пучок не сплошной, а разбит на компактные кучки — сгустки, — следующие друг за другом на одинаковом расстоянии. В результате в точке пересечения двух встречных пучков частицы сталкиваются не непрерывно, а через строго определенные промежутки времени; а вокруг этой точки стоят многослойные детекторы элементарных частиц, который пытаются уловить всё, что рождается в столкновениях.

В каждом сгустке обычно собраны многие миллиарды частиц. Кстати, сгустки — это вовсе не «шарики» или «облачка» частиц, а длинные и тонкие «иглы» толщиной несколько десятков микрон и длиной порядка метра. (И вот этими летающими на встречных курсах «иглами» надо управлять так, чтобы в месте встречи они точь-в-точь пронзали друг друга!) Однако плотность частиц в сгустках не так велика, как может вначале показаться: плотность атомов в обычном веществе гораздо больше. В результате, когда два сгустка сталкиваются, то из всех миллиардов миллиардов «попыток» реально сталкивается лишь очень небольшое число частиц — одна-две, иногда несколько. Каждое такое столкновение у физиков называется громким словом «событие».

В подавляющем большинстве столкновений сгустков происходят какие-нибудь «неинтересные» события: например, небольшое отклонение одного из протона под действием электрических сил встречных частиц. Неинтересные они потому, что физики и так давным-давно знают всё, что происходит в этом процессе. Реже, но все-таки довольно часто, много раз в секунду, происходят и более интересные события — например, рождение и распад тяжелой нестабильной частицы, или рождение более стабильных частиц, которые уже долетают до детекторов и оставляют там свои следы (чуть позже я расскажу вкратце, как именно детектируются частицы, какой именно след они оставляют в детекторе). Вот это уже считается интересным событием, и такие события «в сыром виде» записываются для дальнейшей обработки. И уж совсем редко (раз в минуту, в час, в день — в зависимости от типа события) происходят очень интересные события — например рождение очень редких частиц или проявление очень слабых сил взаимодействия между частицами. Именно за такими очень интересными, но редкими событиям и охотятся физики. Именно они позволяют узнать то, что не было изучено в предыдущих экспериментах и над чем ломают головы теоретики.

Всё. Этот сбор «интересных» событий (как говорят физики, накопление статистики) — и есть эксперимент, проводящийся на данном детекторе. Самое интересное начинается дальше...

Самое интересное начинается дальше, на стадии обработки эксперимента. Из всей коллаборации выделяется группа в несколько (или в несколько десятков) человек, которой поручается извлечение какого-то определенного процесса из всей сырой статистики, накопленной, скажем, за 2002-2005 год. Например, поиск событий рождения одиночного топ-кварка. Или измерение массы какого-то конкретного мезона. Или попытки найти проявления некоторых экзотических моделей, которые в данное время в моде у теоретиков.

Экспериментаторы, порасспросив теоретиков и почитав статьи, изучают, что говорит теория по поводу нужной реакции, а также всех тех иных реакций, которые могут оказаться похожими на нее по своим следам в детекторе (такие реакции, которые присутствуют, но в данном анализе напрямую физиков не интересуют, называются «фоновыми процессами»). Результатом этого анализа становится список критериев, которым должна удовлетворять искомая реакция: например, столько-то частиц такой-то энергии, углы отклонения от оси не больше такой-то величины и т. д. Затем перебираются все записанные сырые данные и извлекаются те, которые удовлетворяют нужным критериям.

Это первый, самый простой шаг. После него уже начинается тщательнейший анализ выбранных событий: строятся распределения по импульсами и энергиям, зачастую многомерные, пишутся и многократно перепроверяются специальные программы моделирования, оцениваются многочисленные погрешности как самого детектора, так и методики обработки, и многое другое. Каждый шаг многократно обсуждается и перепроверяется, регулярно проводятся рабочие встречи группы, на которых отслеживается прогресс в каждом из компонентов этого анализа.

На эту работу уходят минимум месяцы, часто — годы, так что участвующие в обработке студенты успевают защитить диссертации и стать полноправными учеными. Однако на масштабе всей коллаборации одновременно идут десятки таких анализов разных процессов, и потому свежие результаты коллаборации появляются регулярно.

Возвращаясь к фразе из заметки, становится понятно, что никакой эксперимент не закончился 8 декабря. В этот день был представлен лишь окончательный доклад группы, которая занималась выделением сигнала одиночного топ-кварка, всем остальным членам коллаборации. Препринт об этом исследовании, hep-ex/0612052, появился 21 декабря, но сам эксперимент продолжает свою работу и по сей день.

Кстати, стоит подчеркнуть, что соавторами каждой такой статьи становятся все участники коллаборации, а не только непосредственно те люди, которые занимались обработкой данных и поиском нужного сигнала. Это стандартная политика, которой придерживаются все большие коллаборации в физике элементарных частиц, и потому приписывать честь открытия только группе из 50 человек под руководством Энн Хейнсон (Ann Heinson), которые непосредственно анализировали события, было бы пренебрежением к «кодексу чести» физиков-экспериментаторов.

В этом вопросе СМИ тоже не избежали ошибок. Тут и тут, например, утверждается, что Энн Хейнсон является руководителем всей коллаборации DZero и что именно под ее руководством был поставлен эксперимент. На самом деле руководят коллаборацией DZero другие люди, и насчитывает она не 50, а более 500 исследователей. (Это число изменяется со временем; см. график численности исследователей и их базовых организаций.)

Ясно также, что не завершения эксперимента ждали физики 12 лет. Они ждали, когда статистики накопится достаточно много, а методы ее обработки станут достаточно «прозорливыми», чтобы углядеть искомый сигнал на нужном уровне статистической значимости. Развитие ситуации было вовсе не столь прямолинейное: закончился эксперимент — и сразу открытие. На самом деле нужные события время от времени регистрировались на протяжении последних лет, и постепенно росла уверенность, что действительно наблюдается искомый сигнал, а не проявление фоновых процессов. Были и более ранние публикации этой же группы, посвященные поиску одиночного топ-кварка, в которых сообщалось, что статистика пока не позволяет сделать выводы о существовании этого процесса, но и не противоречит ему. Сейчас же произошло лишь одно: вероятность «случайного совпадения» стала настолько малой, что физики уже имели право сказать: в нашем эксперименте действительно есть указание на существование искомого процесса. Поскольку эксперимент продолжается, то через год-полтора стоит ожидать новую публикацию по этой теме, с более точным результатом измерения вероятности процесса одиночного рождения топ-кварка.

Интересно, кстати, заметить, что разница между собственно экспериментом и его обработкой становится наиболее явной по окончании работы какого-то большого эксперимента. Иногда даже складывается такая парадоксальная ситуация. Эксперимент, скажем, за пять своих последних лет работы накопил столько статистики, что ее просто некому стало обработать. Молодежь уже на этот эксперимент не идет — ведь он закончился! — группа редеет, все заняты подготовкой нового эксперимента, заниматься обработкой старого уже недосуг. В результате сырые данные со всеми своими возможными открытиями так и лежат, пылятся, никто за них и не берется. Эксперимент проведен, но остался не расшифрован.

Мощнейший в мире ускоритель

Эпитет «мощнейший» неудачен. Что мощнее — самолет-истребитель или товарный поезд из 100 вагонов? Разумеется, надо сравнивать не некую фиктивную «мощность», а те ключевые параметры, которые характеризуют физическую установку. Для коллайдера это полная энергия, светимость и, если хотите, скорость разогнанных частиц.

По всем этим параметрам Тэватрон не лидер. Энергия протонов в Тэватроне составляет около 1 ТэВ (10¹² электронвольт, эВ), но на коллайдере ультрарелятивистских ионов RHIC ядра золота разгоняются аж до 20 ТэВ. Правда, эта энергия распределена поровну между всеми 197 нуклонами, из которых состоит ядро золота, так что на каждый из них приходится только 0,1 ТэВ. Кстати, летящий по комнате комар тоже обладает примерно такой же кинетической энергией — в несколько (десятков) ТэВ, только распределена эта энергия между всеми его 10²² атомами.

Скорость протонов, разогнанных на Тэватроне, больше, чем на RHIC, это верно. Однако практически любой электрон-позитронный коллайдер легко переплюнет Тэватрон и по этому параметру. Дело в том, что скорость ультрарелятивистских частиц (то есть частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света c) зависит не столько от самой энергии, сколько от отношения энергии разогнанных частиц к энергии покоя, то есть к массе. Это отношение называется гамма-фактором, и скорость частицы вычисляется по формуле (v/c)² = 1 – 1/γ². На коллайдере RHIC γ составляет около 100, а на Тэватроне — 1000, поэтому и скорости будут равны, соответственно, 0,99995 и 0,9999995 c. Кстати, видно, что скорость протонов в Тэватроне превышает скорость ядер в RHIC всего на 15 км/сек — мелочи по сравнению со скоростью света. На довольно скромном электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2М в Новосибирске, верой и правдой отслужившем не один десяток лет, электроны разгонялись до энергии всего 0,7 ГэВ (0,7 × 10⁹ эВ). Однако этой небольшой энергии соответствует гамма-фактор 1400, а значит, скорость 0,99999975 c, что на 75 м/с превышает скорость протонов в Тэватроне.

Все эти числа подчеркивают одну простую мысль: сравнение скоростей ультрарелятивистских частиц не имеет особого смысла, так что слова про «огромную скорость» протонов по большому счету пустые, но даже по этому параметру Тэватрон вовсе не лидер.

Остается светимость — величина, показывающая насколько эффективен коллайдер, то есть как часто удается провести реакции нужного типа. Эта величина зависит от многих параметров ускорителя: от частоты столкновения сгустков, от количества частиц в каждом сгустке и от того, насколько плотно они сфокусированы в месте столкновения. Так вот, светимость электрон-позитронных коллайдеров KEKB в Японии и PEP-II в США, в Стэнфорде (на этих двух ускорителях работают так называемые b-фабрики) в сто раз превосходит светимость Тэватрона.

Так почему же Тэватрон умудряется делать открытия, недоступные другим коллайдерам? По какому параметру он лидер?

Он лидер