Соотношение неопределенностей Гейзенберга задает связь между изменением импульса и расстоянием, изменением и неопределенностью расстояния, которое мы можем измерить с помощью такого переданного импульса. На основании этого можно сформулировать, что для того, чтобы промерять какие-то мелкие расстояния эффектов в микромире, необходимы достаточно большие энергии.
Исторически складывалось так, что первые высокие энергии, доступные через эффекты естественной радиоактивности, — это альфа-, бета-, гамма-излучения. Но эти энергии составляют порядка одного мегаэлектронвольта (МэВ). Это дает возможность промерить эффекты и масштабы расстояний порядка 10-11 сантиметра, то есть порядка размеров ядра и даже больше.
Следующие возможные эксперименты, которые можно провести для измерения на микромасштабе, — это эффекты, связанные с космическими лучами, где доступна более высокая энергия. Но эксперименты с космическими лучами характеризуются низкой интенсивностью столкновений, достаточно неточными измерениями, потому что необходимо строить большие по площади детекторы для широких атмосферных линий и так далее.
Следующий источник для экспериментов по физике частиц и физике высоких энергий — это реакторные нейтрино и солнечные нейтрино. Они в основном используются для нейтринных экспериментов — это достаточно специфичная область в современной физике частиц и физике высоких энергий. Основными экспериментами в этой области являются ускорители. С середины XX века ускорители прочно заняли основное место как источник информации по физике частиц. В современном подходе ускоритель — это коллайдер, когда разогнанные частицы сталкиваются лоб в лоб. Это дает возможность максимально эффективно использовать накопленную частицами энергию, в отличие от того, если мы разгоняем только одну частицу и сталкиваем с какой-то с мишенью.
Наиболее энергичным ускорителем-коллайдером на сегодняшний день является Большой адронный коллайдер в ЦЕРН, поэтому я в основном буду апеллировать к его характеристикам. Когда происходит столкновение на современном коллайдере, происходит жесткое событие. Естественно, на основании этого жесткого события мы хотим получить какую-то фундаментальную информацию. Большой адронный коллайдер имеет энергию порядка 10 тераэлектронвольт (ТэВ), что примерно соответствует масштабу расстояния, которое он может промерить, — 10-18 сантиметра. Это уже очень маленькие расстояния. Естественно, мы говорим о самой фундаментальной информации, которую получаем с коллайдеров.
Как мы это делаем? Строятся детекторы, покрывающие практически всю геометрию разлета рождающихся частиц, так называемую 4Pi-геометрию, и мы можем практически полностью перекрыть баланс энергии и баланс рождаемых частиц в плоскости, поперечной к рождению частиц, к пучкам столкновения. Это дает нам некоторые преимущества и некоторые дополнительные возможности.
Какие мы можем регистрировать объекты? Речь идет о самых фундаментальных.
В современной физике частиц выделяют шесть типов кварков и шесть типов лептонов, плюс четыре типа калибровочных бозонов и хиггсовский скалярный бозон.
Примерно с этими частицами мы и работаем на коллайдерах и именно на них обычно ссылаемся.
Что мы можем в реальности регистрировать в детекторах? В первую очередь это электроны, мюоны, струи адронов, идущих от кварков, и на основании этих струй мы можем достаточно точно характеризовать кварки, которые родились и от которых родились события, от которых произошли эти струи. Еще мы можем регистрировать фотоны. Нейтрино практически не регистрируются в современных детекторах, они очень слабо взаимодействуют с веществом, и нужно строить очень большие детекторы, чтобы их зарегистрировать. Для коллайдерных экспериментов это невозможно, но из-за того, что мы восстанавливаем баланс энергии и баланс импульсов в поперечной плоскости, мы можем говорить о недостающем импульсе — импульсе, который носит нейтрино, — и характеризовать две компоненты его импульса в поперечной плоскости.
Это список объектов, которые регистрируются в современных коллайдерах, причем достаточно точно регистрируются на современных детекторах. Все остальные объекты очень быстро распадаются, и мы имеем о них достаточно точную информацию, но на основании распадов, на основании частиц, вторичных от их распадов.
У нас произошло столкновение-событие. Столкновение-событие на современном коллайдере, например на Большом адронном коллайдере, происходит с частотой примерно 50 наносекунд. В следующих запусках будет даже выше — 25 наносекунд. С такой частотой мы не можем записывать события, не можем их реконструировать, поэтому вначале строится система триггеров. Это некие условия, по которым мы отбираем наиболее интересные для нас события, потому что не все события интересны.
Нам интересны самые жесткие события, в которых рождаются какие-то интересные для нас объекты. Поэтому большинство событий мы можем отфильтровывать на основании каких-то очень простых критериев. Это первичный отбор потока информации, он состоит из нескольких уровней, и на выходе мы получаем уже некоторый удобоваримый поток информации. То есть это отклики из детекторов, какие-то электрические импульсы с различных частей детектора, а детекторы сейчас очень большие, по размерам порядка десятиэтажного дома, там миллионы каналов считывания различной информации в виде электрических импульсов. Естественно, это требует очень серьезной обработки.
После фильтрации на уровне триггеров применяется программа реконструкции. Информацию с различных типов детекторов собирают, чтобы получить характеристики конкретного физического объекта. Например, адроны регистрируются в адронном калориметре, электроны или фотоны — в электромагнитном калориметре, в тех частях детектора, которые поглощают соответствующие частицы. И по выделенной энергии мы можем сказать, что это за частица, ее характеристики и так далее.
Сейчас в детекторах ставится магнитное поле, весьма сильное, порядка 4 тесла. Это дает возможность искривлять треки заряженных частиц и на основании этого получать дополнительную информацию.
Мюонные камеры — это отдельная часть детектора, как правило, заключительная. Они дают очень точную информацию о мюонах, в некоторых случаях эта точность даже меньше процента. Это информация о направлении треков частиц, то есть это трековые детекторы, которые тоже очень важны в современной физике.
Вся эта информация поступает на вход программ реконструкции, где заложены достаточно сложные алгоритмы по реконструкции физических объектов, и на выходе программы реконструкции мы получаем как раз те частицы, которые изначально вошли в детектор: электроны, мюоны, фотоны, струи. Причем различаются некоторые типы струй. Например, струи от b-кварков можно с помощью некоторых методов идентифицировать от струй от легких кварков. С некоторыми ухищрениями, на основании дополнительной информации это некоторые другие вещи, в частности импульс нейтрино и даже какие-то тау-лептоны.
Мы говорим об очень серьезных объемах данных, которые мы должны записать и обработать. Для этого создана специальная компьютерная распределенная система, которая называется «грид» — она многоуровневая, распределена по всему миру, это большие центры компьютерной обработки информации. Причем она создавалась еще до того, как появились облачные вычисления, которые сейчас хорошо известны, и по объему данных это, например, даже больше, насколько я помню сравнение, чем индексная база Google, и с такими объемами работает современная физика высоких энергий.
После того как мы записали выходы программ реконструкций, записали события, мы должны понять, что хотим из них извлечь.
Для этого мы моделируем процессы, которые происходят на коллайдерах. Это отдельная, очень интересная и сложная область на основе каких-то проверенных теоретических моделей либо тех, которые мы можем или хотим проверить. Далее мы проводим для смоделированных событий всю ту же цепочку, которую прошли реальные данные. Это моделирование отклика детектора, моделирование программы реконструкции. И на выходе мы получаем аналогичные события, как те, которые мы записали с реального детектора.
Дальше проходит этап понимания, насколько хорошо мы моделируем процессы, которые проходят на коллайдерах, и как хорошо мы моделируем эффекты, которые хотим проверить. Естественно, в каждом эксперименте вначале открывается то, что было уже открыто и известно до сих пор. Как правило, это происходит очень быстро, потому что новые эксперименты дают больше энергии, больше статистики, и вначале можно открыть рождение W-бозона, Z-бозона, которые были открыты в 80-х годах XX столетия.
После этого, когда мы убеждаемся, что хорошо понимаем детектор и весьма неплохо моделируем наши события, мы переходим к исследованию новых эффектов, которые хотим исследовать с помощью этих новых экспериментов.
На первом этапе реального анализа данных обычно проводят выбор каких-то наблюдаемых характеристик, которые явно выделяют тот эффект, который мы хотим измерить. Дальше проходит наблюдение этих характеристик, сравнение с моделью и какой-то анализ. Например, если это несколько характеристик, то применяются какие-то многомерные методы анализа, например нейронные сети или деревья решений; если это одномерная характеристика, например инвариантная масса, характеризующая массу какого-то рождающегося резонанса, то, соответственно, немного другие методы.
Важный необходимый этап — это учет всех систематических неопределенностей этих результатов. Для этого разработан достаточно сложный и интересный статистический метод, так как все эти процессы носят исключительно статистический характер. И на основании статистического анализа полученных результатов по оценке форм, распределений характеристик либо просто количества событий, с учетом всех систематических и статистических неопределенностей делается заключение о существовании этого эффекта либо о его отсутствии с определенным уровнем статистической достоверности.
Далее представляется в каком-то наглядном виде, описывается в тексте и проходит многоступенчатое одобрение внутри коллаборации. Создается группа экспертов, задача которых — найти слабые места в этом анализе. И когда коллаборация соглашается это выпустить, проходит одобрение сторонних экспертов — только после этого результат становится публично опубликованным и считается достоверным.
Это примерно обычный путь, который проходят современные экспериментальные результаты по физике высоких энергий.
На будущее можно сказать, что очень важный этап — это оптимизация этих анализов. На сегодняшний день разрабатываются различные методы оптимизации каждого из этапов анализа, что даст возможность в будущих экспериментах проводить более точные измерения, углубиться на более мелкие расстояния, разработать новые технологии — это уже речь о фемтотехнологиях. И кто знает, что нам дадут и принесут в будущем эти исследования?
