Большой адронный коллайдер был запущен в действие в
2008 г. Спустя три года он занял лидирующие позиции в мире по энергии
соударений пучков ускоренных протонов и ядер и интенсивности соударений,
определяемой пиковой светимостью коллайдера. Летом 2012 г. на Международной
конференции по физике высоких энергий ICHEP2012, проходившей в г. Мельбурн,
Австралия, было объявлено о грандиозном и давно ожидаемом открытии новой
скалярной частицы с массой 125 ГэВ. Анализ показал, что свойства новой частицы
позволяют отождествить ее с бозоном Хиггса, единственного недостающего звена
Стандартной модели. Итогом этого открытия послужило присуждении Нобелевской
премии по физике за 2013г. двум теоретикам, указавших на возможность
существования такой частицы
Ф. Энглеру и
П. Хиггсу.
Стремительность осуществления этих событий опирается на
длительный двадцатилетний период создания Большого адронного коллайдера и двух
самых крупных его детекторов ATLAS и CMS, которые зарегистрировали новую
частицу. Непосредственно её открытию предшествовал широкий спектр измерений и
анализа регистрируемых данных, проведенный коллективами физиков, объединенных
вокруг этих детекторов в виде коллабораций, сотрудничеств ATLAS и CMS. Эти
коллаборации и объявили об открытии новой частицы, установили ее природу и
продолжают исследовать её свойства.
Исследования свойств бозона Хиггса
опираются на детальный анализ процессов в мире элементарных частиц в новой
области кинематических переменных. Детектор ATLAS, коллаборация
ATLAS и совокупность полученных коллективом коллаборации результатов с помощью
этого детектора можно объединить термином эксперимент ATLAS. Основные
результаты, полученные по итогам первого сеанса работы Большого адронного
коллайдера в этом эксперименте, опубликованы в более, чем 250 статьях в научных
журналах. Краткое описание основных результатов приведено в данной книге.
Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) расположен
на территории Швейцарии и Франции и принадлежит Европейской лаборатории
элементарных частиц ЦЕРН (CERN). В составе ЦЕРН присутствует 21 страна. Россия
является ассоциированным членом ЦЕРН и внесла значительный вклад в создание
Большого адронного коллайдера (БАК) и его детекторов. Российские физики активно
участвуют в экспериментах БАК, в том числе и представители Московского
государственного университета имени М.В.Ломоносова.
Основные результаты БАК получены на интегральной светимости
протонных соударений, накопленной в 2011г. при энергии 7 ТэВ и в 2012 г. при
энергии 8 ТэВ. Зависимости величин пиковой и интегральной светимости от времени
приведена на рис.1.1 и 1.2. Интегральная светимость при 7 ТэВ составила 5 фб-1
и при 8 ТэВ более 20 фб-1. Увеличение интегральной светимости в
2012 г. обусловлено значительным возрастанием пиковой светимости коллайдера,
достигшей величины 7.7∙1033см-2с-1.
Рис.1.1. Пиковая светимость БАК в зависимости от времени в 2010-1012гг.
Рис.1.2. Интегральная накопленная светимость протонных соударений в зависимости
от времени в течение 2011 и 2012 гг.
В данной работе приведено краткое
описание детектора ATLAS и инструментария, используемого при моделировании
процессов взаимодействия ускоренных на коллайдере частиц. Более детальное
описание детектора можно найти в [1,2].
Измерения в новой области энергии требуют
измерения всего многообразия процессов взаимодействий, происходящих на разных
расстояниях и при разных переданных импульсах, определяющих степень неупругости
взаимодействий. Измерения сечения взаимодействия протонов и
множественности частиц, образующихся в полной совокупности событий, ряда их
характеристик представлены в разделе общих характеристик взаимодействий.
Коллективные характеристики этой совокупности событий описаны в разделе
корреляций. Сопутствующие события относятся к случаям взаимодействий с большой
степенью неупругости, они сопровождают событие глубоконеупругого, или жесткого,
рассеяния. Далее рассматриваются характеристики жестких процессов, начиная от
процесса рождения тяжелых b и с кварков с массами 1.4 – 5 ГэВ, струй,
образованных этими и более легкими кварками и глюонами, затем рождение векторных
Wи Zбозонов с массами
80-90 ГэВ и наиболее тяжелых частиц - топ-кварков с массой 173 ГэВ. Измерения
совокупности этих частиц позволили осуществить открытие новой скалярной частицы
с массой 125 ГэВ. Более глубоко в динамику фундаментальных взаимодействий
позволяют проникнуть измерения ассоциированного рождения этих тяжелых частиц и
струй и фотонов с большими поперечными импульсами. Эти же измерения позволяют
осуществить поиск новых явлений за пределами Стандартной модели, к которым
относятся поиск частиц, предсказываемых теорией суперсимметрии, темной материи и
многих других экзотических объектов. Приведены пределы на параметры таких
частиц, установленные в эксперименте ATLAS на результатах первого сеанса работы
БАК. Представлены результаты измерений характеристик соударений ядер свинца с
ядрами и протонами. С обзором результатов экспериментов Большого адронного
коллайдера за 2011 г. можно ознакомиться в [3].
Литература к разделу 1
The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider, ATLAS
Collaboration, JINST 3 (2008) S08003
