Пример современного эксперимента: открытие W- и Z-бозонов

В качестве современного субатомного эксперимента, сочетающего достижения в ускорительной технике и технике детектирования частиц, мы в данном разделе опишем эксперимент в ЦЕРНе по поиску, так называемых, промежуточных бозонов W^± и Z, завершившийся их открытием в 1983 г. С точки зрения фундаментальной физики это событие имело исключительно важное значение. Дело в том, что бозоны W^± и Z являются частицами, “реализующими” слабое взаимодействие. В соответствии с современными представлениями любое фундаментальное взаимодействие (этих взаимодействий, как известно, четыре – сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное) осуществляется обменом соответствующими бозонами (т.е. частицами с целым спином) или квантами полей - сильное взаимодействие осуществляется обменом безмассовыми глюонами (их спин 1, они открыты в 1973 г.), электромагнитное – безмассовым фотоном (спин 1), слабое – массивными промежуточными бозонами W и Z (спин 1) и гравитационное – безмассовым гравитоном (спин 2, гравитон пока не наблюдался).
W- и Z-бозоны как переносчики слабого взаимодействия были предсказаны в 60-е годы прошлого века С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом в их электрослабой теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействие. Предсказанные массы W- и Z-бозонов были соответственно в районе 80 и 90 ГэВ/с². В 1976 г. Д. Клайн, П. Макинтайр и К. Руббиа предложили для поиска W- и Z-бозонов построить в ЦЕРНе новый ускоритель (ни один ускоритель в мире в то время не обладал энергией, достаточной для рождения частиц столь большой массы) и в 1981 г. такой ускоритель в ЦЕРНе был создан под руководством С. Ван дер Меера. Этот ускоритель (суперсинхротрон, обозначавшийся SpS) представлял собой протон-антипротонный коллайдер с энергиями сталкивающихся частиц по 270 ГэВ (в дальнейшем энергии частиц были увеличены до 315 ГэВ). W- и Z-бозоны должны были рождаться в p-столкновениях:

p + W^± + X и p + Z + X,

где Х – совокупность других частиц. Протон и антипротон состоят соответственно из трёх кварков (p = uud) и трёх антикварков ( = ) и промежуточные бозоны рождаются в кварк-антикварковом взаимодействии

u +

W⁺;

+ d

W^– ; u +

Z; d +

(1)

    Таким образом, остальные два кварка и два антикварка при каждом p-столкновении с рождением промежуточного бозона не участвуют в этом процессе (являются “наблюдателями”), и продолжают своё движение в направлении движения первичных p-пучков (это направление будем называть продольным), формируя струи адронов и антиадронов.
    Нерелятивистский промежуточный бозон живёт очень мало (3^.10^–25 с) и зафиксировать его рождение можно лишь по факту его распада. В большинстве случаев промежуточный бозон распадается на пару кварк-антикварк, разлетающиеся в противоположные стороны (это те же процессы (1), но текущие во времени в обратном направлении). Искать W- и Z-бозоны по кварк-антикварковой ветви их распада нецелесообразно, так как кварк и антикварк такого распада “тонут” (особенно в продольном направлении) в огромном потоке (фоне) кварков- и антикварков-наблюдателей, не участвующих в рождении W- и Z-бозонов и превращающихся в струи адронов и антиадронов.
    Однако распады W- и Z-бозонов на лептоны, в результате которых эти лептоны вылетают в направлениях перпендикулярных или близких к ним относительно линии столкновения протона и антопротона (эти направления будем называть поперечными) практически не подвержены адронному фону. Речь идёт, прежде всего, о распадах

W⁺

e⁺ +

_e; W^-

e^– +

_e и Z

e^– + e⁺,

(2)

где _e и _e - электронное нейтрино и антинейтрино. Следует отметить, что вероятности рождения W^± и Z в p-столкновениях с последующим их распадом по лептонным каналам (2) очень малы – соответственно около 10^-8 и 10^-9 от полной вероятности всех процессов, проявляющихся при p-столкновении. Прежде чем мы продолжим рассмотрение вопроса о том, как процессы (2) могут быть экспериментально идентифицированы, поясним, почему в коллайдере SpS энергии p-пучков были выбраны равными 270 ГэВ. На первый взгляд кажется, что суммарная энергия сталкивающихся протона и антипротона (270 + 270 = 540 ГэВ) намного превышает требуемые для рождения W- и Z-бозонов энергии (80 и 90 ГэВ). На самом деле энергия столкновения 540 ГэВ оптимальна для рождения промежуточных бозонов. Действительно, необходимо принять во внимание, что кварки (антикварки), составляющие протон (антипротон), несут лишь примерно половину его импульса. Оставшаяся половина приходится на глюоны, обменом которыми осуществляется взаимодействие кварков внутри протона. Так как кварки u и d имеют примерно одинаковые массы, то на каждый из трёх кварков протона приходится 1/6 энергии протона. Таким образом, полная энергия столкновения кварка и антикварка, которая в процессах (1) может быть использована на рождение промежуточного бозона, составляет примерно 1/6 от величины 540 ГэВ, т. е. около 90 ГэВ.
    Итак, планировалось искать W- и Z-бозоны по их распадам на лептоны (2), летящие в поперечном направлении, т. е. под углами близкими к 90^о относительно направления движения сталкивающихся p-пучков. Этими лептонами обязательно должны были быть либо электрон или позитрон (распад W^– или W⁺), либо электрон и позитрон (распад Z).
    Легко представить себе характеристики “идеального” для идентификации события рождения, например, W^–-бозона. Имеющие почти одинаковые массы и скорости и d-кварки испытывают лобовое столкновение и W^–-бозон рождается в состоянии покоя с m_Wc²80 ГэВ. Далее W^– распадается на электрон и электронное антинейтрино. Они летят в противоположных (и поперечных) направлениях с одинаковыми импульсами и практически одинаковыми энергиями E(e)E(_e) m_Wc²/240 ГэВ (массы электрона и антинейтрино ничтожны по сравнению с массой W-бозона). Никаких других частиц, летящих в поперечном направлении, в таком распаде W^–-бозона не должно быть. Таким образом, детектирующая установка должна зарегистрировать электрон с энергией 40 ГэВ, летящий в поперечном направлении. Что касается нейтрино (антинейтрино), то оно ускользает из детектирующей установки без регистрации, так как пробег нейтрино с энергией 40 ГэВ в твёрдой среде (например, железе) превышает 1 млн километров. Нейтрино – единственная частица, которую установка не в состоянии “увидеть”. Итак, событие с одним электроном, летящим с энергией 40 ГэВ в поперечном направлении и с недостающим поперечным импульсом = E(_e)/c40 ГэВ/с в противоположном относительно электрона направлении, является доказательством распада W^–-бозона. Никакой другой процесс, кроме распада W^–-бозона, не может оставить такого следа в экспериментальной установке.
    Идеальное событие для идентификации Z-бозона очевидно. Установка должна зарегистрировать электрон и позитрон, летящие в противоположные стороны в поперечном направлении с одинаковыми энергиями E(е⁺) E(е^-)m_Zc²/245 ГэВ. Никаких других частиц не должно быть.
    Перейдём к описанию эксперимента. Начнём с ускорителя. Ускоритель SpS сооружался в период 1979-1981 гг. на базе протонного суперсинхротрона SРS (см. таблицу и рисунок), который работал в ЦЕРНе с 1976 г. и мог ускорять протоны до 450 ГэВ. Ускоритель размещён на глубине 50 м под землёй в тоннеле диаметром 4 м. Радиус кольца этого ускорителя 1.1 км (соответственно длина кольца 6.9 км). По окружности ускорителя было расположено в периодической последовательности, называемой решёткой ускорителя, около 800 отклоняющих (дипольных) магнитов и более 200 фокусирующих (квадрупольных). Каждый период решётки (таких периодов было 108) включал 4 отклоняющих магнита, фокусирующий магнит, ещё 4 отклоняющих магнита и 1 фокусирующий. Пучок фокусировался попеременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Точность установки фокусирующих магнитов была 0.1 мм. Величина отклоняющего магнитного поля в процессе ускорения увеличивалась от 0.045 до 1.8 Тл.
    В ускоритель SРS протоны “поставлялись” уже ускоренными до энергии 26 ГэВ протонным синхротроном PS (см. табл. 1 и рис. 14). В свою очередь в PS они инжектировались из предварительного синхротрона меньших размеров (бустера), где энергия протонов достигала 800 МэВ. В бустер протоны попадали из линейного ускорителя на 50 МэВ. В этот последний ускоритель они поступали от газоразрядного источника ионов. Таким образом, SРS являлся, по существу, ускорительным комплексом, состоящим из четырёх последовательных ускорителей. При переходе к SpS этот комплекс был дополнен системой генерации и ускорения антипротонов.
    Антипротоны рождались протонами с энергией 26 ГэВ от PS, падавшими на медную мишень (доля антипротонов в общем потоке адронов, возникавших в мишени, составляла 10^-8. Далее магнитные и электрические поля отбирали антипротоны с энергией 3.5 ГэВ и они поступали в накопитель антипротонов. Накопители (накопительные кольца) – это устройства для накопления и длительного удержания (часы, дни) пучка заряженных частиц на стационарной замкнутой орбите в высоком вакууме при постоянной энергии. По принципиальной схеме накопитель, как правило (и в данном случае), является синхротроном. Накопленные антипротоны с энергией 3.5 ГэВ направлялись затем в SРS, где они ускорялись до 270 ГэВ, двигаясь в одной и той же ускорительной камере в противоположных направлениях.
    Для того, чтобы максимально увеличить эффективность использования сравнительно небольших потоков антипротонов, применялась процедура “охлаждения” антипротонного пучка, которая уменьшала разброс в траекториях и энергиях отдельных антипротонов (т. е., по существу, снижала их тепловой разброс), в результате чего пучки антипротонов становились более плотными и монохроматическими и вероятность столкновения протонов и антипротонов существенно возрастала. Охлаждение происходило в антипротонном накопителе и осуществлялось стохастическим методом, предложенным Ван дер Меером. Специальный датчик в определённой точке вблизи орбиты антипротонов отслеживал их параметры и при отклонении траектории антипротона от оптимальной посылал сигнал на корректирующее устройство, располагавшееся примерно через пол оборота от датчика.
    В основном ускорительном кольце (SРS) вращалось в очень высоком вакууме (10^-11 торр) по три сгустка (банча) протонов и антипротонов. Их пересечение и столкновение происходило в нескольких точках орбиты. Длина сгустка была 20 см, площадь поперечного сечения 3^.10^-4 см², число частиц в сгустке 10¹⁰-10¹¹. Время между столкновениями - 3.8 мкс. Поскольку вероятность взаимодействия при каждом столкновении была мала (10^-26 см²), пучки, практически не меняясь, циркулировали в ускорительной камере многие часы.
    Перейдём теперь к описанию детектирующей установки, применявшейся для регистрации событий (2) распада W- и Z-бозонов. Были созданы две установки: UA1 (руководитель К. Руббиа) и UA2 (руководитель П. Дарьюла), которые устанавливались в разных точках столкновения p-пучков и работали независимо. Такое дублирование является характерным для особо важных экспериментов в физике высоких энергий и обеспечивает однозначность конечного результата эксперимента. UA1 и UA2 несколько отличаются друг от друга. UA означает сокращённое словосочетание Underground Area – Подземная Зона (экспериментальные установки, как и ускоритель, находились под землёй). Ограничимся описанием UA1.


Рис. 1. Установка UA1

    UA1 (как и UA2) является сложной системой детекторов различного типа с общими размерами 10×5×10 м³, массой 2000 тонн и стоимостью 65 млн долларов. Управление работой детектора и обработка информации с него осуществлялась 24-мя ЭВМ. В создании UA1 и работе с ним участвовало 135 специалистов из 12 стран. Установка UA1 могла передвигаться по рельсам и в случае необходимости убрана из зоны столкновения p-пучков в специальный “гараж”. Фотография UA1 приведена на рис. 1. Принципиально установка UA1 была сконструирована аналогично любому современному детекторному комплексу физики высоких энергий типа ATLAS. Пучки протонов и антипротонов попадали в детектор с двух противоположных сторон и сталкивались в его центре. Точка соударения p-пучков находилась внутри центрального детектора, имевшего форму цилиндра длиной 5.8 м и диаметром 2.3 м, вдоль оси которого протоны и антипротоны двигались навстречу друг другу.
    Центральный детектор представлял собой совокупность больших дрейфовых камер в магнитном поле, заполненных газовой смесью аргона и этана. Общее число проволочек в этих камерах было равно 23 000. Магнитное поле 0.7 Тл создавалось в объёме 7×3.5×3.5 м³ магнитом, ярмо которого окружало центральный детектор. Центральный детектор позволял восстановить траектории частиц, рождавшихся при
p-столкновениях, определить их импульсы и ионизационную способность. Максимальное время дрейфа электронов, возникающих при ионизации заряженной частицей атомов газовой смеси в дрейфовой камере, было 3.6 мкс, т. е. несколько меньше временнoго интервала 3.8 мкс между двумя последовательными столкновениями сгустков протонов и антипротонов.
    Центральный детектор был окружён (в том числе и с торцов) электромагнитным калориметром, состоявшим из чередующихся слоёв свинца и сцинтиллятора. В этом калориметре поглощались электроны, позитроны и фотоны и измерялась энергия этих частиц. Электромагнитный калориметр в сочетании с центральным детектором позволял отличить электроны и позитроны от адронов и электроны от позитронов.
    Энергичные адроны проходили через электромагнитный калориметр и попадали в адронный калориметр, которым служило железное ярмо магнита, проложенное слоями сцинтилляторов. Данные адронного калориметра вместе с данными электромагнитного калориметра позволяли определить энергию адронов. Ячеистая структура обоих калориметров позволяла также установить направление движения регистрируемых ими частиц.
    За пределы адронного калориметра из заряженных частиц могли выйти только мюоны. Для их регистрации предназначался мюонный детектор, который являлся самой внешней детектирующей оболочкой UA1. Этот мюонный детектор представлял собой несколько слоёв дрейфовых камер.
    В целом детектор UA1 регистрировал и идентифицировал все частицы, кроме нейтрино и антинейтрино, вылетавшие в любых направлениях, кроме тех, которые образуют очень малые (< 0.2^о) углы относительно оси сталкивающихся p-пучков. Таким образом, уникальные возможности UA1 позволяли зафиксировать практически все события взаимодействия протонов и антипротонов и реконструировать картину каждого из них.
    Сечение рождения W-бозонов в p-столкновении 5^.10^{- 33} см². Лишь примерно 8% родившихся W-бозонов распадаются по каналу W e + _е, который необходимо было обнаружить. Рождение же Z-бозонов и их распад по каналу Ze⁺+ e^– происходит ещё реже (примерно в 10 раз). Столь низкие вероятности искомых событий привели к тому, что в первых экспериментальных сеансах количества обнаруженных распадов W- и Z-бозонов исчислялось единицами.
    В 30-дневном сеансе в ноябре-декабре 1982 г. в 1 млрд p-соударений было зафиксировано лишь 6 событий W e + _е. Последовательность выделения этих шести событий из 10⁹ p-соударений была следующей. Вначале в режиме on-line было отобрано около 10⁶ событий, в которых вылетающие частицы имели большие (>10 ГэВ/с) импульсы в поперечном направлении относительно оси p-пучков. Далее были оставлены 140 000 событий, содержавших электрон (он идентифицировался по характеру ливня в электромагнитном калориметре). Из них при off-line анализе выбрали 28 000 случаев, отвечавших появлению в электромагнитном калориметре ливня с поперечным импульсом >15 ГэВ/с. Затем оставили 2125 событий, в которых ливни в электромагнитном калориметре являлись продолжением чёткого одиночного трека заряженной частицы в центральном детекторе с поперечным импульсом >7 ГэВ/с. В результате применения ещё нескольких критериев из этого числа было оставлено 39 самых надёжных событий, которые анализировались “индивидуально”. Конечный итог всего анализа – 6 событий W e + _е.
    К тем же шести событиям привёл и альтернативный метод отбора. В нём из уже упомянутых 2125 случаев были оставлены лишь те, в которых наблюдались большие (10-40 ГэВ/с) недостающие поперечные импульсы, уносимые нерегистрируемыми частицами (ими могли быть только нейтрино и антинейтрино). Ещё 4 события W e + _е были найдены на установке UA2.
    В следующих экспериментальных сеансах (1983 г.) были найдены уже несколько десятков событий рождения и распада W-бозонов. Кроме того, были обнаружены первые 13 случаев рождения и распада Z-бозонов. Данные этих экспериментов позволили определить массы W- и Z-бозонов:

m_Wc² = (81 + 2) ГэВ, m_Zc² = (93 + 2) ГэВ,

которые практически совпали с предсказываемыми электрослабой теорией.
В 1984 г. К. Руббиа и С. Ван дер Меер были удостоены Нобелевской премии “за определяющий вклад в проект, осуществление которого привело к открытию частиц, переносящих слабое взаимодействие”.