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.

Почти вся масса любого атома сосредоточена в ядре, которое меньше атома в сто тысяч раз. Ядро сложено из протонов и нейтронов, которые состоят из кварков. (Рис. с сайта www.star.bnl.gov)

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.

Глюонные силы, связывающие кварки в протоне, не ослабевают при удалении одного кварка от другого. В результате при попытке «вырвать» кварк из протона глюонное поле порождает дополнительную кварк-антикварковую пару, и от протона уже отделяется не кварк, а пи-мезон. Пи-мезон уже может улететь сколь угодно далеко от протона, потому что силы между адронами ослабевают с расстоянием. (Рис. с сайта www.nature.com)

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.

Чем дальше кварки удаляются друг от друга, тем сильнее становятся связывающие их силы (рис. с сайта nobelprize.org)

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.

Современные гигантские ускорители строятся вовсе не для того, чтобы провести всего лишь какой-то один опыт над элементарными частицами. В современном эксперименте изучается сразу всё, что может произойти с исходными частицами, фактически проводятся сразу десятки и сотни параллельных экспериментов. На этой фотографии показан момент установки одного из тысяч сверхпроводящих магнитов в туннеле коллайдера LHC. (Фото с сайта lhc-machine-outreach.web.cern.ch)

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.

Частицы в пучке на ускорителе собраны в компактные сгустки. Сравнение протонного сгустка на LHC со стадом слонов не случайно: протоны более чем в тысячу раз тяжелее электронов, и поэтому удерживать их на орбите гораздо труднее. (Рис. с сайта bullarchive.web.cern.ch)

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...

Так выглядит типичное «интересное» событие в детекторе CDF на Тэватроне. Показан вид детектора с торца. Пучки сталкиваются в направлении, перпендикулярном рисунку, а рожденные частицы разлетаются в разные стороны, отклоняясь в магнитном поле. Чем больше импульс частицы, тем слабее она отклоняется. Гистограмма на краях показывает энерговыделение частиц. (Рис. с сайта www-cdf.fnal.gov)

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.

Скромный ускоритель ВЭПП-2М (слева) в Институте ядерной физики в Новосибирске имеет длину всего 25 метров, и тем не менее скорость электронов в нем больше скорости протонов в Тэватроне (справа), длина которого более 6 км. (Фото с сайтов www.inp.nsk.su и history.fnal.gov)

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 по концентрации энергии, то есть по энергии, приходящейся на одну частицу. Когда на RHIC сталкиваются друг с другом два ядра, то самые жесткие реакции протекают не на уровне цельных ядер, а на уровне отдельных протонов. Именно поэтому на Тэватроне с энергией 1 ТэВ на протон идут те реакции, которые невозможны (а точнее, теоретически возможны, но обладают бесполезно малой вероятностью) на RHIC с его энергией 20 ТэВ на ядро и уж тем более — в столкновении двух комаров с той же энергией.

Практика перевода с английского на русский

Эта наукообразная фраза даже не неправильна, она просто бессмысленна. Причина этого — сразу несколько смысловых ошибок, вызванных неправильным переводом исходной фразы из пресс-релиза.

Цитата из текста новости по искажению смысла немногим уступает машинному переводу, выполненному онлайн-переводчиком Google (изображение с сайта translate.google.com)

Во-первых, подчеркну, что в описываемом эксперименте вовсе не «впервые обнаружены топ-кварки». Эти кварки были открыты еще в 1995 году, однако до сих пор надежно был изучен только процесс парного рождения топ-кварка и его антикварка. Так что в этой работе изучались не «признаки существования» топ-кварка, а признаки его одиночного рождения.

Слово «оттенены», может быть, и красивое, но использовано оно не к месту. Это слово наводит на мысль, что «другие процессы» подчеркивают, делают более выразительным искомый процесс. На самом деле, ситуация совершенно противоположная: другие процессы слишком похожи по своим проявлениям на рождение одиночного топ-кварка и мешают его выделению из накопленной статистики. В англоязычной литературе в этой ситуации используют слово «mimic», что на русский можно более точно перевести как «имитируют», «маскируют», в крайнем случае — «затмевают собой»: посторонние, фоновые процессы затмевают собой искомый сигнал.

Далее, ясно что никакие процессы «на уровне атомов» тут не могут играть никакой роли. Атомные и молекулярные явления протекают на расстояниях в миллионы раз больших, временах в миллиарды раз больших, и при энергиях в десятки миллиардов раз меньших, чем те, на которых происходит рождение и распад топ-кварка. Напомню, что жизнь топ-кварка столь быстротечна, что он ничего не успевает узнать даже про атомные ядра, не говоря уж об атомах! Процессы, которые маскируют одиночное рождение топ-кварка, это тоже субъядерные процессы, которые никаким боком к атомным явлениям не относятся. В пресс-релизе использован термин «субатомные процессы», который, конечно, тоже не очень точен, но, по крайней мере, осмыслен.

Наконец, оборот речи «...которые происходят на более высоких уровнях» возник из фразы «...that occur at much higher rates», что означает всего лишь «... которые происходят с более высокой частотой».

Итак, процитированная фраза на самом деле означает следующее: «Проявления рождения одиночного топ-кварка легко теряются на фоне гораздо большего числа похожих на него посторонних процессов».

Ох, нелегкая это работа...

Замечу, во-первых, что во фразе «пришлось применять чрезвычайные сложные критерии отбора» и заключена основная суть описываемой новости. Именно это есть то, чем так гордятся авторы этой работы. Более подробно об этом можно прочитать в заметке Умные алгоритмы помогли совершить открытие в физике элементарных частиц.

Второе замечание более тонкое. Если начало фразы «На первой стадии они выбрали примерно 1400 событий...» верное (разумеется, после исправления «процессов» на «событий»), то окончание — «... удалось выявить 62 случая рождения одиночных топ-кварков» — совершенно неверное (даже после исправления другой ошибки «свободных» на «одиночных»). Эта фраза подразумевает, что после кропотливого анализа физики разделили все 1400 событий на две «кучки»: вот те 62 события, которые нас интересуют, а вот остальные 1338 событий, которые нас не интересуют. Так вот, такое разделение в данном анализе попросту невозможно! На этом моменте стоит остановиться подробнее, потому что он иллюстрирует одну из важных трудностей в анализе сложных процессов элементарных частиц.

Начну с аналогии. Представьте себе директора кинотеатра, который недоволен посещаемостью своего заведения — статистика за последний год говорит ему, что продается в среднем по 20-30 билетов на сеанс. Обычно это или случайные посетители, или завсегдатаи, взявшие в привычку ходить на все новые фильмы подряд. Для того чтобы привлечь побольше публики, директор перед очередным показом провел массированную рекламную кампанию, и в результате на следующий сеанс было продано аж 60 билетов!

Можно ли примерно оценить эффект от рекламной кампании? Да, конечно; она привела 30-40 новых человек. Для более точного анализа надо сначала нарисовать график посещаемости нескольких последних сеансов и выяснить тенденцию изменения посещаемости до рекламной кампании. Затем эту тенденцию нужно экстраполировать на сегодняшний сеанс, вычислить ожидаемое количество посетителей без рекламы и, сравнив его с фактической продажей билетов, получить рекламный эффект.

Хорошо, но можно ли в этом случае сказать что-то определенное про конкретного посетителя, купившего билет, скажем, за номером 45? Привела ли его реклама или же это был «постоянный клиент»? Не расспросив его, этого узнать нельзя — факт продажи билета никак не различает эти две возможности. То есть, сравнивая статистику «раньше» и «сейчас», мы можем узнать примерное количество людей в целом, пришедших благодаря рекламе, однако в каждом конкретном случае, про каждого конкретного посетителя мы не можем сказать ничего достоверного.

Этот рисунок иллюстрирует ту порой скучную и даже черную работу, которую должны выполнить физики, чтобы выделить редкие события из всей статистики. На самом деле зачастую вообще невозможно достоверно сказать, родилась или нет интересующая нас частица в каждом конкретном событии. Осмысленную информацию можно извлечь только из всей статистики в целом. (Artwork: CERN. Рис. с сайта www.exploratorium.edu)

В случае оценки вероятности одиночного рождения топ-кварка ситуация ровно такая же. Один и тот же набор частиц, долетевших до детекторов, мог получиться как в результате рождения и распада топ-кварка, так и без него. Указать, какие конкретно события среди этих 1400 событий получились за счет топ-кварка, — невозможно. Максимум, что можно оценить — это вероятность того, что данное событие получилось за счет топ-кварка.

Однако это не мешает ученым выяснить на основании статистического анализа всей выборки в целом, каков в среднем процент топ-кварковых событий.

Для этого физики — по аналогии с графиком посещаемости кинотеатра — строят график распределения событий по кинематическим параметрам — например, по энергиям зарегистрированных частиц или по углам их разлета друг относительно друга. В таких распределениях искомые события, вызванные рождением и распадом топ-кварка, выглядят как небольшой «бугорок» на плавном фоне гораздо большего числа событий, вызванных иными процессами. Сравнив количество событий непосредственно на пике и вдали от него, можно примерно оценить количество топ-кварковых событий.

Стоит, впрочем, подчеркнуть, что в данном анализе этот бугорок был столь маленький, что просто так его и не заметишь. Именно для этого пришлось строить несколько десятков разных распределений и использовать умные алгоритмы, натренированные на распознавание таких сигналов.

Возвращаясь к процитированной фразе, поясню напоследок, откуда появилось это загадочное число 62. Всё очень просто: 62 ± 13 — примерно столько событий предсказывалось на основании Стандартной модели. Кстати, в пресс-релизе всё написано четко: «Of these [1400] candidates, only about 60 single-top events were expected...» То есть «ожидалось, что среди этих кандидатов должно быть около 60 событий рождения одиночного топ-кварка», но никто не утверждает, что эти конкретные события были однозначно выделены. Количество топ-кварковых событий, действительно наблюдавшихся в эксперименте, можно оценить лишь очень приближенно, и эта оценка не противоречит ожидаемым значениям.

Сто тысяч миллионов

Здесь есть любопытный момент: разные СМИ написали тут совершенно разные числа. Например, Газета.ру, цитируя ИТАР-ТАСС, вначале сообщила о «...миллионах миллиардов столкновений элементарных частиц», а затем в подробной заметке написала про «... миллионы миллионов столкновений частиц».

Числа, приведенные в пресс-релизе, тоже могут сбить с толку. Вначале говорится о миллионах миллиардов протон-антипротонных столкновений, а затем уже про два миллиарда событий, зарегистрированных с 2002 года. Какие же из этих чисел верны и что они обозначают на самом деле?

Давайте сначала сделаем простую оценку, используя известные параметры коллайдера. (Краткую информацию об основных параметрах всех современных ускорителей можно найти в сводке High-energy collider parameters, Pdf, 80 Кб.) Протонные сгустки на Тэватроне сталкиваются каждые 400 нс, то есть 2,5 миллиона раз в секунду. В течение стандартного ускорительного года произойдет несколько десятков триллионов (миллионов миллионов)

столкновений сгустков. Далее, в каждом столкновении сгустков может произойти несколько (обычно не более 10) независимых столкновений отдельных элементарных частиц. Умножая на четыре года, получаем примерно не более одного миллиона миллиардов столкновений отдельных элементарных частиц.

Однако, как уже говорилось, в подавляющем большинстве случаев эти события совершенно неинтересны. Кроме того, у экспериментаторов просто нет возможности записывать абсолютно все события, оставившие хоть какой-то след в детекторе. Поток данных в этом случае составил бы сотни гигабайт в секунду, или многие петабайты (петабайт — это миллион гигабайт) в сутки, а такие емкости — при всём уважении к достижениям хайтека — пока недостижимы. Поэтому без отсева событий не обойтись, и тут интересно поговорить о том, как детектор — в данном случае DZero на Тэватроне — умудряется справиться с такой лавиной данных.

Обычно после каждого столкновения какие-то частицы рождаются, пролетают сквозь детектор и оставляют в нём свой след. Например, высокоэнергетические заряженные частицы ионизируют вещество на своем пути — выбивают электроны из атомов. Эти бездомные электроны быстро оседают на расположенных поблизости электродах, электроды передают заряд преобразователю, который дает сигнал на выходе из детектора: «электрод номер такой-то собрал столько-то заряда». Если же частица поглощается в детекторе без остатка, то часть ее энергии выделяется в видимом свете. Этот свет собирают фотоумножителями, и на выходе появляется сигнал: «фотоумножитель номер такой-то собрал столько-то фотонов». Из набора таких сигналов и складывается суммарный первичный отклик всего детектора.

Современные детекторы элементарных частиц напичканы сложнейшей электроникой. На фото: центральная часть детектора CMS, одного из детекторов, готовящихся к работе на коллайдере LHC. Внимательно рассмотреть этот прибор на снимке, сделанном 39-мегапиксельной камерой, можно здесь (3 Мб) и здесь (42 Мб). Фото с сайта cmsinfo.cern.ch

Весь набор электроники, которая решает, нужно ли на эти сигналы обращать внимание или их можно проигнорировать, называется триггер. По сути дела, триггер — это «диспетчерская», работающая месяцами без остановки в режиме жесточайшего цейтнота.

Сырые данные, которые детектор выдает при каждом столкновении, то есть несколько миллионов раз в секунду, поступают вначале на триггер первого уровня — электронную схему, которая должна увидеть в этих разрозненных данных какие-нибудь объекты. Например, если несколько соседних электродов, расположенных по цепочке, сообщили об осевшем на них заряде — то это хорошо, это значит, тут прослеживается трек — кусочек траектории какой-то частицы. Если таких треков набралось несколько, значит это событие может оказаться интересным и его стоит проанализировать подробнее. Триггер первого уровня пропускает его дальше.

Компоненты триггеров первого уровня для CMS — одного из детекторов на коллайдере LHC (подробнее рассмотреть снимок можно здесь, 700 Кб). Фото с сайта cmsinfo.cern.ch

Триггер первого уровня работает в очень суровых условиях — на всё про всё ему выделено несколько микросекунд! Слишком долго думать нельзя — иначе буфер переполнится, и те события, которые идут следом, просто потеряются. Поэтому триггер первого уровня работает на алгоритмах, встроенных в микросхемы — без какого-либо программного обеспечения или операционной системы, исключительно на уровне «железа».

Событий, отобранный триггером первого уровня, уже намного меньше, чем изначальных — около 2 тысяч в секунду. Они поступают на триггер второго уровня, у которого две задачи: во-первых, полностью оцифровать все сигналы, а во-вторых, выяснить, что за частицы пролетели, сколько их было. Этот триггер делает первый набросок общей картины того, что же «увидел» детектор. С этой задачей триггер должен справиться за 100 микросекунд, и если событие удовлетворяет заранее введенным критериям, передать его дальше.

Эти события, примерно тысяча в секунду, поступают на триггер третьего уровня, а точнее на целую «фабрику» таких триггеров, которые работают параллельно. Каждому такому триггеру дается в тысячу раз больше времени — целая десятая доля секунды! — и за это время он должен полностью разобраться с тем, что это было за событие. Ему надо вычислить углы вылета частиц, их импульсы и энергии, инвариантные массы, проверить суммарный баланс импульса и энергии и т. д. Именно на этой стадии из всех событий, в которых было хоть что-то нетривиальное, выделяются события, которые считаются интересными с точки зрения физики. Таких событий получается около 50 в секунду, и вот они-то и записываются на ленту. (Да-да, сырые данные на Тэватроне записываются не на жесткие диски, а на магнитную ленту.)

Сколько же таких зарегистрированных событий наберется за 4 стандартных ускорительных года? 50 записанных событий в секунду, полмиллиарда событий в год, 2 миллиарда событий за 4 года. Это и есть тот исходный массив данных, из которого группа и начала выбирать события с рождением одиночного топ-кварка.

Читателю, заинтересовавшемуся работой триггеров и — более широко — front-end электроникой, используемой на детекторах элементарных частиц, можно для первого знакомства порекомендовать классическую книгу Клауса Групена «Детекторы элементарных частиц». Подробности про реализацию триггеров на детекторе DZero можно узнать из обзорной статьи The Upgraded D0 detector или из подборки статей по различным компонентам триггера на DZero.

По мнению ученых...

Этот абзац, в целом, правильный. Небольшого комментария заслуживает только фраза «... после так называемого «Большого взрыва», с которого, как предполагают ученые...».

Я понимаю, что этот пассаж покажется журналисту вполне невинным, даже в какой-то мере «честным», отражающим беспристрастность журналиста — «я лишь передаю мнение ученых». Пикантность этой ситуации состоит в том, что совсем недавно, в феврале 2006 года, в NASA разразился административно-политический скандал, как раз связанный со статусом факта / теории / гипотезы Большого взрыва.

Суть, вкратце, такова. В октябре 2005 года администрация Джорджа Буша назначила человека из своего окружения — некоего Джорджа Дойча (George Deutsch), 24-летнего молодого человека с неоконченным журналистским образованием — специалистом NASA по связям с общественностью. Его первыми шагами стала попытка заменить во всей публичной информации NASA все слова «Большой взрыв» на слова «теория Большого взрыва». Мотивация состояла в том, что Большой взрыв — это не факт, это мнение ученых, а значит, необходимо постоянно подчеркивать, что это есть только мнение. Более того, Дойч утверждает, что вопрос о происхождении мира не столько научный, сколько религиозный, а значит, нельзя подрастающему молодому поколению говорить о Большом взрыве как факте.

Заявление администратора NASA Майкла Гриффина, вызванное попытками Джорджа Дойча внести коррективы в формулировку термина «Большой взрыв». Выделенная фраза гласит: «В компетенцию специалистов по связям с общественностью не входит работа по изменению, просеиванию и корректировке инженерной и научной информации, полученной техническим персоналом NASA». (Изображение с сайта www.nasa.gov)

Реакция сотрудников NASA и научного сообщества в целом была бурной, и в течение нескольких дней Дойч уволился. Подробности этого скандала можно узнать, например, в блоге CosmicVariance или Bad Astronomy. Суть же можно сформулировать так: есть вещи, серьезное сомнение в которых эквивалентно шагу обратно в средневековье. Звезды — вовсе не дырки в хрустальном небосводе; вся материя действительно состоит из атомов; эволюция Вселенной действительно началась со сверхплотной и сверхгорячей фазы много миллиардов лет назад. Всем этим — формально — гипотезам есть столько объективных подтверждений, что их необходимо считать фактами, несмотря на то, что вы никогда не долетите до звезд, не пощупаете руками отдельные атомы и не сможете обратить время вспять (вот, например, подробный список наблюдательных данных, подтверждающих теорию Большого взрыва).

Серьезное обсуждение в популярной литературе возможности, что это всё неверно, приведет к прямому вреду для молодежи.

И снова о материи

Вот здесь самое место объяснить, почему и в каком смысле эта работа приближает ученых «... к окончательному пониманию строения и свойств окружающей нас материи». Тут есть сразу два повода для разговора.

Стандартная модель физики элементарных частиц включает в себя шесть кварков, шесть лептонов, частицы-переносчики взаимодействий (фотон, глюон, W- и Z-бозоны), а также бозон Хиггса. Хиггсовский бозон — единственная в этой таблице не открытая до сих пор частица. (Рис. с сайта news.bbc.co.uk)

Не все процессы, протекающие в столкновениях элементарных частиц, одинаково интересны. Реакция рождения одиночного топ-кварка более интересна, чем рождение кварк-антикварковой пары, потому что позволяет проверить предположения, сделанные при построении теории электрослабых взаимодействий. Эта теория является ключевым элементом современной Стандартной модели элементарных частиц, но экспериментально она еще проверена не полностью. Не исключено, что есть новые, еще не открытые тяжелые частицы, которые влияют на рождение топ-кварка. Не исключено также, что свойства хиггсовского бозона (кстати, бозон по-английски пишется с одним «s» — boson), за которым физики охотятся уже не первый десяток лет, более экзотические, чем считается сейчас, и тоже могут изменить вероятность одиночного рождения топ-кварка. Так или иначе, есть сразу несколько разных теорий, в которых свойства этого процесса отличаются от предсказаний Стандартной модели, потому-то его изучение очень полезно.

Второй момент состоит в том, что на том же Тэватроне продолжаются поиски и процесса прямого рождения хиггсовского бозона — последнего недостающего «кирпичика» Стандартной модели (подробное обсуждение роли хиггсовского бозона в теории выходит за рамки этой статьи; в качестве введения можно порекомендовать статью Николая Никитина Время искать Хиггс). Хватит ли у Тэватрона чувствительности для обнаружения хиггсовского бозона — вопрос сложный. Так же, как и одиночное рождения топ-кварка, рождение хиггсовского бозона — очень редкий процесс, и выделить его из всех фоновых процессов будет чрезвычайно трудной задачей. Однако история с одиночным топ-кварком внушает оптимизм: умные алгоритмы действительно существенно повышают «прозорливость» ученых в этой задаче. На топ-кварке физики отточили технологию и алгоритмы поиска, и теперь готовы применить их к накапливающейся статистике хиггсовских событий.

Напоследок я хочу еще раз подчеркнуть одну простую мысль. Не будет преувеличением сказать, что крупные эксперименты в современной физике элементарных частиц — это одни из самых сложных успешно реализованных технологических задач, которые человечество когда-либо ставило перед собой. Из-за этой сложности — как в мотивации, так и в исполнении — популярный рассказ о них тоже становится трудным занятием, требующим от рассказчика хорошего понимания предмета. Без этого понимания из-под пера журналиста появляется не просто неправильный, но и вредный текст: крупное достижение науки превращается в бессмыслицу.

В заключение я предлагаю читателям проанализировать текст аналогичных новостей на сайтах других СМИ и самим найти встречающиеся в них «вредные» ошибки.