НИТУ «МИСиС», являющийся непосредственным участником двух экспериментов CERN (SHiP и LHCb) и единственным вузом России, подписавшим соглашение о сотрудничестве с Европейской организацией по ядерным исследованиям, совместно с лучшим российским научно-популярным порталом N+1 разбирались, как, зачем и кто в CERN ищут новую физику.
Оригинал материала тут
После выхода Большого адронного коллайдера на проектную мощность и открытия бозона Хиггса в физике наступил кризис: главная теория физики частиц — Стандартная модель — была завершена, никаких значимых отклонений от ее предсказаний обнаружено не было, и внятного ответа на вопрос, куда идти, никто не предлагал. Ученым надо было решать, где искать новую физику, новую, более общую теорию. При этом все низко висящие плоды давно были сорваны, любой серьезный эксперимент потребовал бы гигантских вложений, а кто сегодня пойдет на эти расходы вслепую, без малейшего намека на возможность успеха?
Можно попытаться сменить «фронт» и искать процессы, которые не требуют высоких энергий, но происходят очень редко. Именно поэтому российский физик Андрей Голутвин, долгие годы работавший в ЦЕРНе, и его коллеги из НИТУ «МИСиС», Яндекса и других организаций придумали экономичный проект для поисков в новом направлении.
В эксперименте SHiP будут искать следы неизвестных частиц, в том числе частиц темной материи, в отфильтрованном магнитными полями, пятиметровым слоем бетона и металла потоке частиц от ускорителя SPS. Возможно, огромная светимость — большое число рождающихся частиц — позволит увидеть новую физику быстрее, чем высокие энергии на мощных ускорителях.
SHiP на SPS
«На LHC (Большом адронном коллайдере) пытались найти суперсимметрию. Нет ее, не видно. А мы все знаем, что нужны кандидаты на темную материю. С другой стороны, мы знаем, что Стандартная модель правильная. Поэтому вы хотите добавить новые частицы таким образом, чтобы не испортить Стандартную модель. Самый минимальный сценарий — это так называемый portal models. В них новые частицы описываются с помощью операторов, которые связаны с оператором, уже присутствующим в Стандартной модели, через очень маленькую константу», — объясняет Андрей Голутвин.Поскольку нейтрино очень слабо взаимодействуют с другими частицами, то для их обнаружения требуется, во-первых, провести много столкновений, а во-вторых, обеспечить низкий уровень шумов. За счет использования синхротрона SPS за пять лет предполагаемой работы в эксперименте удастся задействовать около 2×10^20 протонов, а для снижения шума будет использована специально разработанная система магнитов.
«Эксперименты типа SHiP называют beam-dump экспериментами. В них вы хотите увидеть что-то новое и устраиваете объем, в котором ничего нет. Если вы что-то увидите, то это и есть открытие. Лет 30-40 назад все увлеклись Большим адронным коллайдером, а эксперименты такого типа просто перестали делать. В это время развили, в частности, очень интенсивный пучок на SPS. Ну и мы просто поняли, что за относительно небольшие деньги можно проверить, нет ли вот таких моделей», — пояснил Андрей Голутвин.Конструкция мишени и детектора
Пучок протонов с синхротрона SPS планируется посылать на неподвижную мишень, которая будет иметь толщину порядка 120 сантиметров. Этого достаточно, чтобы остановить все протоны. При взаимодействии протонов с ядрами и электронами мишени будет происходить рождение большого количества новых частиц, среди которых, возможно, окажутся и гипотетические частицы темного вещества.
Общая схема эксперимента SHiP
Сложность проектирования мишени заключается в том, что через каждые семь секунд она должна в течение секунды поглотить около 3×10^13 протонов, каждый из которых имеет энергию в 400 гигаэлектронвольт. Это соответствует выделяемой мощности порядка мегаватта (до 2,5 мегаватта в пике). При поперечном размере мишени в 30 сантиметров это означает, что с каждого ее квадратного сантиметра надо отводить несколько киловатт тепловой энергии.
Решением этой проблемы занимались в НИТУ «МИСиС». Мишень будет состоять из набора металлических слоев толщиной от 2,5 до 35 сантиметров. Половина слоев будет выполнена из менее плотного молибденового сплава TZM, а остальная часть мишени — из вольфрама.
Дмитрий Карпенков
«Сейчас сделан макет этой мишени. Он в два раза меньше, чем нужно будет. Это прототип. Но толщина пластин в ней уже вымеренная, потому что здесь главный параметр — это длина взаимодействия, поскольку нам надо точно знать, на какой глубине какие частицы рождаются», — рассказывает старший научный сотрудник НИТУ «МИСиС» Дмитрий Карпенков. Этот прототип сейчас проходит испытания на синхротроне SPS при сниженном потоке протонов. Цель этих испытаний — лучше понять, какие уже известные частицы рождаются в процессе взаимодействия, чтобы улучшить защиту детектора от них.
Охлаждать пластины будут потоки воды, проходящие через узкие зазоры между ними. По оценкам, для этого потребуется около 50 литров воды в секунду, или 180 тонн в час. Чтобы дополнительно повысить температуру кипения воды до 200 градусов Цельсия, она будет подаваться под давлением в 15 атмосфер.
«Мишень имеет относительно простую структуру. Это по сути просто набор тонких металлических цилиндров. В начале мишени используются более тонкие, поскольку здесь наибольшее тепловыделение и требуется быстрее отводить тепло. Эти цилиндры выполнены из молибдена, плотность которого в два раза ниже, чем у вольфрама. Если бы мы использовали здесь вольфрам, он просто расплавился бы», — продолжает Карпенков.
Схема мишени с указанием толщины всех слоев, вид сбоку
Главной сложностью эксперимента будет создание условий с как можно меньшим уровнем фонового шума. В процессе взаимодействия потока протонов с мишенью будут образовываться ливни энергичных частиц. Большую часть из них остановят пятью метрами бетона. Но на выходе из него все еще останутся слабо взаимодействующие с веществом мюоны и нейтрино.
Основную проблему представляют собой мюоны. К счастью, это заряженные частицы, которые можно отклонить магнитами. Сложность заключается в том, что мюоны могут иметь самую разную энергию, и те из них, которые двигаются относительно медленно, могут совершить в магнитном поле полный оборот и вернуться в детектор. Чтобы уменьшить количество таких частиц и при этом обойтись относительно небольшим количеством магнитов, в НИТУ «МИСиС» при участии Школы анализа данных Яндекса была разработана специальная схема их расположения.
По словам Федора Ратникова, исследователя из Яндекса, задача, которую им пришлось решать, оказалась очень непростой: «В результате оптимизации получилась, я бы сказал, очень неожиданная форма конфигурации и расположения магнитов. Мы оптимизировали уменьшение фона от мюонов до нужного уровня, минимизируя при этом массу магнитов».
Внешний вид конструкции мишени
О применении нейросетей для решения этих задач рассказал руководитель проектов Яндекс-ЦЕРН Андрей Устюжанин: «Для поиска оптимальной схемы использовались методы машинного обучения. Однако стандартные методы оказались в этом случае неприменимы, поэтому их пришлось существенно модифицировать».
«В отличие от обучения нейросетей, в котором используется градиент ошибки предсказаний, позволяющий плавно прийти к оптимальной конфигурации, здесь так сделать нельзя. Поэтому приходится опираться на методы оптимизации, не полагающиеся на градиенты, например, на байесовскую оптимизацию. Мы расширили этот подход назначением бОльшего веса тем мюонам, которые дают бОльший вклад в ошибку предсказаний. Такой подход позволил существенно сократить время на поиски оптимального решения», — объясняет Андрей Устюжанин.После магнитной системы в проекте экспериментальной установки предусмотрен длинный 50-метровый туннель, имеющий в сечении размеры 5×10 метров. Здесь будет происходить гипотетический распад тяжелых нейтрино на другие частицы.
Конфигурация магнитов
«От всех частиц [пучок] не удастся освободить, поскольку есть обычные нейтрино. Они все равно как-то взаимодействуют с веществом, поэтому первым делом надо убрать воздух, чтобы обычные нейтрино с этим воздухом не взаимодействовали. То есть это сложное инженерное сооружение будет находиться в вакууме», — поясняет Андрей Голутвин.
В конце туннеля будут расположены собственно детекторы, нацеленные на регистрацию продуктов распада гипотетических частиц темного вещества. Предполагается, что часть из них распадется в туннеле на пару известных частиц, например мюон и пион, которые и будут зарегистрированы.
Диаграмма зависимости силы связи тяжелых нейтрино от их массы. Зеленым указаны экспериментально полученные на данный момент ограничения снизу. Синим — ожидаемая чувствительность эксперимента SHiP. Серая область запрещена теоретически.
Авторы эксперимента рассчитывают, что все принятые меры позволят повысить чувствительность детектора в тысячи раз по сравнению с тем, что достигнуто на других установках. Это означает, что за пять лет работы будет зарегистрировано в самом лучшем случае несколько тысяч нужных частиц, однако более вероятно, что речь будет идти о всего нескольких событиях.
В случае же, если за время наблюдений неизвестных частиц не обнаружат, то это позволит сузить диапазоны дальнейших поисков. А кроме того, на этом же детекторе будут проводиться исследования пока что плохо изученных тау-нейтрино. Эти данные наверняка помогут лучше разобраться в физике нейтрино и, возможно, наведут ученых на новые идеи относительно того, где искать Новую физику в будущем.