Наука и технологии России

Вход Регистрация

Поиски новой физики

Установка ATLAS – один из крупнейших детекторов Большого адронного коллайдера (БАК), расположенного в ЦЕРНе, на границе Швейцарии и Франции. В исследованиях на этой установке, созданной большим международным коллективом, участвуют около российских 100 исследователей из восьми организаций. Крупнейшим достижением сотрудничества ATLAS и другого большого международного коллектива, работающего на установке CMS, явилось открытие бозона Хиггса. Как российские учёные готовятся к модернизации установки ATLAS, корреспонденту STRF.ru рассказал заместитель директора по научной работе НИЦ «Курчатовский Институт» ФГБУ ГНЦ РФ Институт физики высоких энергий Александр Зайцев.

Александр_Зайцев
Александр Зайцев, заместитель директора по научной работе по направлению физика частиц Института физики высоких энергий Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”, доктор физико-математических наук

Александр Михайлович, какое место занимает установка ATLAS в Большом адронном коллайдере?

– Установка ATLAS предназначена для исследования процессов, происходящих при столкновении протонов сверхвысоких энергий. Она состоит из центрального детектора, где регистрируются треки заряженных частиц, образовавшихся при этих столкновениях, системы калориметров, в которых измеряется энергия заряженных и нейтральных частиц с высокой степенью точности, а на периферии стоят мюонные детекторы, измеряющие характеристики частиц, проходящих через большую толщу металла. И всё это погружено в сложную систему магнитных полей, создаваемых сверхпроводящими устройствами. Это очень большая установка в буквальном смысле слова – её диаметр – 25 метров, а длина – 45 метров.

Отмечу, что в создании установки ATLAS, а затем в непосредственном наборе и анализе данных участвовали и продолжают участвовать более 100 исследовательских организаций из 37 стран. В их числе семь российских организаций: НИЦ «Курчатовский институт» ФГБУ ГНЦ РФ ИФВЭ (Протвино), НИЦ «Курчатовский институт» ФГБУ «ГНЦ РФ ИТЭФ» (Москва), НИЦ «Курчатовский институт» ФГБУ «ПИЯФ» (Гатчина), Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН, Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (Новосибирск), МГУ имени М.В. Ломоносова, НИЯУ МИФИ, а также международная организация – Объединённый институт ядерных исследований в г. Дубна. В ближайшее время к ним присоединится Томский государственный университет.

Установка_ATLAS
Установка ATLAS

Чем вызвана необходимость очередной модернизации Большого адронного коллайдера, в частности детектора ATLAS?

– Во-первых, повышением энергии коллайдера с 8 ТэВ до 13 ТэВ, что уже произошло в минувшем году. Во-вторых, планируемым повышением светимости коллайдера. Надо сказать, что уже сейчас в установке за одну секунду происходит примерно миллиард столкновений, а дальше число столкновений будет увеличиваться.

Модернизация физических установок БАК будет проходить в два этапа. Первый этап, с двухлетней остановкой коллайдера, начнётся в 2018 году, второй – в 2024–2025 годах.

Упомяну и о физической задаче, для решения которой нужна модернизация БАК, – поиске новых объектов с массами до 1 ТэВ и больше. С открытием бозона Хиггса в известной степени завершилось создание Стандартной модели элементарных частиц. На сегодняшний день мы имеем внятную картину фундаментальных взаимодействий и в принципе можем рассчитать почти любой процесс в рамках Стандартной модели. При этом эту модель нельзя признать вполне совершенной, поскольку в ней всё-таки остаётся очень много свободных параметров, которые берутся из экспериментов, и есть некоторые внутренние «шероховатости».

Более того, мы понимаем, что существует большая физика за пределами Стандартной модели.

Например, в рамках этой модели нейтрино не должны иметь массы. Однако экспериментально обнаружено, что масса у них есть, хотя и очень маленькая. Отличие массы нейтрино от нуля говорит о том, что надо искать эффекты за пределами Стандартной модели.

А что могут сказать исследования на БАК о тёмной материи?

– Тёмная материя, составляющая около 25% общей массы Вселенной, наверняка связана с физикой фундаментальных взаимодействий. И в рамках развития Стандартной модели есть множество разных вариантов, претендующих на то, чтобы описать тёмную материю. В широком классе моделей предсказываются новые объекты в близком к нам диапазоне масс, достижимом на Большом адронном коллайдере. Поэтому, занимаясь исследованиями при более высокой энергии и светимости, мы получаем новые возможности для обнаружения эффектов за пределами Стандартной модели, в том числе, объектов, ответственных за формирование тёмной материи. Эти исследования позволяют лучше понять окружающий нас мир, его прошлое и будущее.

Какие задачи решаются в проекте «Создание быстродействующих радиационно стойких компонентов супердетектора новых тяжёлых частиц ATLAS Большого адронного коллайдера ЦЕРН для экспериментальных исследований рождения и распада частиц», которым Вы руководите?

– Начну с того, что НИЦ «Курчатовский институт» ФГБУ ГНЦ РФ ИФВЭ  – головная организация в этом проекте, поддержанном ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы». А соисполнителями являются все вышеназванные российские организации, участвующие в проекте  ATLAS.

Большая часть работ относится к созданию так называемых новых малых мюонных колец – детекторов для регистрации мюонов, вылетающих под небольшими углами относительно сталкивающихся протонов.

Мюонная система – очень важная часть установки, поскольку мюоны несут значительную информацию о происходящих в коллайдере процессах.

В рамках первого этапа модернизации полностью меняются некоторые части мюонной системы в «горячих зонах». Такие детекторы делаются в Гатчине, Дубне и в Протвино. Уже изготовлены прототипы детекторов, созданы специализированные участки. А в МИФИ разрабатывается система тестирования детекторов. Это такие рентгеновские аппараты, которые ездят вдоль детекторов и просвечивают их, чтобы увидеть, что там внутри, и с высокой точностью определить координаты и характеристики чувствительных элементов.

Малые_мюонные_кольца
Малые мюонные кольца и проект новых малых мюонных колец

Другая часть проекта связана с калориметрами – электронику для них создают в Дубне и в Новосибирске, а мы в Протвино занимаемся электроникой для калибровки.

Также ведутся разработки системы жидкоаргоновых калориметров, необходимой для второго этапа модернизации коллайдера. Как мы уже знаем, при повышении светимости возникнут некоторые проблемы в этой части установки ATLAS, поэтому мы вместе с зарубежными коллегами ищем новые решения для калориметрии в «горячих зонах», где особенно велики потоки частиц. С этой целью на ускорителе в Протвино были проведены эксперименты на пучках, имитирующих условия работы на БАК, получены характеристики детекторов при работе в «горячих зонах». Сейчас идут проектные работы по оптимизации системы калориметров.

Скажу ещё и о математическом обеспечении, которым занимаются специалисты всех российских институтов, участвующих в проекте. В связи с повышением светимости, старые алгоритмы обработки данных уже не оптимальны. Нужно создавать новое математическое обеспечение практически на всех уровнях – от процедуры реконструкции треков и до организации глобальных процессов передачи данных по сетям для их последующей обработки в научных лабораториях (а это около 3000 человек, работающих в разных уголках мира!).

Наш проект – действительно большой, в нём в той или иной степени участвуют не только сто исследователей, представляющих Россию в эксперименте ATLAS, но и многие другие специалисты (замечу, что вклад нашей страны в него оценивается в 4–5%). И наш проект очень интересный. Очень хочется узнать – а что там, за пределами Стандартной модели.

Обсуждение