Наші в ЦЕРНі
Українські фізики беруть участь у масштабних експериментах на Великому адронному колайдері.
Увагу вчених усього світу прикуто до Європейського центру ядерних досліджень (CERN), де почався експеримент на найбільшому прискорювачі елементарних частинок — Великому адронному колайдері (LHC). Мета неординарного міжнародного проекту — збагнути будову Всесвіту, проникнути в глиб матерії, у мікросвіт елементарних частинок. У ньому беруть участь фізики багатьох європейських країн, у тому числі й України.
Про підготовку та проведення наймасштабнішого експерименту на LHC розповідають його безпосередні учасники — фахівці Інституту фізики високих енергій ННЦ ХФТІ.
Український внесок
— Наше співробітництво з CERN почалося 1993 року, — говорить доктор фізико-математичних наук професор Павло Сорокін, — коли його представники побували в Харківському ННЦ ХФТІ. Через якийсь час у Женеві було підписано угоду про участь України в колаборації КDМ, експерименті на Великому адронному колайдері, який тільки передбачалося побудувати.
Дослідження планували вести на декількох детекторах — ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment), ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Участь українських фізиків передбачалася тільки у двох проектах — CMS і ALICE.
Почалася кропітка, у кілька етапів підготовка.
Перший етап — моделювання пристроїв для реєстрації частинок у детекторі «Компактний мюонний соленоїд» (CMS) Великого адронного колайдера. Другий — виготовлення елементів прототипу цих детекторів. Потім — масове виробництво елементів адронного калориметра й, нарешті, підготовка до обробки експериментальних даних, які надходитимуть із детектора СМ прискорювача LHC.
У 1994 році до колаборації CDMS увійшли також фахівці харківського НТК «Інститут монокристалів», які розробили технологію виготовлення сцинтиляційних пластин для детектора СМ і організували їхнє виробництво.
Підготовчий період і спорудження колайдера тривали кілька років. І от у листопаді-грудні минулого року відбулися перші пробні пуски прискорювача LHC. Участь у них брали харківські вчені — кандидат фізико-математичних наук старший науковий співробітник ННЦ ХФТІ Леонід Левчук і молодший науковий співробітник Дмитро Сорока.
Експеримент століття
— Експеримент СМ — один із найважливіших на Великому адронному колайдері, — говорить Леонід Левчук. — У результатах, які буде тут отримано, зацікавлений увесь науковий світ.
— Які ж результати очікуються?
— У фокусі експериментів СМ і ATLAS пошук так званого бозона Хіггса — останньої відсутньої ланки стандартної моделі елементарних частинок. Тут є одна серйозна проблема — проблема маси. Все зрозуміло доти, доки ми вважаємо частинку безмасовою. Але ж ми знаємо, що вона має масу, це підтверджує існування ще однієї гіпотетичної частини — бозона Хіггса. Цей фантом, примара, названий на честь британського вченого, який уперше висунув таку гіпотезу, шукають уже десятиліття. Але ніяких доказів його існування досі немає.
— У чому особливості експериментів СМ і ATLAS?
— Якщо під час експериментів бозон Хіггса не буде знайдено, це означатиме, що його немає. У такому разі Стандартну модель доведеться радикально переглянути.
Другий напрямок досліджень на детекторі СМ — пошук проявів симетричного розширення Стандартної моделі. Саме в Харкові, завдяки роботам академіка Дмитра Васильовича Волкова та його учнів, зародилася ідея суперсиметрії. Отож, одне із завдань експерименту — пошук суперпартнерів тих частинок, які повинні бути в Стандартній моделі.
По суті, ідеться — ні багато ні мало — про відкриття нового світу. Колись були виявлені перші античастинки. Тут ситуація аналогічна: кожному бозону відповідає свій ферміон.
Минуло вже сорок років відтоді, як було висунуто цю теорію. Але досі жодного суперпартнера ніхто так і не знайшов. Зараз, коли з’явився новий масштаб енергії, треба спробувати знайти хоча б щось.
— Чи є інші аспекти в цієї проблеми?
— Інтерес до неї підігрівається й астрофізичним аспектом. Всесвіт, який ми бачимо (точніше, знаємо), незначний у порівнянні із загальною масою Всесвіту, який нам поки невідомий. Видимий Всесвіт, який існує у вигляді відомих елементарних частинок, за масою становить менше п’яти відсотків. Про решту поки не знає ніхто. Близько 25% — темна невидима матерія. Відсотків 70 — темна енергія, яка змушує Всесвіт розширюватися із прискоренням.
Це серйозне питання. Всесвіт, як пізній результат Великого вибуху, через гравітацію, здавалося б, має розширюватися із уповільненням. А він розширюється із прискоренням. Це означає, що існує щось таке, що змушує Всесвіт розширюватися. І це «щось» повинне бути дуже великим за своєю масою.
Узагалі, про темну матерію вчені знали давно. Довго її існування пояснювали тим, що у Всесвіті домінує нейтрино. Пізніше дослідники змінили точку зору: експериментальні обмеження на масу нейтрино ставали все жорсткішими.
Сьогодні ж уважається: якщо нейтрино має масу, відмінну від нуля, то вона дуже мала. Тому пояснити астрофізичні явища її існуванням неможливо. А це означає: є щось іще. Кандидат номер один на роль частинок, які є субстанцією темної матерії, — так званий нейтраліно. Відповідно до Стандартної моделі, він завбачається симетричними розширеннями. Виявлення цієї частинки під час експерименту на Великому адронному колайдері стане видатним досягненням фізики ХХІ століття.
— Наскільки значна участь у ньому українських учених?
— Ми є лише малою частиною експерименту СМ, елементом його грід-інфраструктури, створеної для розподілу та обробки інформації. Це об’єктивно: прискорювач у Швейцарії, а дані тут, у Харкові.
Крок у майбутнє
І це сталося. 30 березня під час чергового запуску Великого адронного колайдера досягнуто небувалої сумарної енергії — 7 ТеВ. В експерименті знову береучасть харків’янин Леонід Левчук.
На LHC почалися зіткнення протонів з енергією 3,5 ТеВ і стартував перший повноцінний науковий сеанс роботи колайдера. Якщо до цього основна частина часу витрачалася на тести й налагодження прискорювача, то зараз акцент зміщається на накопичення якомога більшої статистики протонних зіткнень.
Уже відбулося кілька тривалих циклів її набору. У кожному з них пучки впорскувалися в прискорювач, приблизно за 40 хвилин розганялися до енергії 3,5 ТеВ і потім протягом декількох годин зіштовхувалися (поки рекорд — 19 годин безперервних зіткнень). А всі чотири детектори реєстрували по декілька десятків зіткнень на секунду. Переконавшись у тому, що 3, 5-тераелектронвольтні пучки стабільні, керовані й зіштовхуються як треба, фізики розпочали наступний етап уведення колайдера в експлуатацію — збільшення його світності. Саме це вони робитимуть найближчі кілька місяців.
Зараз світність становить лише десятимільйонну частку від розрахункового значення. Збільшуватимуть її послідовнов кілька етапів. Перший — стиснення пучків у поперечних розмірах: що щільніше вони стиснені в місці зустрічі, то більше ймовірність зіткнення окремих протонів. Цей етап уже було успішно пройдено 7 квітня. Щоправда, згусткам тепер стало важче «влучати» один в одного, тому буде потрібне певне доведення поперечних координат пучків, після якого частота зіткнень повинна зрости в кілька разів.
Наступним кроком стане збільшення «інтенсивності» згустків, тобто кількості протонів у кожному з них. Спочатку зіткнення проводилися зі згустками по 5 млрд протонів (так званий «пілотний пучок»). У процесі дослідів уночі з 9 на 10 квітня інтенсивність одного згустку було успішно доведено до проектного значення — 100 млрд протонів. Таким чином, у найближчому майбутньому слідочікувати переходу до підвищеної інтенсивності (20—30 млрд протонів на згусток), а отже, і подальшого збільшення частоти зіткнень.
Із перших уст
Дмитро Сорока
Учасник експерименту, молодший науковий співробітник ННЦ ХФТІ
— Особливість експерименту СМ на Великому адронному колайдері — одержання великого обсягу даних, які недоцільно зберігати в одному місці. Адже якщо фізики всього світу якоїсь миті захочуть одержати інформацію, будь-яка мережа буде недостатньо продуктивною. Тому була розроблена багатоярусна грід-інфраструктура, до системи якої надходитимуть та оброблятимуться експериментальні дані. Частиною інфраструктури став наш обчислювальний комплекс, створений з ініціативи Павла Володимировича Сорокіна.
Я працював на адронному калориметрі програми СМ. Пройшов два-три тренінгових чергування, а потім п’ять разів чергував самостійно.
Перші враження — наче перебуваю в космічному кораблі. Уявіть собі зал значних розмірів, стіни якого обвішані величезними моніторами, куди надходять дані про діяльність усіх систем життєзабезпечення детектора: охолодження, подача живлення, висока й низька напруга. Я сидів перед чотирма моніторами, які «переглядають» певну частину детектора.
Поруч працювали фахівці з Туреччини, США, Росії. Приміром, мене інструктував російський фахівець Андрій Грибушин. Між колаборантами різних країн склалися доброзичливі стосунки. Узагалі CERN, на мій погляд, — ідеальне місце для обміну досвідом між фізиками всього світу.
Пряма мова
Гуїдо Тонеллі
Представник колаборації CMS
— Незабаром ми почнемо систематичний пошук бозона Хіггса та інших частинок, завбачених, наприклад, новою теорією суперсиметрії, що може пояснити наявність темної матерії в нашому Всесвіті. Якщо вони існують і можуть бути породжені на LHC, ми упевнені, що наш «Компактний мюонний соленоїд» здатний їх зареєструвати. До цього нам ще треба повністю зрозуміти цей складний детектор, навчитися вимірювати всі можливі фони й робити точний аналіз даних.
Довідка «УТГ»
Експеримент CMS — універсальний багатоцільовий експериментальний комплекс для вивчення фундаментальних властивостей матерії в протон-протонних і ядро-ядерних взаємодіях при високих енергіях. Експеримент ґрунтується на потужному надпровідному циліндричному соленоїді, який дає магнітне поле напруженістю 4 тесла.
