Наши в ЦЕРНе
Украинские физики участвуют в масштабных экспериментах на Большом адронном коллайдере.
О подготовке и проведении самого крупного эксперимента на LHC рассказывают его непосредственные участники — специалисты Института физики высоких энергий ННЦ ХФТИ.
Украинская лепта
— Наше сотрудничество с CERN началось в 1993 году, — говорит доктор физико-математических наук профессор Павел Сорокин, — когда его представители побывали в Харьковском ННЦ ХФТИ. Через некоторое время в Женеве было подписано соглашение об участии Украины в коллаборации КDМS, эксперименте на Большом адронном коллайдере, который только предполагалось построить.
Исследования планировали вести на нескольких детекторах — ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment), ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Участие украинских физиков предусматривалось только в двух проектах — CMS и ALICE.
Началась кропотливая, в несколько этапов подготовка.
Первый этап — моделирование устройств для регистрации частиц в детекторе «Компактный мюонный соленоид» (CMS) Большого адронного коллайдера. Второй — изготовление элементов прототипа этих детекторов. Затем — массовое производство элементов адронного калориметра и, наконец, подготовка к обработке экспериментальных данных, которые будут поступать с детектора СМS ускорителя LHC.
В 1994 году в коллаборацию СDМS вошли также специалисты харьковского НТК «Институт монокристаллов», которые разработали технологию изготовления сцинтиляционных пластин для детектора СМS и организовали их производство.
Подготовительный период и сооружение коллайдера длились несколько лет. И вот в ноябре-декабре минувшего года состоялись первые пробные пуски ускорителя LHC. Участие в них принимали харьковские ученые — кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник ННЦ ХФТИ Леонид Левчук и младший научный сотрудник Дмитрий Сорока.
Эксперимент века
— Эксперимент СМS — один из самых важных на Большом адронном коллайдере, — говорит Леонид Левчук. — В результатах, которые будут здесь получены, заинтересован весь научный мир.
— Какие же результаты ожидаются?
— В фокусе экспериментов СМS и ATLAS лежит поиск так называемого бозона Хиггса — последнего недостающего звена стандартной модели элементарных частиц. Здесь есть одна серьезная проблема — проблема массы. Все понятно до тех пор, пока мы считаем частицу безмассовой. Но мы же знаем, что она имеет массу, что подтверждает существование еще одной гипотетической части — бозона Хиггса. Этот фантом, призрак, названный в честь британского ученого, впервые выдвинувшего такую гипотезу, ищут уже десятилетия. Но никаких доказательств его существования до сих пор нет.
— В чем особенности экспериментов СМS и ATLAS?
— Если в ходе экспериментов бозон Хиггса не будет найден, значит, его нет. В таком случае Стандартную модель придется радикально пересмотреть.
Второе направление исследований на детекторе СМS — поиск проявлений симметричного расширения Стандартной модели. Именно в Харькове, благодаря трудам академика Дмитрия Васильевича Волкова и его учеников, зародилась идея суперсимметрии. Так вот, одна из задач эксперимента — поиск суперпартнеров тех частиц, которые должны быть в Стандартной модели.
По сути, речь идет — ни много ни мало — об открытии нового мира. Когда-то были обнаружены первые античастицы. Здесь ситуация аналогична: каждому бозону соответствует свой фермион.
Прошло уже сорок лет с тех пор, как была выдвинута эта теория. Но до сих пор ни одного суперпартнера никто так и не обнаружил. Сейчас, когда появился новый масштаб энергии, нужно попытаться найти хотя бы что-то.
— Есть ли иные аспекты у этой проблемы?
— Интерес к ней подогревается и астрофизическим аспектом. Вселенная, которую мы видим (точнее, знаем), ничтожна по сравнению с общей массой Вселенной, которая нам пока неведома. Видимая Вселенная, существующая в виде известных элементарных частиц, по массе составляет менее пяти процентов. Об остальном пока не знает никто. Около 25% — темная невидимая материя. Процентов 70 — темная энергия, заставляющая Вселенную расширяться с ускорением.
Это серьезный вопрос. Вселенная, как поздний результат Большого взрыва, в силу гравитации, казалось бы, должна расширяться с замедлением. А она расширяется с ускорением. Это означает, что существует нечто такое, что заставляет Вселенную расширяться. И это «нечто» должно быть очень велико по своей массе.
Вообще, о темной материи ученые знали давно. Долгое время ее существование объясняли тем, что во Вселенной доминирует нейтрино. Позднее исследователи изменили точку зрения: экспериментальные ограничения на массу нейтрино становились все более жесткими.
Сегодня же считается: если нейтрино имеет массу, отличную от нуля, то она очень мала. Поэтому объяснить астрофизические явления ее существованием невозможно. А это означает: есть что-то еще. Кандидат номер один на роль частиц, составляющих субстанцию темной материи, — так называемый нейтралино. Согласно Стандартной модели, он предсказывается симметричными расширениями. Обнаружение этой частицы в ходе эксперимента на Большом адронном коллайдере станет выдающимся достижением физики ХХІ века.
— Насколько значительно участие в нем украинских ученых?
— Мы являемся лишь малой частью эксперимента СМS, элементом его грид-инфраструктуры, созданной для распределения и обработки информации. Это объективно: ускоритель в Швейцарии, а данные здесь, в Харькове.
— И каковы они?
— В конце ноября 2009 года на коллайдере были зарегистрированы первые столкновения протонов с энергией 900 ГэВ. Второе достижение — ускорение пучков до энергии 2,36 ТэВ. Это было сенсационным результатом — побит рекорд, установленный на ускорителе в лаборатории Ферми под Чикаго.
Следующий этап — подъем энергии коллайдера до 7 ТэВ.
Шаг в будущее
И это случилось. 30 марта при очередном запуске Большого адронного коллайдера достигнута небывалая суммарная энергия — 7 ТэВ. В эксперименте снова принимает участие харьковчанин Леонид Левчук.
На LHC начались столкновения протонов с энергией 3,5 ТэВ и стартовал первый полноценный научный сеанс работы коллайдера. Если до этого основная часть времени уходила на тесты и отладку ускорителя, то сейчас акцент смещается на накопление как можно большей статистики протонных столкновений.
Уже состоялось несколько длительных циклов ее набора. В каждом из них пучки впрыскивались в ускоритель, примерно за 40 минут разгонялись до энергии 3,5 ТэВ и затем в течение нескольких часов сталкивались (пока рекорд — 19 часов непрерывных столкновений). А все четыре детектора регистрировали по нескольку десятков столкновений в секунду. Убедившись в том, что 3,5-тераэлектроновольтные пучки стабильны, управляемы и сталкиваются как надо, физики приступили к следующему этапу ввода коллайдера в строй — увеличению его светимости. Именно этим они будут заниматься ближайшие несколько месяцев.
Сейчас светимость составляет лишь десятимиллионную долю от расчетного значения. Увеличивать ее будут последовательно в несколько этапов. Первый — сжатие пучков в поперечных размерах: чем плотнее они сжаты в месте встречи, тем больше вероятность столкновения отдельных протонов. Этот этап уже был успешно пройден 7 апреля. Правда, сгусткам теперь стало труднее «попадать» друг по другу, поэтому потребуется некоторая доводка поперечных координат пучков, после которой частота столкновений должна возрасти в несколько раз.
Следующим шагом станет увеличение «интенсивности» сгустков, то есть количества протонов в каждом из них. Первоначально столкновения проводились со сгустками по 5 млрд протонов (так называемый «пилотный пучок»). В ходе опытов ночью с 9 на 10 апреля интенсивность одного сгустка была успешно доведена до проектного значения — 100 млрд протонов. Таким образом, в самом ближайшем будущем стоит ожидать перехода к повышенной интенсивности (20—30 млрд протонов на сгусток), а значит, и дальнейшего увеличения частоты столкновений.
Из первых уст
Дмитрий Сорока
Участник эксперимента, младший научный сотрудник ННЦ ХФТИ
— Особенность эксперимента СМS на Большом адронном коллайдере — получение большого объема данных, которые нецелесообразно хранить в одном месте. Ведь если физики всего мира в какой-то момент захотят получить информацию, любая сеть окажется недостаточно производительной. Поэтому была разработана многоярусная грид-инфраструктура, в систему которой будут поступать и обрабатываться экспериментальные данные. Частью инфраструктуры стал наш вычислительный комплекс, созданный по инициативе Павла Владимировича Сорокина.
Мне довелось работать на адронном калориметре программы СМS. Прошел два-три тренинговых дежурства, а затем пять раз дежурил самостоятельно.
Первые впечатления — будто нахожусь в космическом корабле. Представьте себе зал внушительных размеров, стены которого увешаны огромными мониторами, куда поступают данные о деятельности всех систем жизнеобеспечения детектора: охлаждение, подача питания, высокое и низкое напряжение. Я сидел перед четырьмя мониторами, которые «просматривают» определенную часть детектора.
Рядом работали специалисты из Турции, США, России. К примеру, меня инструктировал российский специалист Андрей Грибушин. Между коллаборантами разных стран сложились доброжелательные отношения. Вообще CERN, на мой взгляд, — идеальное место для обмена опытом между физиками всего мира.
Прямая речь
Гуидо Тонелли
Представитель коллаборации CMS
— Скоро мы начнем систематический поиск бозона Хиггса и других частиц, предсказанных, например, новой теорией суперсимметрии, которая может объяснить наличие темной материи в нашей Вселенной. Если они существуют и могут быть рождены на LHC, мы уверены, что наш «компактный мюонный соленоид» способен их зарегистрировать. До этого момента нам еще предстоит полностью понять этот сложный детектор, научиться измерять все возможные фоны и выполнять точный анализ данных.
Справка «УТГ»
Эксперимент CMS — универсальный многоцелевой экспериментальный комплекс для изучения фундаментальных свойств материи в протон-протонных и ядро-ядерных взаимодействиях при высоких энергиях. Эксперимент построен на основе мощного сверхпроводящего цилиндрического соленоида, дающего магнитное поле напряженностью 4 тесла.
