Текст уведомления здесь

Потихоньку к новой физике

Откуда ждать прорывов в объяснении устройства Вселенной

Большой адронный коллайдер начал новый раунд столкновений с увеличенной энергией. Чего ждать от экспериментов на БАК и где ученые надеются «нащупать» новую физику, рассказал «Чердаку» координатор участия России в эксперименте LHCb, сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики Виктор Егорычев.
Добавить в закладки
Комментарии
— Вы координируете участие российских групп в эксперименте LHCb. Чем этот детектор отличается от других, что в нем особенного?

— Эксперимент изучает не собственно бозон Хиггса, который прежде всего ассоциируется с коллайдером, а B-мезоны и их редкие распады. Есть большие ожидания, что, анализируя такие распады, можно с большей вероятностью обнаружить новые явления в физике, которые напрямую не проявляют себя в экспериментах по рождению новых частиц.

— Как новая физика проявляется в редких распадах?

— Есть знаменитый распад B^{0}_s→μ+μ– (распад B^{0}_s мезона на два мюона, произносится «бэ-эс мю-мю» — прим. «Чердака»). B^{0}_s-мезон состоит из b-кварка и s-кварка, и он может распадаться на разные частицы, в том числе на два мюона, μ+μ– (мюон-плюс и мюон-минус). В рамках Стандартной модели можно очень точно просчитать, с какой вероятностью образуются эти частицы: выходит примерно четыре таких распада на миллиард распадов. Это предсказание можно проверить экспериментально, и если вдруг ученые обнаружат, что на миллиард распадов B^{0}_s-мезона оказывается не 4, а 24 распада в мюонную пару, то сразу встает вопрос, откуда берутся «лишние». Это и будет проявление новой физики.

— Почему так важны именно распады B-мезонов, а не каких-нибудь других частиц?

— Эти мезоны более тяжелые, поэтому вклад новых виртуальных тяжелых частиц проявляется быстрее и нагляднее. Сами эти виртуальные частицы мы не видим, но они влияют на вероятность появления в распадах тех или иных реальных частиц. Это случается не во всех распадах, но для B-мезонов как раз проявляется очень наглядно. Именно в физике B-мезонов теоретики предсказывают наибольшие нарушения CP-симметрии.

Приблизительно так выглядели бы столкновения частиц, «пойманные» детекторами, если бы мы могли их видеть. Изображение пресс-службы CERN


— Что это за нарушения и почему они так интересуют теоретиков?

— CP-симметрия связана с понятиями материи и антиматерии. Вся наблюдаемая Вселенная, я, вы состоим из материи, но в момент Большого взрыва общее количество вещества и антивещества было одинаково. Вселенная постепенно расширялась, остывала, и каким-то образом получилось так, что сейчас есть только материя, а антивещества нет. Куда оно делось? Почему процессы эволюции материи и антиматерии были разными? Одним из механизмов, который может это объяснить, является нарушение CP-симметрии, и его пытаются исследовать, в частности, при помощи экспериментов на коллайдере.

— Как столкновения частиц в коллайдере помогут понять, куда пропало антивещество?

— Мы пытаемся понять, можно ли механизмом CP-нарушения, который предлагают теоретики, объяснить видимый дисбаланс вещества и антивещества. На данном этапе получается, что нет. Мы видим, что есть CP-нарушения в системах B-мезонов, D-мезонов, K-мезонов, B_s-мезонов. Но величины этого механизма недостаточно для того, чтобы объяснить нехватку антиматерии во Вселенной. Должен быть более мощный механизм, который это объясняет. Где-то в черной комнате есть черный слон, которого мы не видим. И все пытаются хотя бы за хобот ухватиться.

— Может ли случиться так, энергии БАК будет недостаточно, чтобы получить этот распад, и что единственный коллайдер, который может его обеспечить, — это сама Вселенная и есть?

— Есть программа развития CERN до 2035 года — там будут большие энергии. Но может случиться, что и их не хватит, поэтому ученые, например, запустили на орбиту детектор AMS. Он измеряет определенные потоки космических лучей, и, анализируя их, физики делают предсказания для новой физики. Люди пытаются решить эту задачу с разных концов.

— Что еще интересного было обнаружено на LHCb?

— В LHCb подтвердили существовании осцилляций, то есть превращений частицы в античастицу для D-мезонов. До этого осцилляции были известны только в K-мезонах и в B-мезонах. Кроме того, LHCb «закрыл» одну из возможных лазеек в новую физику. В эксперименте CDF на американском ускорителе Тэватрон в 2008 году измеряли определенный параметр распада B_s-мезонов и получили данные, что он отличается от предсказанного Стандартной моделью. Все страшно возбудились, рассчитывали, что здесь будет прорыв в новую физику, но LHCb четко показал, что никакого расхождения по этому параметру с предсказанием нет. Это называется флуктуации, такие шутки природы: ученым на Тэватроне повезло, и монетка у них 10 раз выпала орлом, а в LHCb монетку подбросили миллион раз и увидели, что орел и решка выпадают одинаково часто.

Именно поэтому поднялась такая буря после выхода нашей статьи в Nature, где мы описали распад B_s-мезона на два мюона. Мы объединили статистику детекторов CMS и ATLAS и получили результат с вероятностью больше 99,999999%, так что это уже не просто флуктуация, а подтвержденный факт, открытие.

Сборка вершинного детектора LHCb. Фото пресс-службы CERN


— Кто входит в коллаборацию LHCb, сколько людей анализируют весь этот несметный объем данных?

— В эксперименте LHCb примерно 850 физиков из 56 институтов из 18 стран мира. Эта коллаборация и CERN в целом — самая настоящая демократия, воплощенная в жизнь. У каждой группы есть начальник, и периодически собирается так называемый collaboration board (координационный совет), когда все 56 человек вместе вырабатывают общее решение о том, как будет развиваться детектор. Это решение должно удовлетворить всех. У каждого есть право сказать, что ему не нравится тот-то или тот-то эксперимент, потому что он идет вразрез с планами его группы. Ему могут отказать, а могут послушать — в зависимости от того, насколько он будет убедителен.

— От России много народу принимает участие в эксперименте LHCb?

— В коллаборации принимают участие семь институтов, и каждый внес свой вклад в строительство детектора. Причем вклад не только с точки зрения железа, но и непосредственно по развитию детектора, по решениям, какой он будет, почему именно в такой конфигурации. ИТЭФ принимал участие в строительстве, а сейчас — в эксплуатации электромагнитного колориметра. Все его 6016 модулей были сделаны в ИТЭФ, кроме электроники — за нее отвечают французские и испанские коллабораторы. Петербургский институт ядерной физики (ПИЯФ) принимал участие в строительстве мюонной системы. Это тоже идентификатор частиц, и специалисты ПИЯФ разрабатывали камеры считываний и электронику высокого напряжения. Есть группа из института ядерных исследований (ИЯИ) РАН, они принимали участие в строительстве предливневого детектора, который стоит перед электромагнитным калориметром и тоже помогает идентификации частиц. Ученые из Новосибирского института ядерной физики СО РАН принимали участие в строительстве детектора колец Черенковского излучения. Чтобы их увидеть, используется уникальный радиатор из аэрогеля, который, кстати, тоже делается в России, в институте ядерной физики имени Будкера в новосибирском Академгородке. Институт физики высоких энергий в Протвино делал модули адронного калориметра. Если электромагнитный калориметр весит примерно 10 тонн, то адронный — 100 тонн. НИИЯФ МГУ принимает участие в вершинном детекторе, который определяет, где была точка взаимодействия. Недавно к нам присоединился Курчатовский институт, который занят, в первую очередь, модернизацией трекового детектора.

— Зачем его модернизировать?

— По мере увеличения энергии столкновений детекторы получают механические и радиационные повреждения, стареют. Через три-четыре года мы будем глобально изменять их структуру. Как раз ФЦП «Исследования и разработки» Минобрнауки России (проект 14.610.21.0002), по которой мы работаем, направлена на то, чтобы Россия смогла внести свой вклад в модернизацию детектора.

Монтаж LHCb. Фото пресс-службы CERN


— И сколько все это стоит?

— Предложения по модернизации установок одобрены международным научным комитетом (LHCC) и утверждены генеральным директором CERN. Планы и финансовые обязательства стран-участниц в модернизации экспериментов БАК были зафиксированы на заседании Ресурсного комитета CERN (RRB) и представителей финансирующих агентств в апреле 2014 года.

В рамках ФЦП ИР Минобрнауки уже осенью 2014 года провел конкурс по участию в модернизации установок БАК. Были разыграны четыре лота, которые покрывают все большие установки коллайдера. На три ближайших года в зависимости от эксперимента выделены средства порядка 150—220 миллионов рублей.

Каждая страна-участница коллаборации взяла на себя обязательство участвовать в модернизации — соответственно, правительства всех стран выделяют деньги на это. Несмотря на то что сумма очень большая, нам пошли навстречу и очень быстро выделили деньги. Конечно, предварительно было много переговоров, а сейчас много бумаг, но очевидно, что расход такой огромной суммы нужно контролировать, так что тут никуда не деться.

— Есть ли смысл ученым, которые разрабатывают приборы для LHCb, модернизируют их и анализируют данные, бывать на коллайдере, или весь анализ делается удаленно?

— В нашей работе есть пирожные — это, собственно, физический анализ собранных данных, а есть черный хлеб — рутинная работа по сбору данных, когда нужно сидеть на шифтах, а они бывают и днем и ночью.

— Что значит «сидеть на шифтах»? Звучит почти как «сидеть на диете».

— Так и есть: на диете из черного хлеба. Вы восемь часов сидите на пульте управления и следите, чтобы данные собирались непрерывно, чтобы детектор не сломался, калибруете его. Это рутина, но для того чтобы ее выполнять, человек должен быть в CERN, чтобы, в случае чего, мгновенно помочь. Могут в любое время позвонить, хоть в три часа ночи, и сказать: «У тебя там красная лампочка загорелась». И ты должен либо сообразить, что не так, и объяснить, что нужно включить или выключить, либо натянуть джинсы и в любую погоду поехать в центр управления и разбираться, что не так.

— Все люди, которые задействованы в коллаборации, должны это делать?

— Да, на каждого автора, чье имя появляется в статьях коллаборации, приходится примерно 10—15 шифтов в месяц. И я сидел на шифтах, и все мои сотрудники — никуда не денешься.

Виктор Егорычев. Фото из личного архива автора


— С какой стороны ждать прорывов в ядерной физике в обозримом будущем?

— Одно из перспективных направлений — поиск долгоживущих частиц. В последнее время у физиков очень популярна идея, что в столкновениях рождаются такие частицы, которые, прежде чем распасться, должны долго-долго-долго-долго пролететь. В установках тех размеров, которые у нас есть, они попросту не успевают развалиться и пролетают, «не замечая» нас. И сейчас обсуждается новый эксперимент — SHiP (Search for Hidden Particles — поиск скрытых частиц). Он будет сделан на базе ускорителя SPS, который является частью БАК. Нужно будет построить новую линию вывода протонов от SPS, и, пока основной пучок «крутится» в Большом адронном коллайдере, протоны в SHiP будут сбрасываться на мишень. В этот эксперимент тоже входят русские группы.

— Еще где-то ожидаются открытия?

— Очень хочется увидеть суперсимметрию — без нее немножко странно все. Это такое расширение Стандартной модели, которого очень не хватает для построения логичной картины Вселенной. Если суперсимметрия существует, то рано или поздно мы должны увидеть некие новые частицы — их как раз ищут на БАК, на детекторах ATLAS и CMS. Если их найдут, это будет следующий локомотив физики. Еще очень интересны нейтринные эксперименты. Сейчас мы четко знаем, какова разность масс между нейтрино разных типов, но вот иерархия масс неизвестна (ученые знают, что одни нейтрино тяжелее других, знают величину этой разницы, но не знают, какие именно тяжелее, а какие легче — прим. «Чердака»). Это очень интересная задача, по ней готовится много экспериментов.

— Можно ли сказать, что сейчас в физике эпоха накопления данных, а не ярких прорывов, как было, например, в начале XX века?

— Был промежуток тишины, когда поиск новой физики концентрировался только на машинах, в которых сталкивались электроны, на изучении CP-нарушения. Было много сделано, но ничего прорывного не увидели. И, естественно, все ждали момента, когда заработает БАК. Когда нашли бозон Хиггса, была эйфория — от осознания того, что мысль существует и она работает правильно. Так что потихоньку работа идет.

Работы выполняются в рамках соглашения номер 14.610.21.00 по теме "Создание сверхвысокочувствительных компонентов супердетектора БАК-би Большого адронного коллайдера ЦЕРН для экспериментальных исследований асимметрии материи и антиматерии в протон-протонных столкновениях"
Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы