Российские ученые из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) продолжают в рамках коллаборации ATLAS поиск новой физики и изучение свойств бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК), который в этом году был запущен после трехлетней модернизации в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований). Ранее благодаря сотрудникам ОИЯИ международная коллаборация измерила свойства хиггсовского бозона по одному из каналов распада, изучила вероятность существования заряженного или нейтрального тяжелого бозона и долгоживущих частиц – эти данные подтверждают предсказания Стандартной модели элементарных частиц. Обо всем этом подробнее нашему порталу непосредственно из ЦЕРНа рассказал руководитель группы сотрудников ОИЯИ в ЦЕРН, начальник сектора Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Евгений Храмов.
10 коллабораций, 20 тыс. ученых
Евгений Владимирович, в чем уникальность Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе? Это по-прежнему самая крупная экспериментальная установка в мире?
Уникальность БАК заключается, в первую очередь, в его энергии. Проектные показатели – 14 ТэВ, это максимум, которого планируется достигнуть на коллайдерах – столкновение двух протонных пучков при энергии с каждой стороны по 7 ТэВ. Пока что удалось достичь показателя в 13,6 ТэВ (по 6,8 на пучок), потому что есть некоторые технические проблемы.
Большой адронный коллайдер изначально создавался как большой международный проект, ведь ни одна страна мира самостоятельно не потянет такое ни в финансовом, ни в технологическом, ни производственном плане. И тем более в числе людей. Например, только в коллаборации ATLAS около 6 тыс. сотрудников, из них более 2,5 тыс. авторов, которые публикуют научные статьи. У второй крупной коллаборации, CMS, примерно такие же цифры. Но в целом это около 20 тыс. ученых со всего мира, которые непосредственно создают сам коллайдер и проводят эксперименты.
Что это за коллаборации? В чем между ними разница?
Всего на БАК существует десять коллабораций, четыре из них самые большие: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb, первые две – самые крупные, их, пожалуй, можно назвать основными. Основная цель работы на Большом адронном коллайдере – это открытие бозона Хиггса, следующей по важности идет поиск каких-либо сигналов новой физики (преимущественно ATLAS и CMS), третье – это исследования в области кварк-глюонной плазмы (эксперимент ALICE). LHCb занимается несколько другими вопросами: преимущественно тяжелыми адронами.
Существенной разницы между физическими программами ATLAS и CMS как таковой нет – мы друг друга дополняем и подтверждаем. Если бы открытие бозона Хиггса в 2012 году было сделано только одной коллаборацией, все бы восприняли это хорошо, конечно, но ждали бы, пока кто-то другой еще подтвердит это открытие. Это сделано по аналогии с ускорителем «Тэватрон» в США: там тоже были разные коллаборации с примерно одинаковыми физическими программами, отличались лишь детекторы. У нас аналогично: отличаются только сами подсистемы, используемые при их создании технологии.
Пик, который стал фурором в фундаментальной физике
Как давно в проекте участвует Объединенный институт ядерных исследований?
Ученые из ОИЯИ участвуют в проекте с самого начала коллабораций ATLAS и CMS – 31 января 1996 года. Хотя ОИЯИ, как международная межправительственная организация, участвует в этом большом проекте с еще более раннего срока – со времен прототипов ATLAS и CMS, с 1992 года. ОИЯИ принимал участие в разработке, создании и монтаже на месте практически всех подсистем детекторов ATLAS и CMS на БАК. В 2008 году запустили сам коллайдер, а в 2012 – открыли бозона Хиггса.
Как произошло это открытие? И было ли с тех пор что-то сравнимое по значению и масштабу?
С тех пор, конечно, чего-то сравнимого по масштабу не было. Открытие бозона Хиггса – это настоящий фурор для фундаментальной физики, который случается, наверное, раз в столетие. Хотя были еще значимые достижения – например, на эксперименте LHCb открыли пентакварк и тетракварк (так называемые экзотические состояния), открытия в области тяжелых адронов, а затем шли более прецизионные измерения параметров уже известных нам частиц, чем занимаются в экспериментах ATLAS и CMS.
С тем же бозоном Хиггса, если посмотреть на оригинальные публикации, вы увидите, что там пишут о новой частице с определенной массой и параметрами, но, строго говоря, бозоном Хиггса это не называется. Мы понимали, что это он, однако до исследования его свойств сказать точно не могли: пока не измерили параметры распада, вероятности распадов по различным каналам. И некоторые его параметры до сих пор продолжаем «доизмерять».
Тогда, в 2012 году, мы начали видеть пик на фоне данных, которые предсказывала теория, отклонение стало расти, и когда оно стало слишком большим, статистическая значимость стала достаточно высока, мы стали говорить о том, что открыли новую частицу с массой 125 ГэВ.
Постоянная работа с данными
В каком режиме сегодня работает коллайдер? И с чем была связана его остановка на три года?
БАК останавливали на модернизацию на три года после так называемого Run2: установка работала c 2015 по 2018 год с энергией 13 ТэВ, а потом встала на плановый апгрейд. При этом в конце каждого года у нас есть остановки на Рождество – все выключается, люди уходят, ЦЕРН закрывается на это время. Затем все возвращаются и начинают понемногу «разогревать», потому что очень большие токи, и приблизительно к марту, как правило, набор данных возобновлялся. С марта до ноября все работало каждый день и ночь: происходит столкновение пучков, затем, когда количество протонов в пучке падает приблизительно в два раза, пучки из БАК выводят на мишень («сбрасывают»), а затем заполняют заново. Это происходит приблизительно раз в сутки.
Здесь потеря даже одного дня неприемлема, эффективность набора данных у нас около 96-98%. Поэтому мы работаем постоянно: у каждой коллаборации есть комната управления, и в ней всегда есть дежурные, которые следят за тем, чтобы все системы детектора работали стабильно. Коллайдер ускоряет пучки, сталкивает протоны, а мы с высокой точностью записываем результаты взаимодействия этих протонов. Есть и ночные дежурства на 8 часов, так что люди сидят даже по ночам.
А как проходит работа по анализу полученных данных?
Анализ данных – это то, что мы делаем за компьютером в офисах. Произошло столкновение, его зарегистрировали различные системы, мы это считываем и потом смотрим, какого типа это было событие, сортируем их, анализируем с точки зрения энергии, пространственного распределения частиц, а затем сравниваем с тем, что нам дает теория, то есть Стандартная модель.
Существенные отклонения многократно перепроверяются, чтобы избежать ошибки. Для этого дополнительно создаются независимые группы по анализу данных. И лишь после всестороннего исследования и многократного подтверждения, что измерения верны, можно говорить, что мы что-то открыли. Так было и с бозоном Хиггса.
При этом бозон Хиггса укладывается в рамки Стандартной модели. А вот если сейчас мы обнаружим что-то тяжелое, не какое-то экзотическое состояние, как на LHCb, а какой-нибудь бозон массой в 200 ГэВ, это будет означать, что новая физика существует. Бозон Хиггса стал последним «кирпичиком» таблицы элементарных частиц, и теперь она сформирована полностью, составные частицы, те самые экзотические состояния, также были предсказаны ранее и укладываются в существующую модель.
БАК и коллайдер NICA на базе ОИЯИ в подмосковной Дубне будут работать вместе? Не будет конкуренции между установками?
NICA и БАК друг другу не конкуренты, они в принципе не пересекаются между собой и находятся в разных областях физики частиц. У коллайдера NICA это более прецизионная физика, ионная физика в области более низких энергий. БАК не рассчитан для работы на таких энергиях. Два коллайдера в целом взаимодополняют друг друга.
Справка:
Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) — международная межправительственная научно-исследовательская организация в наукограде Дубна Московской области. Учредителями являются 19 государств-членов ОИЯИ. Основные направления, в которых работают исследователи института, — это ядерная физика, физика элементарных частиц и исследования конденсированного состояния вещества. В ОИЯИ были синтезированы все трансурановые элементы периодической системы химических элементов, открытые в СССР и России, и повторен синтез большинства трансурановых элементов, открытых в других странах.
Институт курирует работы по созданию в Дубне ускорительного комплекса NICA. Это один из шести проектов класса мегасайенс в России. Строительство комплекса началось в 2016 году, первый запуск коллайдера с неполной интенсивностью запланирован на 2022 год.
Вячеслав Кокуркин
