Original Material
Сто километров коллайдера
На конференции в Варне (Болгария) второй рабочий запуск Большого адронного коллайдера, физику за пределами Стандартной модели и коллайдеры будущего обсудили участники коллаборации RDMS эксперимента CMS БАК.
Коллаборация RDMS (Russia and Dubna Member States) объединяет физиков из стран-участниц ОИЯИ, работающих на детекторе CMS (Compact Muon Solenoid, компактный мюонный соленоид) Большого адронного коллайдера. CMS вместе с детектором ATLAS были созданы для решения главных задач БАК — поиска бозона Хиггса и «новой физики» — частиц за пределами Стандартной модели.
На конференции в Варне (семинар RDMS проводится раз в год, в прошлом году он состоялся в Дубне) ученые обсудили физическую программу работы начавшегося этой весной второго запуска «рана» (run) БАК и ряд аспектов теоретической физики — главным образом физиков интересуют свойства бозона Хиггса и выход за пределы Стандартной модели, а вопросы модернизации Большого адронного коллайдера и его детектора — CMS — на перспективу до конца 20-х годов.
Увидеть «новую физику» — физику за пределами представлений Стандартной модели — ученые надеются уже в ближайший год. Причин тому несколько: БАК не только приблизился к запланированной энергии столкновений (сейчас это 13 ТэВ, в планах было 14 ТэВ), но и серьезно повысил светимость — количество частиц в пучке. Это позволит наблюдать в разы больше событий, что принципиально важно для таких редкий явлений, как распад бозона Хиггса, например.
«Пока мы не видим внятных сигналов новой физики», которые воспроизводились бы в разных каналах наблюдений и на обоих детекторах — CMS и ATLAS. Но за предстоящий год объемы данных кардинально вырастут, и это принципиально для наблюдения редких событий, каковым будет рождение ранее неизвестных частиц. Мы сможем изучить широкий спектр очень высоких энергий, и все имеющиеся сейчас данные говорят о том, что «новая физика» прячется именно там, и мы сможем ее найти, этих данных должно быть достаточно. Если же мы все-таки не увидим ничего, это тоже будет крайне важный и в каком-то смысле революционный результат, который нужно будет осмыслить и объяснить», — сказал гость конференции, итальянский физик Гвидо Тонелли, бывший руководитель коллаборации CMS.
Сейчас ученые рассматривают массу теорий, чтобы объяснить, например, наблюдаемую в астрофизических наблюдениях по гравитационному взаимодействию темную материю.
«Не исключено, что есть всего одна элементарная частица, которая описывает всю темную материю во Вселенной. Предположительно, эта частица достаточно тяжелая, в 100 раз тяжелее, чем протоны и нейтроны, из которых в основном состоит обычная материя. Возможно, это именно так, эта одна частица будет обнаружена, и мы ответим на все вопросы о темной материи.
Но может быть, это и не так. Есть модели, предполагающие, что темная материя состоит не из одной частицы, а из нескольких составляющих. Возможно, это не тяжелая, а легкая частица», — пояснил другой участник конференции, профессор ОИЯИ и МФТИ Дмитрий Казаков.
Однако в поисках частиц темной материи на ускорителях кроется проблема: поиски исходят из того, что эти частицы участвуют в слабом взаимодействии (точно известно, что они не участвуют ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействии и участвуют — в гравитационном).
«Если эта частица взаимодействует слабо, тогда ее можно получить на ускорителях, а также увидеть в подземных экспериментах (таких как лаборатория Гран-Сассо в Италии), когда она прилетает из космоса и ударяет в нашу мишень. Еще один вариант — увидеть проявление частицы в космических лучах. Если же она взаимодействует только гравитационно, то это взаимодействие очень слабое, на много порядков величины слабее, чем слабое взаимодействие. И тогда на ускорителе наблюдать ее рождение не удастся: слишком маленькими будут сечения взаимодействия. Это не очень благоприятная ситуация для физиков, потому что такую частицу мы пронаблюдать не сможем. В этом смысле сегодня надежды физиков связаны с тем, что эта частица все-таки участвует в слабом взаимодействии, и тогда мы ее сможем идентифицировать и в космических лучах, и под землей, и на ускорителях. Разумеется, открытие частицы только в одном месте еще ничего не подтвердит, нужно ее совокупное наблюдение в трех перечисленных выше процессах. Сравнивая их и теоретические предсказания, можно будет однозначно эту частицу идентифицировать», — пояснил Казаков.
В отдаленных планах БАК — не повышать еще больше энергию соударений, но принципиально нарастить светимость, чтобы «поймать» самые редкие события. Проект коллайдера повышенной светимости получил название HL-LHC (HighLuminosityLHC).
«С текущими параметрами мы проработаем до середины 2018 года, после чего коллайдер остановится на полуторагодовой апгрейд, после которого мы планируем получить финальную энергию столкновений в 14 ТэВ и выйти на светимость в два раза больше проектной. Так мы проработаем до конца 2022 года, а затем остановимся на 2,5 года, чтобы кардинально улучшить нашу машину. Этот коллайдер будет называться HL-LHC — HighLuminosityLHC, энергия столкновений останется той же, а светимость должна увеличиться в 5–7 (возможно, 10) раз от номинальной. А значит, мы сможем за год собирать тот же объем данных, что при текущих параметрах мы соберем за пять лет, и получить в три раза лучшее разрешение», — пояснил итальянец Эцио Тодеско, руководитель проекта по разработке магнитов для HL-LHC.
Цикл разработки технологий для строительства новых сверхмощных машин очень длинный, поэтому физикам уже сейчас приходится задумываться о том, на каких приборах они будут работать в 30-е годы XXI века после завершения программы HL-LHC.
«В целом для ускорителя, который придет на смену БАК, сейчас рассматриваются три возможности. Первое — адронный коллайдер, где сталкиваются протоны, как в БАК. Второе — лептонный коллайдер как предшественник БАК в его тоннеле — LEP, коллайдер электронов и позитронов. И третья возможность (но она, на мой взгляд, менее интересна) — столкновение адронов с лептонами. Сейчас мы находимся на стадии мозгового штурма и не отметаем ни одну из этих возможностей. Какой именно прибор окажется в новом большом тоннеле — сейчас идет речь о кольце длиной 100 км на площадке CERN — покажет физика. Сегодня можно говорить о том, что технологически мы наиболее готовы к строительству электрон-позитронного коллайдера. То есть готовых решений нет, это нетривиальная задача; но есть понимание, как в реалистичные сроки разработать нужные технологии. Для адронного коллайдера нам предстоит действительно толкать вперед технологии в большом числе аспектов. Это серьезный вызов. Именно поэтому мы уже сейчас начинаем исследования для разработки технологий, нужных для создания такого прибора», — пояснил Тодеско. «Понятно, что, когда эти коллайдеры будут построены, большинство из нас уже уйдет на пенсию, но это типичная ситуация для физики частиц — горизонт планирования в 10–20 лет. В 1970-е годы люди также говорили об ускорителях, которые построили уже те, кто пришел им на смену», — сказал ученый.
Коллаборация RDMS имеет богатую историю. Она была создана 21 год назад по предложению Мишеля Делла Негра, руководителя начинавшего тогда свое развитие объединения CMS, создавшего одноименный экспериментальный комплекс на БАК и сейчас успешно на нем работающего, а также дубнинских физиков во главе с Игорем Голутвиным, бессменным руководителем проекта RDMS. Идея состояла в том, чтобы объединить усилия небольших групп физиков из институтов России и стран-участниц ОИЯИ, чтобы можно было взять на себя ответственность за достаточно значительную часть установки. Для этого люди должны быть объединены единой логикой, пониманием научной задачи, которую нужно решить. И это было бы значительным вкладом в создание уникальной установки — CMS. Более 300 ученых RDMS из разных стран вместе работали над созданием торцевой системы детекторов (endcap) CMS. Эта часть установки включает множество детекторов различных типов — мюонные камеры и два вида калориметров.
При создании торцевого адронного калориметра Дубна, совместно с Протвино и НИКИЭТ (Москва), сыграла ключевую роль в разработке и проектировании механических торцевых систем и поглотителя. Латунь для поглотителя выплавлена из орудийных гильз Северного морского флота в Санкт-Петербурге. Латунный поглотитель изготовлен на минском заводе МЗОР. Работы по созданию сцинтилляторов (детекторов, способных излучать свет при поглощении ионизирующего излучения) были проведены в Харькове и Протвине. Специально для БАК на заводе в Богородицке по технологии, разработанной Протвино и ИЯИ в сотрудничестве с коллегами из Украины и Белоруссии, было выращено 80 000 уникальных сцинтилляционных кристаллов вольфрамата свинца для электромагнитного калориметра. Высокоточные мюонные камеры были изготовлены в Дубне и Гатчине. Коллаборация RDMS взяла на себя ответственность за создание этого комплекса «под ключ» и успешно реализовала все поставленные задачи.
«RDMS и ее руководитель Игорь Голутвин — очень важная часть CMS и очень дорогие коллеги для меня лично. Мы плотно сотрудничали при поисках бозона Хиггса. И у нас был момент, когда мы увидели сигнал, но еще не были уверены, Хиггс это или нет. Игорь Голутвин тогда очень поддержал меня. О результате работ все узнали в июле 2012 года», — сказал Гвидо Тонелли.
«Мы слышали от наших болгарских коллег, в частности Лачезара Костова, полномочного представителя правительства Болгарии в ОИЯИ, что для Болгарии, которая является страной Европейского союза и потому входит в CERN, быть в ОИЯИ очень важно. Потому, что находясь в таком объединении, как RDMS, они способны внести более значимый вклад в программы CERN. Без этого относительно небольшое количество физиков Болгарии растворилось бы в огромных коллективах и не имело своего лица. А Дубна позволяет создать такие объединенные международные команды, в которых каждая группа может внести значимый вклад», — сказал директор ОИЯИ, председатель консультационного совета RDMS Виктор Матвеев.
«Руководство CERN тоже давно осознало, что Дубна играет очень важную роль, не просто внося вклад в один из экспериментов, а создавая культуру объединения национальных групп в большие всесторонне — теоретически и методически, экспериментально — подготовленные коллективы. RDMS уже стала признанным брендом в CERN, в мире физиков, что означает успешную форму участия представителей нескольких стран в реализации крупного международного проекта», — добавил академик Матвеев.
Конференция RDMS проводится в Болгарии не впервые: Болгария —одна из стран-основательниц и активных участниц Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне.
«Болгария традиционно сильна в ядерной электронике, и с 1969 года дубнинские семинары по ядерной электронике каждые два года проводили у нас. Сейчас этот симпозиум называется NEC — NuclearElectronicsandComputing, так как с тех пор компьютерные технологии очень плотно вошли в электронику. Совещание RDMS проводится каждый год в разных странах, и здесь в Варне уже проходило в 2006 и 2010 годах», — сказал сопредседатель оргкомитета конференции, бывший полномочный представитель Болгарии в ОИЯИ профессор Иван Ванков.
Начало конференции омрачилось происшествием на пункте российского паспортного контроля: в Варну не смог вылететь член делегации ОИЯИ Хуан Суарес Гонсалес, специалист по физике элементарных частиц, работающий в Белорусском государственном университете. Ученый живет и работает в Белоруссии более 20 лет, имеет вид на жительство и сохраняет гражданство Колумбии. Он прибыл в Москву поездом и в аэропорту присоединился к делегации ОИЯИ. Делегация организованно прошла регистрацию и направилась на паспортный контроль. После этого белорусского физика никто из коллег не видел, на борту в Варну его не оказалось. Как выяснилось впоследствии, обладатели вида на жительство в Белоруссии не имеют права вылетать в третьи страны из России и наоборот (хотя в России ученый находился совершенно легально как гражданин Колумбии, с которой у нас безвизовый режим). Пограничные службы пообещали поставить в известность о сложившейся ситуации делегацию ОИЯИ, находившуюся в тот момент аэропорту, но не сделали этого. Также физику было отказано в процедуре депортации в Белоруссию, так что ему пришлось возвращаться в Минск на собственные средства, а делегации — сильно переживать, разыскивая бесследно исчезнувшего человека. К счастью, Хуан нашелся в Минске через два дня, а его доклад на конференции представили его коллеги.