«Прелестный кварк летит вперед»

На прошлой неделе коллаборация LHCb выпустила статью, посвященную открытию сразу пяти новых частиц — возбужденных состояний очарованного омега-бариона. По счастливой случайности Гай Уилкинсон и Рольф Линднер, официальный представитель и технический директор четвертого по величине эксперимента Большого адронного коллайдера, оказались в эти дни в Москве с визитом в НИТУ МИСиС. Мы воспользовались этой возможностью и встретились с физиками, чтобы расспросить их о современном состоянии детектора, о научных результатах коллаборации и о будущих планах.

N+1: Многие слышали о Большом адронном коллайдере, о бозоне Хиггса. Однако о том, чем занимаются конкретные эксперименты, например, ATLAS или CMS, известно гораздо более узкому кругу лиц. Название вашего эксперимента — LHCb — происходит от английского Large Hadron Collider, что означает собственно «большой адронный коллайдер». А что такое b? И в чем суть вашего эксперимента?

Гай Уилкинсон: По сути наш эксперимент близок к ATLAS — мы пытаемся найти следы новой физики за пределами Стандартной модели. Стандартная модель дает очень полное описание фундаментальных строительных блоков материи и их взаимодействий. Но мы знаем, что она не полная. Многое она не в состоянии объяснить. Например, она не объясняет, почему Вселенная состоит из вещества, а не из антивещества. Наш эксперимент пытается решить эту загадку.

Литера «b» в названии эксперимента означает «beauty» («красота», «прелестность»). Это не потому, что люди, работающие на эксперименте, так красивы. Хотя Рольф весьма симпатичный (смеется). Этот термин означает, что мы исследуем прелестные кварки. Эти кварки производятся на Большом адронном коллайдере в огромных количествах. Проводя очень точные исследования этих частиц, мы можем найти отличия в поведении вещества и антивещества. Мы проводим очень-очень точные измерения их поведения и сравниваем их с теоретическими предсказаниями Стандартной модели. Мы надеемся увидеть расхождения и отличия между предсказаниями и измерениями — они могут стать ключом к ответу на некоторые фундаментальные вопросы.

N+1: Распады прелестных частиц видят все три крупных эксперимента БАК — и ATLAS, и CMS, и LHCb. В чем особенность LHCb?

Уилкинсон: И правда, все эксперименты видят их, но LHCb разработан и построен так, чтобы выжать из этих наблюдений максимум, собрать наибольшее количество этих распадов и провести самые точные измерения. Мой коллега Рольф, по сути, построил наш детектор. Он может объяснить, почему его форма так отличается от CMS и ATLAS.

Рольф Линднер: Это слегка преувеличение, говорить что я построил детектор. Но я координировал его строительство и установку. Итак, если мы говорим о том, как устроены детекторы ATLAS и CMS, то точка, в которой происходит столкновение протонов, находится в их центре. Детектор LHCb отличается от них формой. Мы сталкиваем протоны у торца установки. Детектор располагается всего в 8 миллиметрах от точки столкновения, а в будущем он будет располагаться еще ближе. Поскольку нас интересуют только события, связанные с рождением прелестных частиц, которые разлетаются под небольшим углом в известном направлении, для нас достаточно поставить детектор именно там и следить за частицами, вылетающими под этими небольшими углами.

Преимущество того, что детектор располагается лишь по одну сторону от точки столкновения, заключается в том, что у нас больше места для систем детектора. Он состоит из нескольких слоев для отслеживания траекторий частиц. Вблизи точки столкновения у нас располагаются магниты, затем идут счетчики черенковского излучения, калориметры и другие слои.

Уилкинсон: Если посмотреть на CMS, то он скорее имеет форму цилиндра. Если же в столкновении протонов образуются прелестные кварки, то они летят вперед. И форма нашего детектора разработана таким образом, чтобы эффективно ловить именно эти частицы.

Линднер: Если CMS — это «большая луковица», то LHCb — это половина луковицы.

N+1:В Стандартной модели шесть кварков. А почему вы выбрали именно прелестные кварки, а не очарованные или странные?

Уилкинсон: Отличный вопрос! У прелестных кварков много интересных особенностей, идеально подходящих для наших исследований. Прелестный кварк формирует частицы, существующие очень короткое время, но его достаточно, чтобы они успели пролететь небольшое расстояние внутрь детектора. Затем они распадаются на другие частицы. Очарованный, странный и топ-кварки распадаются, в основном, по одному из небольшого количества путей. У прелестного кварка таких путей тысячи. И каждый путь распада позволяет провести отдельное исследование тех эффектов, которые нас интересуют.

Именно в путях распада частиц, в состав которых входят прелестные кварки, мы ожидаем увидеть разницу между свойствами вещества и антивещества. Эта разница называется нарушением CP-инвариантности. В прелестных частицах ее легче увидеть.

N+1: Как я понимаю, LHCb измеряет вероятности распада прелестных частиц на другие, заранее известные частицы-осколки. Стандартная модель дает какие-то предсказания для этой вероятности, физика за ее пределами дает другие предсказания. А каким образом это происходит?

Уилкинсон: Например, мы исследуем распад прелестной частицы на конкретный набор других частиц. И вместе с тем, мы исследуем распад антипрелестной частицы, в ходе которого возникает «антинабор» соответствующих античастиц. Разница между этими распадами — это и есть CP-нарушение. В Стандартной модели это нарушение объясняется и управляется всего одним параметром в ее математическом описании. Если существует физика за пределами Стандартной модели, то в ней должен быть еще и другой параметр для описания разницы между поведением вещества и антивещества. Мы просто сравниваем предсказания Стандартной модели с ее одним параметром и экспериментальные данные. И любые отклонения укажут на новую теорию, которая скорректирует предсказание и опишет экспериментальные данные.

Нам кажется, что эта теория должна существовать, потому что Вселенная сделана из вещества, а не антивещества, а это определяется именно CP-нарушением. Это, кстати, впервые заметил известный русский физик Андрей Сахаров. Он обнаружил, что для преобладания вещества над антивеществом должен существовать некий значительный источник CP-нарушения. В Стандартной модели CP-нарушение есть, но оно не достаточно сильное. Поэтому должно быть что-то еще.

N+1: А расскажите чуть подробнее, что такое CP-нарушение?

Уилкинсон: В физике есть много фундаментальных симметрий. Симметрия C, charge — относительно заряда частицы, P, parity — зеркальная симметрия и T, time — симметрия относительно обращения времени. Последняя означает, что фундаментальный процесс, происходящий во времени, должен быть таким же, если обратить время вспять. В начале XX века считалось, что все эти симметрии должны сохраняться. Однако потом ученые открыли, что зеркальная симметрия нарушается, симметрия относительно заряда нарушается, CP вместе тоже нарушаются. Это по сути как раз и означает, что вещество ведет себя иначе, чем антивещество. Однако физики-теоретики уверены в том, что CPT-симметрия, в которой одновременно изменяется заряд частицы, происходит зеркальное отражение и обращение времени вспять, не нарушается. Многие эксперименты пытаются проверить это утверждение — физики обязаны проверять подобные утверждения, но оно до сих пор не было опровергнуто.

На LHCb мы можем искать и CPT-нарушения, мы проводили соответствующие измерения, но наш интерес сконцентрирован в области, где мы точно знаем, что существуют нарушения симметрии, — на нарушениях CP-инвариантности.

N+1: За время работы LHCb вы собрали огромное количество данных. Есть ли уже сейчас какие-то серьезные расхождения со Стандартной моделью, например, в новых данных? Есть ли надежда на Новую физику в ближайшие годы?

Уилкинсон: Пока мы не нашли ровным счетом ничего однозначно указывающего на различия между предсказаниями Стандартной модели и экспериментом. Стандартная модель все еще хорошо все описывает. Но мы увидели в данных, собранных за Run 1 (2009–2013 годы) несколько интересных эффектов. Они не повторяют в точности то, что предсказывает Стандартная модель. Но эта разница не настолько значительна, чтобы мы могли сказать: мы сделали открытие.

Есть много разных экспериментов, которые можно провести с прелестными частицами. Можно исследовать нарушения CP-инвариантности в очень редких путях распада прелестных частиц. В некоторых таких процессах мы нашли интересные эффекты, которые могут исчезнуть с набором статистики, а могут стать сильнее. Потому нам нужно собирать больше данных с помощью детектора, построенного Рольфом.

N+1: Большая часть статей, опубликованных LHCb, основаны на данных Run 1. А когда можно ждать обработки данных Run 2?

Уилкинсон: Они, по сути, только начали появляться. Мы делаем очень точные измерения, и они требуют много времени на обработку. Обычно между сбором данных и публикацией статьи проходит по меньшей мере год, иногда больше. Этим утром (17 марта) мы опубликовали первую статью, в которой используются данные Run 2. Она посвящена исследованию очень-очень редкого процесса, распада прелестного адрона на два мюона. Он происходит всего пару раз за миллиард событий. Позднее, летом, будут и другие статьи. Но процесс обработки данных не мгновенный.

N+1: Немного о том, что происходит на коллайдере сейчас. Сейчас БАК остановлен на техобслуживание. Что происходит с детектором? Планируются ли какие-либо усовершенствования?

Линднер: По планам, каждые три года происходит длинная остановка коллайдера на техобслуживание. Нынешняя остановка — короткая. Обычно она занимает около 6–8 недель, в зависимости от того, что необходимо сделать. Короткие остановки используются, чтобы наладить детектор, провести текущий ремонт систем охлаждения, подачи газов, электроники, энергообеспечения. Кроме того, отдельные части детектора могут требовать замены или ремонта — их нужно демонтировать, отправить изготовителю, установить обратно.

Цель техобслуживания — привести детектор в порядок, добиться максимальной эффективности. Оно закончится в апреле, затем начнется введение детектора в эксплуатацию. В июне мы снова начнем собирать данные.

N+1: Как я понимаю, одна из причин ремонта — деградация материалов из-за облучения тяжелыми частицами?

Линднер: Да, это так — такие материалы мы просто заменяем. Но есть и другие причины — например, у нас есть отдельные детекторы, которые мы охлаждаем до -20 градусов Цельсия. Постоянный нагрев-охлаждение приводит к тому, что отдельные части детектора двигаются. С этой проблемой мы столкнулись этой зимой. В LHCb есть кремниевые детекторы, которые могут сломаться из-за смещений в случае некорректной сборки. Это произошло с двумя модулями, мы отправили их обратно в институт и отремонтировали. Такое иногда случается, это нормально, мы решаем эту проблему. Но в целом детектор становится все эффективнее и готов собирать новые данные.

Уилкинсон: Когда детектор работает, он находится в сложной среде, и если что-то сломается, нельзя просто взять отвертку и починить неисправность. Конечно, наш эксперимент — не то же самое, что отправка прибора в космос, где к нему больше нельзя будет прикоснуться, но есть и некоторые сходства. Нам нужно разрабатывать части детектора так, чтобы они могли «выжить» в течение года.

В 2018 году у нас будет двухгодичная остановка для усовершенствования детектора. У нас на нее большие планы. Мы поменяем почти весь детектор, мы хотим ускорить процесс сборки данных, чтобы воспользоваться полной производительностью БАК. У нас будет на это очень мало времени — хотя и кажется, что два года это много. У Рольфа в офисе есть план на стене — он напоминает план военной кампании.

Линднер: Это настоящий вызов. У нас есть всего два года на то, чтобы извлечь множество частей и заменить их на новые. Они будут работать быстрее и в условиях большей светимости коллайдера. Если сейчас мы собираем данные с частотой один мегагерц, то после замены мы перейдем на 40 мегагерц. Нам нужно быть готовым к этому обновлению.

На данный момент завершена фаза разработки новых частей и около года остается на их изготовление.

Уилкинсон: Это главная причина нашего визита в Москву. У нас много коллег из России. На самом деле доля русских на LHCb больше, чем на любом другом эксперименте БАК. Здесь у нас есть коллеги, занимающиеся сборкой частей нового усовершенствованного детектора.

N+1: На эту встречу меня пригласили коллеги из НИТУ МИСиС. А какую роль они играют в сборке нового детектора? Какие части они изготавливают?

Линднер: В прошлом, как и рассказал Гай, у нас было много партнеров из России, занимавшихся апробацией деталей, — мы им очень благодарны за это. Более чем год назад мы начали работать вместе с НИТУ МИСиС. Физики из МИСиС участвовали в анализе материалов для наших детекторов и получили результаты, которые кажутся нам очень интересными. Я уверен, что они сыграют важную роль для эксперимента в будущем. Очень скоро, если все пройдет хорошо, НИТУ МИСиС станет ассоциированным членом коллаборации LHCb и присоединится к нам при обновлении детектора.

Уилкинсон: У НИТУ МИСиС есть очень хорошая инженерная экспертиза. Мы — физики, мы не так много знаем о материалах, о том, как сконструировать детекторы и собрать их в единую установку. Что происходит в материалах в экстремальных условиях, в которых работает БАК, как изменяются материалы под действием непрерывного облучения пучков ускорителя — это те вопросы, в которых нужна экспертиза НИТУ МИСиС. В этих вопросах университет лидирует в мире.

Линднер: Они могут не только провести анализ тех материалов, которые у нас есть, но более того — они смогут разработать и создать для нас новые технологии, которые смогут выдерживать высокую радиацию. Они будут гораздо лучше, чем то, что у нас есть сейчас. У нас не так много инженерных университетов, участвующих в коллаборации. Большая часть университетов занимается анализом данных, но для того, чтобы иметь эти данные, нам нужен хорошо работающий детектор. А значит, нам нужны инженеры-механики, инженеры-электротехники, материаловеды, чтобы делать наши детекторы лучше.

N+1: Говоря о планах на будущее. В декабре некоторые магниты БАК были протестированы при условиях, соответствующих энергии протона в семь тераэлектронвольт. Когда мы можем ожидать подъема энергии протонов с 6,5 до 7 тераэлектронвольт? Необходимо ли это?

Линднер: Я считаю, что это определенно необходимо. Надо различать магниты экспериментов и магниты ускорителей. Речь идет о магнитах ускорительного комплекса. Тесты были сделаны в одном или двух секторах БАК. Это всего лишь тесты, и идет много споров о том, необходимо ли повышать энергию протонов в ускорителе или нет. Я считаю, что это должна быть наша главная цель — разогнать протоны до семи ТэВ. Но вопрос в том, когда мы сможем это сделать. Как я и сказал, это были всего лишь тесты, другие сектора будут протестированы во время следующей технической остановки. Поэтому в ближайшее время мы не получим протонов с энергией семь ТэВ.

Уилкинсон: Это вопрос баланса. Ускоритель может работать при семи тераэлектронвольтах короткий промежуток времени. Но это очень напоминает разгон на машине. У меня есть старая машина, и если я пытаюсь разгонять ее до больших скоростей, она начинает трястись и в конце концов сломается. Возможно, мы можем разогнать ускоритель до более высоких энергий, но нам придется его постоянно останавливать и чинить. Поэтому руководство БАК не будет этого делать в ближайшее время. Для ускорения потребуется подготовительная работа. И скорее всего, этого не произойдет по меньшей мере до следующей длинной остановки на техническое обслуживание — то есть до начала 2021 года.

Почему это важно? Честно говоря, для LHCb это не так важно — прелестные частицы производятся с огромной скоростью, и мы работаем на 6,5 ТэВ. Если энергия поднимется до 7 ТэВ, то мы получим чуть больше прелестных частиц. Это гораздо важнее для ATLAS и CMS, которые заняты поисками большой тяжелой частицы. Дополнительной энергии, которая возникнет при переходе с 6,5 на 7 ТэВ, может оказаться достаточно для того, чтобы эта новая частица рождалась чаще и шанс ее открытия значительно увеличится.

Таким образом, для CERN и для других экспериментов, в конце концов, важно увеличить энергию столкновений, но это вряд ли возможно в ближайшую пару лет. Я не думаю, что какой-либо из экспериментов хочет сделать это скорее. Мы предпочитаем работать с более стабильной установкой.

Линднер: Также, если поднять энергию до 7 ТэВ, нам потребуется каким-либо образом соединять эти данные с собранными при 6,5 ТэВ. А это, как я понимаю, совсем не простая задача. Это может привести к увеличению погрешностей в анализе данных.

N+1: Возвращаясь к науке на коллайдере, не могу не спросить о недавней статье об открытии пяти новых частиц в одном канале распада. Почему ученым важно наблюдать такие процессы?

Уилкинсон: Возможности LHCb очень широки. Мы ищем не только новые эффекты и частицы, которые не могут быть предсказаны Стандартной моделью. Не менее фантастично искать объекты, которые могут входить в Стандартную модель, но детали строения и поведения которых мы не понимаем. Очень интересна в этом смысле спектроскопия. Она исследует то, как кварки связаны в частицах. К примеру, мезоны состоят из кварка и антикварка, барионы — из трех кварков: это, например, протоны и нейтроны, из которых мы состоим. Есть и многие другие частицы. Мы сравниваем те частицы, что мы видим в эксперименте, с тем, что мы ожидаем.

Недавно мы опубликовали статью об открытии сразу пяти новых барионов — частиц, состоящих из трех кварков. В нашем случае они состояли из очарованных и странных кварков. Мы нашли сразу пять новых состояний. Это, как мне кажется, уникальный результат, такого еще никто не делал. Обычно мы находим только одну частицу, а здесь мы получили целый спектр. Это очень красиво с точки зрения физика — пять пиков на нем. Похоже на линию горизонта на Манхэттене. Каждый пик соответствует новому возбужденному состоянию частицы. Это не новая физика, это не позволяет объяснить происхождение Вселенной, но исследование того, как такие частицы возникают, помогает нам проверить наше понимание сильного взаимодействия, связывающего кварки в адронах.

Я напомню, что пару лет назад на LHCb были открыты пентакварки — частицы, которые были предсказаны 50 лет назад, но до нас их никто не видел. Наш эксперимент — невероятная лаборатория для поиска новых состояний и исследования их свойств.

N+1: А есть намеки на состояния из большего количества кварков? Может из шести кварков?

Уилкинсон: Эти состояния могут существовать, но мы не видим пока никаких намеков на это. Их будет очень сложно найти. Сейчас мы пытаемся найти больше пентакварков, понять, есть ли другие пути получить тот пентакварк, который мы нашли раньше. Мы хотим понять его свойства. Необычные состояния, вроде частиц, состоящих только из глюонов или большего количества кварков, могут существовать, но мы не ожидаем их открытия в ближайшее время.

N+1: И немного личный вопрос. А как вы представляете себе адроны? Например, я представляю себе молекулы как шарики, соединенные палочками или пружинками между ними. А если пытаться представить себе барион (например, протон). На что он похож?

Уилкинсон: Конечно, любая попытка представить это не будет полным описанием того, что в действительности происходит в природе. Но мне кажется, что то, как связаны кварки в барионах, очень похоже на то, как атомы связаны друг с другом. Возбужденные состояния барионов очень похожи на атом, который взяли и возбудили. Вся разница в том, какие взаимодействия обеспечивают эти связи. Это сильное взаимодействие, а не электромагнетизм.

Беседовал Владимир Королев