Смена фронта

После выхода Большого адронного коллайдера на проектную мощность и открытия бозона Хиггса в физике наступил кризис: главная теория физики частиц — Стандартная модель — была завершена, никаких значимых отклонений от ее предсказаний обнаружено не было, и внятного ответа на вопрос, куда идти, никто не предлагал. Ученым надо было решать, где искать новую физику, новую, более общую теорию. При этом все низко висящие плоды давно были сорваны, любой серьезный эксперимент потребовал бы гигантских вложений, а кто сегодня пойдет на эти расходы вслепую, без малейшего намека на возможность успеха?
Можно попытаться сменить «фронт» и искать процессы, которые не требуют высоких энергий, но происходят очень редко. Именно поэтому российский физик Андрей Голутвин, долгие годы работавший в ЦЕРНе, и его коллеги из НИТУ «МИСиС», Яндекса и других организаций придумали экономичный проект для поисков в новом направлении. В эксперименте SHiP будут искать следы неизвестных частиц, в том числе частиц темной материи, в отфильтрованном магнитными полями, пятиметровым слоем бетона и металла потоке частиц от ускорителя SPS. Возможно, огромная светимость — большое число рождающихся частиц — позволит увидеть новую физику быстрее, чем высокие энергии на мощных ускорителях.

Наиболее совершенной теорией в современной физике элементарных частиц является так называемая Стандартная модель, описывающая все известные взаимодействия в микромире и подавляющее большинство экспериментальных данных. Построенная в 1980-е годы, она была окончательно экспериментально подтверждена в 2012 году, когда на Большом адронном коллайдере обнаружили последнюю из предсказанных в рамках Стандартной модели частиц — бозон Хиггса.

Несмотря на этот успех, Стандартная модель не является окончательной теорией всего. Существует целый ряд феноменов как в физике элементарных частиц, так и в астрофизике и космологии, которые не укладываются в ее рамки. Физика за пределами Стандартной модели — или, как ее еще называют, Новая физика, — возможно, объяснит природу темного вещества, происхождение масс у нейтрино, практически полное отсутствие антивещества в космосе, динамику расширения Вселенной и ряд других явлений.

Проблема в том, что мы не знаем наверняка, где искать Новую физику. Обнаружение бозона Хиггса было для Большого адронного коллайдера лишь первой из главных задач. Сейчас он активно занят поиском проявлений Физики за пределами Стандартной модели. С 2015 года он ведет сбор данных о столкновениях на максимальной для себя энергии протонов в 13 тераэлектронвольт, и пока они обработаны лишь частично. В 2020-е годы ожидается апгрейд коллайдера и увеличение числа столкновений на той же энергии, но не исключено, что и это не приведет к обнаружению признаков Новой физики.

Поиски на Большом адронном коллайдере — это путь все большего увеличения энергии сталкивающихся частиц. Дальнейшим шагом в этом направлении стало бы строительство все больших и больших ускорителей. Такие проекты существуют и обсуждаются. Так, концепция будущего коллайдера FCC (Future Circular Collider) предполагает строительство 100-километрового кольца, в котором протоны разгонялись бы до 100 тераэлектронвольт. На данный момент, однако, реализация подобного проекта представляется неосуществимой по экономическим соображениям.

Если в столкновениях использовать не протоны, а более просто устроенные электроны и позитроны, то энергию частиц и стоимость ускорителя можно, в принципе, снизить. Однако она все еще остается чрезвычайно большой. Во многом по этой причине в 2017 году проект Международного линейного коллайдера ILC был пересмотрен в сторону уменьшения энергии ускоряемых частиц с 500 гигаэлектронвольт до 250 гигаэлектронвольт, что позволит уменьшить его длину с 33,5 километра до 13 километров.

В то же время не исключено, что частицы, предсказываемые теориями за пределами Стандартной модели, имеют относительно небольшую массу, но так слабо взаимодействуют с обычным веществом, что на Большом адронном коллайдере их просто не видно. Кроме того, даже в случае тяжелых частиц существует теоретическая возможность их слабого влияния на столкновения при более низких энергиях.

По этой причине ученые рассматривают возможность проводить эксперименты при более низких, чем на Большом адронном коллайдере, энергиях, но со значительно бóльшим количеством столкновений.

SHiP на SPS

Одним из подобных экспериментов станет SHiP (Search for Hidden Particles), возглавляемый профессором Imperial College и НИТУ «МИСиС» Андреем Голутвиным. Этот эксперимент планируется провести в ЦЕРН на Протонном суперсинхротроне SPS (Super Proton Synchrotron). Построенный еще в 1970-е годы, он имеет длину кольца около 6,9 километра и позволяет ускорять протоны до энергии в 400 гигаэлектронвольт. Наиболее значимые результаты на нем были получены в первой половине 1980-х годов — именно здесь, в частности, были обнаружены промежуточные векторные бозоны, окончательно подтвердившие верность краеугольной для Стандартной модели теории электрослабого взаимодействия. Сейчас этот синхротрон используется как предварительный ускоритель для Большого адронного коллайдера.

Особенность работы SPS заключается в том, что ускоряемые в нем пучки поступают в Большой адронный коллайдер лишь раз в несколько часов. Остальное время они могут быть использованы в других экспериментах. Именно этим предполагают воспользоваться авторы эксперимента SHiP.

Эксперимент позволит вести поиски Новой физики в рамках целого ряда теоретических моделей, однако основной является модель νMSM (neutrino Minimum Standard Model, минимальное расширение Стандартной модели с нейтрино). В этой теории Стандартная модель расширяется добавлением еще трех нейтрино, имеющих относительно большую массу. SHiP позволит вести их поиск в интервале масс от долей гигаэлектронвольта до приблизительно 10 гигаэлектронвольт.

Замечательным является то, что такая модель может объяснить сразу несколько явлений, не укладывающихся в Стандартную модель. Во-первых, тяжелые нейтрино позволяют естественным образом придать всем нейтрино массу. А во-вторых, они являются подходящими кандидатами в частицы темного вещества, поскольку, с одной стороны, аналогично обычным нейтрино слабо взаимодействуют с веществом, а с другой, достаточно массивны, чтобы объяснить наблюдаемые скопления темного вещества в космосе.

«На LHC (Большом адронном коллайдере) пытались найти суперсимметрию. Нет ее, не видно. А мы все знаем, что нужны кандидаты на темную материю. С другой стороны, мы знаем, что Стандартная модель правильная. Поэтому вы хотите добавить новые частицы таким образом, чтобы не испортить Стандартную модель. Самый минимальный сценарий — это так называемый portal models. В них новые частицы описываются с помощью операторов, которые связаны с оператором, уже присутствующим в Стандартной модели, через очень маленькую константу», — объясняет Андрей Голутвин.

Поскольку нейтрино очень слабо взаимодействуют с другими частицами, то для их обнаружения требуется, во-первых, провести много столкновений, а во-вторых, обеспечить низкий уровень шумов. За счет использования синхротрона SPS за пять лет предполагаемой работы в эксперименте удастся задействовать около 2×10²⁰ протонов, а для снижения шума будет использована специально разработанная система магнитов.

«Эксперименты типа SHiP называют beam-dump экспериментами. В них вы хотите увидеть что-то новое и устраиваете объем, в котором ничего нет. Если вы что-то увидите, то это и есть открытие. Лет 30-40 назад все увлеклись Большим адронным коллайдером, а эксперименты такого типа просто перестали делать. В это время развили, в частности, очень интенсивный пучок на SPS. Ну и мы просто поняли, что за относительно небольшие деньги можно проверить, нет ли вот таких моделей», — пояснил Андрей Голутвин.

Конструкция мишени и детектора

Пучок протонов с синхротрона SPS планируется посылать на неподвижную мишень, которая будет иметь толщину порядка 120 сантиметров. Этого достаточно, чтобы остановить все протоны. При взаимодействии протонов с ядрами и электронами мишени будет происходить рождение большого количества новых частиц, среди которых, возможно, окажутся и гипотетические частицы темного вещества.

Сложность проектирования мишени заключается в том, что через каждые семь секунд она должна в течение секунды поглотить около 3×10¹³ протонов, каждый из которых имеет энергию в 400 гигаэлектронвольт. Это соответствует выделяемой мощности порядка мегаватта (до 2,5 мегаватта в пике). При поперечном размере мишени в 30 сантиметров это означает, что с каждого ее квадратного сантиметра надо отводить несколько киловатт тепловой энергии.

Решением этой проблемы занимались в НИТУ «МИСиС». Мишень будет состоять из набора металлических слоев толщиной от 2,5 до 35 сантиметров. Половина слоев будет выполнена из менее плотного молибденового сплава TZM, а остальная часть мишени — из вольфрама.

«Сейчас сделан макет этой мишени. Он в два раза меньше, чем нужно будет. Это прототип. Но толщина пластин в ней уже вымеренная, потому что здесь главный параметр — это длина взаимодействия, поскольку нам надо точно знать, на какой глубине какие частицы рождаются», — рассказывает старший научый сотрудник НИТУ «МИСиС» Дмитрий Карпенков. Этот прототип сейчас проходит испытания на синхротроне SPS при сниженном потоке протонов. Цель этих испытаний — лучше понять, какие уже известные частицы рождаются в процессе взаимодействия, чтобы улучшить защиту детектора от них.

Охлаждать пластины будут потоки воды, проходящие через узкие зазоры между ними. По оценкам, для этого потребуется около 50 литров воды в секунду, или 180 тонн в час. Чтобы дополнительно повысить температуру кипения воды до 200 градусов Цельсия, она будет подаваться под давлением в 15 атмосфер.

«Мишень имеет относительно простую структуру. Это по сути просто набор тонких металлических цилиндров. В начале мишени используются более тонкие, поскольку здесь наибольшее тепловыделение и требуется быстрее отводить тепло. Эти цилиндры выполнены из молибдена, плотность которого в два раза ниже, чем у вольфрама. Если бы мы использовали здесь вольфрам, он просто расплавился бы», — продолжает Карпенков.

Главной сложностью эксперимента будет создание условий с как можно меньшим уровнем фонового шума. В процессе взаимодействия потока протонов с мишенью будут образовываться ливни энергичных частиц. Большую часть из них остановят пятью метрами бетона. Но на выходе из него все еще останутся слабо взаимодействующие с веществом мюоны и нейтрино.

Основную проблему представляют собой мюоны. К счастью, это заряженные частицы, которые можно отклонить магнитами. Сложность заключается в том, что мюоны могут иметь самую разную энергию, и те из них, которые двигаются относительно медленно, могут совершить в магнитном поле полный оборот и вернуться в детектор. Чтобы уменьшить количество таких частиц и при этом обойтись относительно небольшим количеством магнитов, в НИТУ «МИСиС» при участии Школы анализа данных Яндекса была разработана специальная схема их расположения.

По словам Федора Ратникова, исследователя из Яндекса, задача, которую им пришлось решать, оказалась очень непростой: «В результате оптимизации получилась, я бы сказал, очень неожиданная форма конфигурации и расположения магнитов. Мы оптимизировали уменьшение фона от мюонов до нужного уровня, минимизируя при этом массу магнитов».

О применении нейросетей для решения этих задач рассказал руководитель проектов Яндекс-ЦЕРН Андрей Устюжанин: «Для поиска оптимальной схемы использовались методы машинного обучения. Однако стандартные методы оказались в этом случае неприменимы, поэтому их пришлось существенно модифицировать».

«В отличие от обучения нейросетей, в котором используется градиент ошибки предсказаний, позволяющий плавно прийти к оптимальной конфигурации, здесь так сделать нельзя. Поэтому приходится опираться на методы оптимизации, не полагающиеся на градиенты, например, на байесовскую оптимизацию. Мы расширили этот подход назначением бОльшего веса тем мюонам, которые дают бОльший вклад в ошибку предсказаний. Такой подход позволил существенно сократить время на поиски оптимального решения», — объясняет Андрей Устюжанин.

После магнитной системы в проекте экспериментальной установки предусмотрен длинный 50-метровый туннель, имеющий в сечении размеры 5×10 метров. Здесь будет происходить гипотетический распад тяжелых нейтрино на другие частицы.

«От всех частиц [пучок] не удастся освободить, поскольку есть обычные нейтрино. Они все равно как-то взаимодействуют с веществом, поэтому первым делом надо убрать воздух, чтобы обычные нейтрино с этим воздухом не взаимодействовали. То есть это сложное инженерное сооружение будет находиться в вакууме», — поясняет Андрей Голутвин.

В конце туннеля будут расположены собственно детекторы, нацеленные на регистрацию продуктов распада гипотетических частиц темного вещества. Предполагается, что часть из них распадется в туннеле на пару известных частиц, например мюон и пион, которые и будут зарегистрированы.

Авторы эксперимента рассчитывают, что все принятые меры позволят повысить чувствительность детектора в тысячи раз по сравнению с тем, что достигнуто на других установках. Это означает, что за пять лет работы будет зарегистрировано в самом лучшем случае несколько тысяч нужных частиц, однако более вероятно, что речь будет идти о всего нескольких событиях.

В случае же, если за время наблюдений неизвестных частиц не обнаружат, то это позволит сузить диапазоны дальнейших поисков. А кроме того, на этом же детекторе будут проводиться исследования пока что плохо изученных тау-нейтрино. Эти данные наверняка помогут лучше разобраться в физике нейтрино и, возможно, наведут ученых на новые идеи относительно того, где искать Новую физику в будущем.

Артем Коржиманов