Крупнейший эксперимент по физике высоких энергий 23 мая возобновил активную фазу своей работы. Протоны снова столкнулись в тоннеле Большого адронного коллайдера (БАК) на границе Швейцарии и Франции, чтобы ученые со всего мира смогли точнее изучить строение Вселенной и законы природы.
Исследования в Европейском Центре Ядерных Исследований ведутся уже с 2009 года, но ученые смогли приблизиться к предельной энергии доступной на БАК совсем недавно, а именно в 2015 году. С тех пор статистика непрерывно растет. Сеанс работы БАК в 2017 году обещает стать рекордным по количеству зарегистрированных событий взаимодействия протонов, которые в дальнейшем используются учеными для проверки теоретических моделей. Сами физики часто называют объем собранных данных светимостью. Энергия протонных пучков 13 ТэВ вместе с высокой светимостью ускорителя позволят не только еще больше приблизится к условиям, которые были во время Большого взрыва, но и собрать максимальное количество сведений об этих условиях. Нас могут ожидать новые открытия в тех областях физики высоких энергий, изучать которые до этого момента можно было только на компьютере при помощи моделирования.
Возвращение к работе БАК является важным событием для всего научного сообщества и в особенности для сотрудников коллабораций, работающих в ЦЕРН. К самым крупным коллаборациям можно отнести: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb – есть среди их членов и сотрудники НИЯУ МИФИ. Мы попросили рассказать подробнее про особенности нового сеанса работы ускорителя и будущие физические исследования руководителя группы НИЯУ МИФИ в эксперименте ATLAS профессора кафедры 40 Анатолия Романюка и его друга и коллегу из Франции Даниеля Фродеву, который в данный момент является координатором физических исследований в ATLAS и свободно говорит по-русски.
- Расскажите, пожалуйста, из каких этапов состоит работа Большого адронного коллайдера?
Даниел Фродеву: Все довольно просто. Идет набор данных, затем проводится модернизация систем ускорителя, потом снова набор данных и так далее. Сейчас наступил третий год второго цикла набора данных. Всего таких циклов планируется сделать 3. Было решено заранее, что 26 лет (с 2009 по 2035) это достаточный срок для работы коллайдера. Чтобы дальше продвинуть границы нашего знания важно набирать в каждом следующем цикле гораздо больше данных, чем на предыдущем. Чувствительность к новой физике очень зависит от количества данных. Большая часть произошедших взаимодействий протонов не содержит важной информации для физиков. Лишь малая доля записанной информации по-настоящему интересна, и среди этой малой доли есть некоторые события, которые могут открыть окно в новую физику. Когда я говорю о событии, то имею ввиду столкновение протонов, которое было выбрано в эксперименте.
Даниель Фродеву, координатор физических исследований в коллаборации ATLAS- Чем запуск этого года будет отличаться от предыдущего?
Анатолий Самсонович: Есть разного типа эксперименты: в одних люди в начале завершают весь эксперимент, а потом уже проводят анализ данных, в других экспериментах сбор данных чередуется с физическим анализом и модернизацией экспериментальной установки. Эксперименты на БАК крайне динамичны. Сеансы сбора данных здесь продолжаются 2-3 года, после этого следует перерыв на модернизацию. Физический анализ данных с ускорителя ведется непрерывно. Каждый новый набор данных, как правило, отличается от предыдущего некоторыми усовершенствованными параметрами самой установки или условиями проведения эксперимента.
Все системы коллайдера за все время набора статистики ведут себя очень стабильно. Это позволяет постоянно поднимать энергию протонных пучков и увеличивать число столкновений. Сейчас все характеристики уже практически достигли проектных значений и основной целью стало – регистрация как можно большего числа событий. Чтобы зафиксировать редкое новое явление необходима высокая статистика. Здесь можно вспомнить старый пример с зерном. Что можно считать кучкой зерна? Один и два зерна ясное дело нет, а четыре или пять? Для нового открытия необходимо такое количество событий, чтобы ни у кого не возникло сомнений, что мы видим пик в распределении. Поэтому крайне важно увеличивать количество протонных взаимодействий.
Но работа должна вестись не только в этом направлении. Важно одновременно поддерживать способность детекторов все эти столкновения регистрировать. В этом году задача всех крупных экспериментов, таких как ATLAS и CMS, увеличить на 30% скорость приема данных от детекторов. В ATLAS мы ожидаем очень высокую частоту триггеров первого уровня: 100 килогерц. Этот параметр соответствует ситуации, когда в одну секунду необходимо считать и проанализировать информацию о 100 тыс. событиях.
Речь, конечно, идет о быстром анализе ценности данного события для физических исследований. В таком анализе используются простые триггера, такие как, например, на события с рождением двух мюонов или одного фотона с высокой энергией. Для каждого события нужно успеть проверить отклик нескольких подсистем эксперимента ATLAS, кроме того, при этом ожидается высокая загруженность каждой такой подсистемы, что осложняет быстрый анализ. Работа при высоких загрузках и высоких скоростях приема данных – это та задача, которую нужно решать всем детекторам в эксперименте ATLAS. Я бы назвал это вызовом нынешнего года.
Анатолий Самсонович Романюк руководитель группы НИЯУ МИФИ в эксперименте ATLAS, профессор кафедры 40 "Физика элементарных частиц"Даниел Фродеву: Сейчас энергия столкновении достигла 13 ТэВ. Она будет еще немного увеличена позже, но это будут уже маленькие шаги. Самый большой шаг в этой области был сделан два года назад, когда начался второй цикл сбора данных и энергия протонных столкновении по сравнению с первым сеансом была увеличена с 8 до 13 ТэВ. В это цикле были учтены ошибки, допущенные при первом запуске. Поэтому этот этап работы можно считать наиболее успешным. Он продлиться до конца 2018 года.
В последнее время наше движение по увеличению энергий и интенсивности протонных столкновений можно назвать медленным. Это связано с тем, что сейчас мы приближаемся к пределу возможностей магнитов коллайдера. Это вопрос прежде всего безопасности эксперимента. Пучок протонов всё мощнее и мощнее, энергия увеличивается и некоторые параметры уже близки к своему безопасному пределу.
В ускорителе есть много магнитов, большинство из них создают поле, необходимое для удержания протонов в ускорительной трубе. Без этого поля протоны не двигались бы по кругу, а вылетали ли бы по прямой. Когда энергия частиц увеличивается необходимо прикладывать все большее магнитное поле, т.е. наращивать силу тока. Сейчас мы приближаемся к максимально допустимым при проектировании безопасным значениям. Когда в экспериментах идет речь о критических параметрах – надо быть очень острожным.
Интересен сейчас еще один вопрос, связанный с анализом данных от ускорителя. В настоящий момент все расчеты на БАК выполняется в так называемой ЦЕРН ГРИД сети. Ученый запускает задачу в сеть и она считается на компьютерах в других странах, а может даже и континентах. С ростом количества данных необходимо развивать алгоритмы распределения задач и хранения данных, иначе может возникнуть ситуации, когда будет недостаток вычислительных ресурсов.
Какие новые возможности открываются для физиков после последней модернизации коллайдера зимой 2016-2017 гг.?
Анатолий Самсонович: В настоящий момент у нас есть Стандартная модель, которая хорошо описывает наблюдаемые мир. В этой модели есть ряд параметров, необходимых для того, чтобы модель работала. Эти параметры мы изучаем на БАК. Многие из них были измерены и с высокой точностью совпадают с теоретическими предсказаниями. Однако есть вещи, которые мы не понимаем, которые не вписываются в СМ. Изучением этих явлений активно занимаются все эксперименты в ЦЕРНе. Таким образом можно сказать, что целью экспериментов на БАК является проверка предсказания СМ с максимальной точностью и поиск отклонений от этих предсказаний.
Вероятности процессов, связанных с физикой вне рамок СМ, очень малы и необходима высокая статистика или количество протон-протонных столкновений, чтобы разглядеть значимые отклонения на уровне процессов СМ. Последняя модернизация коллайдера как раз была нацелена на увеличение скорости набора статистики.
Даниел Фродеву: На самом деле, это как хрустальный шар. Никто точно Вам не ответит. Конечно, большие ускорители – это как передовая волна. Мы увеличиваем энергию и поэтому можем открыть новые процессы, которые никогда не были наблюдены ранее.
Вне Стандартной модели, с моей точки зрения, наверняка существует только одно – темная материя. Мы это знаем пока только из космологических экспериментов. Существует довольно сильные подозрения, что эта материя в самом деле в большей части существует в состоянии частиц. Один из механизмов описания темной материи предложен в теории Суперсимметрии. Но это вовсе не единственный способ, темная материя может быть и другого происхождения. Это значит мы можем продолжать искать проявления темной материи в экспериментах БАК. Темная материя не просто предсказания, а кое-что, что наблюдалось наукой последние 40 лет. Она может быть и микроскопическая и макроскопическая. Все это очень большая мотивация для ученых здесь.
Если говорить про другую новую физику, то в наших поисках нет абсолютных гарантий. Надо быть честными, когда мы говорим с людьми, которые своими налогами обеспечивают нашу науку. Даже открытие Хиггс частицы никто не мог гарантировать, но мы сделали все от нас зависящее, чтобы обеспечить условия для экспериментального наблюдения и довольно быстро смогли совершить открытие. Теперь СМ закончена и искать новую физику стало сложнее.
Однако проверка СМ – это тоже часть нашей работы. Это также важно как искать новую физику. Конечно, после открытия Хиггс бозона в этом направлении стало интереснее работать. Это все-таки ранее не наблюдаемая частица и многие теоретики до ее открытия думали о существовании других механизмов, объясняющих появление массы у частиц. Так что, это некоторая новая глава в физике высоких энергий и может даже будет построен отдельный ускоритель для изучения свойств этой частицы.
- Расскажите, пожалуйста, про взаимодействие ученых в ЦЕРНе.
Анатолий Самсонович: Надо сказать, что таких экспериментов, которых мы сейчас проводим на БАК, раньше не существовало. С момента зарождения этих экспериментов прошло уже время сравнимое с активной жизнью целого поколения физиков. Студенты, которые начали работать тогда и разрабатывать детекторы для этих экспериментов, сейчас почти достигли моего возраста. Раньше было как: у людей есть идея, они ее формулируют, проверяют на специальном эксперименте и переходят к следующей идее и следующему эксперименту. Здесь – это полет через поколение. Большинство людей, которые начинали, уже близки к уходу на пенсию, а молодые люди, которые только пришли, иногда не знают многих тонкостей, заложенных в момент проектирования детекторов. Это парадокс, но и один из вызовов этого всех экспериментов на БАК – сохранить экспертизу.
У нас в эксперименте участвуют 34 страны, между некоторыми существуют исторические или даже религиозные противоречия. НО, как показывает практика, здесь в ЦЕРНе, если у людей есть реальное дело, то оно побеждает все конфликты. Очень интересным моментом является тот факт, что здесь нет как такового административного управления. Все ученые в том или ином смысле волонтеры. Люди берут обязательства и выполняют их, какие бы проблемы не были. За этим нет никаких приказов, лишения зарплаты или увольнения. Наблюдать как очень разные люди работают вместе очень интересно.
Недавно прошла крупнейшая конференция по физике высоких энергий Moriond2017. Какие выводы можно сделать из результатов конференции?
Даниел Фродеву: На конференции было много докладов, я хотел бы подробно остановится на результатах, посвященных экспериментальным ограничениям на экзотические теории.
К одной из самых масштабных экзотических теорий можно отнести теорию Суперсимметрии. В этой теории существуют предсказания, которые можно проверить экспериментально на БАК. Мы таким образом можем подтвердить или опровергнуть эту теорию. Вообще, на самом деле, полностью исключить какие-то теории сейчас в принципе очень сложно. В эксперименте можно поставить очень строгие ограничения на круг явлений (параметров), предсказываемых в этой теории, но самая теория может потом как феникс возродится. В этом своем новом воплощении она может содержать параметры, чувствительность к которым еще не была достигнута в эксперименте, и тогда эксперимент необходимо тоже улучшить. Так начинается новый цикл проверки этой теории. Этот процесс во многом обуславливает программу работы БАК. Может показаться, что это похоже на миф про Сизифа, которого наказали боги и заставили вечно поднимать огромный камень на гору, после того как тот скатился, но в нашем случае это плодотворный цикл. У нас нет 100% гарантии, что большое открытие вот-вот произойдет, но есть надежда. Кроме того, мы одновременно повышаем качество наших знаний.
Интервью подготовила Екатерина Орешкина
Редакция текста Димитрий Краснопевцев