Международная группа исследователей с участием НИУ ВШЭ и Школы анализа данных «Яндекса» при помощи машинного обучения смогла существенно снизить стоимость будущего эксперимента SHiP, который начнется в Европе в 2020-х годах. С его помощью западные исследователи надеются найти частицы темной материи, безуспешные поиски которой ведутся уже много лет. Новое решение позволит сделать магниты для установки меньше, но при этом снизить «шум» — поток частиц, мешающий работе установки. Соответствующая статьяопубликована в Journal of Physics: Conference Series.
После 2020 года в Европейском центре ядерных исследований (CERN) планируется запуск нового эксперимента — SHiP (Search for Hidden Particles). С его помощью ученые надеются обнаружить так называемые очень слабо взаимодействующие массивные частицы темной материи (vWIMP — very Weakly Interacting Massive Particles).
Темная материя большинством физиков-теоретиков считается единственным возможным объяснением ряда особенностей наблюдаемой Вселенной. Например, без нее видимой материи решительно недостаточно, чтобы объяснить, почему Вселенная расширяется так медленно. Также без темной материи трудно объяснить и тот факт, что внешние области дисковых галактик (включая нашу) вращаются быстрее, чем должны, если исходить из предположения, что существует только видимая материя. Логичным решением всех этих вопросов выглядела гипотеза о существовании частиц темной материи — невидимых, поскольку они не взаимодействуют с электромагнитными волнами (светом), но при этом имеющих массу и своей гравитацией разгоняющих вращение «краев» галактик.
Проблема поисков темной материи в том, что пока абсолютно все попытки такого рода с треском проваливались. В некоторых из них ученые задействовали очень дорогостоящее оборудование — например, Большой адронный коллайдер. Поэтому была предложена модель Hidden Valley («скрытой долины»), согласно которой мы не замечаем частицы темной материи из-за существования некоего энергетического барьера, не преодолев который они не могут взаимодействовать с частицами обычной материи. Цель эксперимента SHiP как раз в том, чтобы найти подобные частицы и помочь им набрать энергию, нужную для преодоления такого барьера.
Для этого пучки протонов будут разгонять в протонном суперсинхротроне ЦЕРН до больших энергий. При столкновении пучка разогнанных протонов с неподвижной мишенью начнет образовываться множество различных частиц, в том числе и искомые частицы темной материи, которые наберут достаточную энергию (и преодолеют соответствующий барьер), чтобы их все же удалось заметить. Затем большинство образованных частиц отсеют поглотителем, установленным за мишенью. Сквозь него пройдут только самые слабо взаимодействующие с обычным веществом частицы: нейтрино, мюоны и, если гипотеза «скрытой долины» верна, образовавшиеся при бомбардировке мишени vWIMP-частицы.
Отсеять нейтрино несложно — они резко отличаются от гипотетических vWIMP по массе. Сложнее с мюонами. Для их отсеивания в эксперименте SHiP впервые применят уникальную технологию активной мюонной защиты. Для этого будет создано мощное магнитное поле, которое не действует на частицы темной материи (как мы отмечали выше, они не участвуют в электромагнитном взаимодействии). Зато мюоны таким полем будут уводиться от чувствительной области детектора — его «глаза».
Магниты для этой защиты будут произведены в России. Их общий вес составит около тысячи тонн, и создаваемое с их помощью магнитное поле достигнет рекордного для «теплых» магнитов (не охлаждаемых криогенными установками) уровня в 1,8 Тесла.
В новой работе российские специалисты применили методы машинного обучения для оптимизации формы и положения магнитов в такой «отсеивающей» части установки. За счет этого удалось определить и их оптимальную массу. Алгоритм машинного обучения предложил конфигурацию, которая на четверть легче базовой. При этом число «отсеиваемых» устройством мюонов даже возросло — до 99,9999 процентов. За счет этого будущий детектор обойдется на четверть дешевле. Россияне сэкономили ЦЕРНу более миллиона долларов.
Благодаря отечественной разработке, лишенные магнитного заряда гипотетические частицы vWIMP будут проходить через магнитный щит без отклонений и распадаться в вакуумной камере непосредственно перед детектором, состоящим из трекеров, калориметров и мюонных камер. Считается, что SHiP, стартующий в 2025 году, имеет хорошие шансы наконец найти темную материю и решить наиболее острые проблемы современной физики.