Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из ведущих мировых вузов и коллаборации CMS проводят в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) исследование светимости, наблюдаемой при столкновении пучков Большого адронного коллайдера, для точного подсчета числа столкновений протонов. Им удалось определить светимость с рекордной точностью, что позволит уменьшить интервалы допустимых значений для различных величин, характеризующих процессы взаимодействия элементарных частиц. Результаты экспериментов опубликованыexternal link, opens in a new tab на сайте ЦЕРНа.
Большой адронный коллайдер — это самый крупный и самый мощный на сегодняшний день ускоритель заряженных частиц. В нем пучки адронов — класс частиц, в который входят, в том числе, протоны, — ускоряются и сталкиваются. Группы из 100 миллиардов протонов сталкиваются 25 миллионов раз в секунду. Большинство протонов проходят точку взаимодействия без столкновений, поэтому реальное количество столкновений протонов в десятки раз меньше. Причина в том, что протоны крошечные, и поэтому между ними много места, а достаточно маленькой камеры, чтобы увидеть, сколько столкновений происходит за каждый проход, нет. Сейчас ученые-физики работают над новыми методами точности подсчета таких столкновений.
«Интенсивность столкновений отдельных частиц при столкновении пучков в коллайдере мы называем светимостью. Когда физики рассматривают отдельные процессы рождения каких-то частиц в столкновениях отдельных протонов или ядер, вычисляют параметры таких процессов и погрешность таких расчетов, им необходимо знать, сколько вообще было столкновений и какова точность, с которой это число известно. Поэтому точность измерения и/или моделирования светимости является основным фактором, определяющим погрешности величин, характеризующих процессы микромира, для исследования которых и построен Большой адронный коллайдер», — поясняет научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Антон Бабаев.
Светимость вычисляется исходя из данных о распределении частиц в пучках при столкновении, интенсивности пучков и измерений детекторов-люминометров. Детекторы не измеряют количество столкновений напрямую. Они измеряют, например, количество энергии, выделившееся в сенсорах при прохождении через них продуктов столкновения, или количество таких прохождений, обладающих определенными характеристиками. Для проведения анализа измерений светимости ученые взяли данные 2015-2016 годов Большого адронного коллайдера.
Работа является частью исследовательской программы коллаборации CMS. В исследовании принимали участие специалисты ЦЕРНа, ученые из Принстонского университета (США), исследовательского центра DESY (Германия), Университета Кентербери (Новая Зеландия), Будапештского университета им. Лоранда Этвеша (Венгрия), Университета штата Канзас (США), Ратгерского университета (США) и Томского политеха.
Для подсчета светимости ученые применяют трехэтапный метод. Сначала они аккуратно смещают сгустки протонов из их нормального положения, в процессе перемещения одновременно проводится запись значений счетчиков люминометров. Этот метод называется сканированием Ван дер Меера. Он используется для определения светимости и позволяет измерить размер пучка и плотность протонов в сгустках. Однако на этом этапе метод может дать значения с искажением из-за чувствительности люминометров к основным условиям сбора данных. Поэтому на втором этапе вводятся разнообразные коррекции. На последнем этапе ученые следят за тем, насколько стабильна во времени абсолютная калибровка всех люминометров. Например, сравнивают измерения для разных люминометров, и как они изменяются с течением времени.
«Ученые ТПУ проводили моделирование и анализ данных ван-дер-Меер сканирования пучка, особенно — электромагнитного взаимодействия сталкивающихся пучков с целью определения величины сдвига орбиты пучка и изменения перекрытия пучков вследствие такого взаимодействия, — добавляет Антон Бабаев. — Одна из задач заключалась в разработке алгоритма вычисления относительной нелинейности детекторов-люминометров».
В результате работы коллаборация ученых установила, что погрешность измерения светимости для экспериментов, проведенных в 2015 году, может быть принята равной 1,6%, а для экспериментов, проведенных в 2016 году — 1.2%. Полученный результат примерно в два раза лучше использовавшихся ранее. По словам ученых, переоценка погрешности светимости позволит уменьшить погрешности для различных величин, характеризующих процессы взаимодействия элементарных частиц.