Ученые коллаборации NA64 в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) разработали программу, моделирующую рождение и поведение нескольких классов частиц гипотетической темной материи. В разработке участвовали молодые ученые Томского политехнического университета. По словам исследователей, такие прогнозы необходимы для проектирования детекторов, пытающихся «уловить» новые элементарные частицы. Устройство генератора описано в статье, опубликованной в журнале Computer Physics Communications (IF: 4,390; Q1).
Эксперимент NA64 проводится на протонном суперсинхротроне (Super Proton Synchrotron, SPS) — кольцевом ускорителе частиц ЦЕРНа. С 2020 года Томский политех официально стал ассоциированным членом коллаборации NA64. Ученые ТПУ задействованы в анализе данных, поступающих с детекторов, моделировании постановок эксперимента и общих работах.
Задача всего эксперимента — создать условия, при которых могли бы образовываться частицы темной материи. Предполагается, что темная материя, существование которой допускает целый ряд космологических наблюдений, состоит из неизвестных на сегодняшний день массивных частиц.
Доказательство существования темной материи необходимо для объяснения астрофизических явлений вроде аномальной скорости вращения внешних областей галактик, особенностей реликтового излучения, движения звездных скоплений и их столкновений, а также для объяснения самого происхождения Вселенной.
«Чтобы создавать детекторы, которые способны регистрировать такие частицы, предсказанные теоретически, нужно понимать, а что же нам регистрировать. Для этого важно заранее смоделировать, предсказать свойства и поведение частиц. Сделать это можно с помощью статистических генераторов методами Монте-Карло. Наша коллаборация разработала такой генератор для четырех возможных классов легкой темной материи. Они похожи между собой условиями рождения через механизм электромагнитного смешивания. Он создан на основе известного инструмента для моделирования, ранее разработанного в ЦЕРНе, — Geant4. Несмотря на то, что он общедоступный, работа с ним и создание для него новых модулей требуют серьезной квалификации», — говорит один из авторов статьи, инженер Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Ренат Дусаев.
Генератор делает прогноз на основе тех данных о частицах, которые уже известны. Точнее — считаются теоретически предсказанными. Это, например, их квантовые числа, масса, константы связи и так далее.
«Эффективность генератора, то есть быстродействие программы, зависит от мажорирующей функции. И вот ее нужно удачно подобрать, это зависит от чистой математической интуиции. В данном случае нам удалось подобрать хороший вариант, который позволяет генератору работать максимально эффективно, насколько это в принципе возможно. Часть Томского политеха — это как раз работа с мажорирующей функцией и интеграция модулей с Geant4», — говорит ученый.
На основе исходных данных генератор моделирует поведение частиц: их движение, рассеивание, частоту появления.
«Прежде всего нас интересуют параметры — как часто частицы могут появляться, и куда они летят. Это крайне важно для постановки эксперимента», — добавляет Ренат Дусаев.
Ученые ТПУ участвуют в работе нескольких коллабораций и департаментов Европейской организации по ядерным исследованиям — ЦЕРН. Так, в коллаборации CMS ученые вуза ведут исследования в рамках проекта BRIL по измерению характеристик пучка частиц. В коллаборации LHCb они работают над модернизацией трекового детектора Sci-Fi, проводят анализ распадов прекрасных и очарованных мезонов, ведут поиск экзотических частиц. В рамках коллаборации NA64 ведутся исследования по поиску темной материи, в эксперименте COMPASS проводят исследования структуры адронов. Томские политехники также участвуют в создании новейших методов диагностики и управления пучком протонов коллайдера совместно с отделением по ускорительным технологиям.
Ренат Дусаев