Украинские физики участвуют в масштабных экспериментах на Большом адронном коллайдере.
О подготовке и проведении самого крупного эксперимента на LHC рассказывают его непосредственные участники — специалисты Института физики высоких энергий ННЦ ХФТИ.
Украинская лепта
— Наше сотрудничество с CERN началось в 1993 году, — говорит доктор физико-математических наук профессор Павел Сорокин, — когда его представители побывали в Харьковском ННЦ ХФТИ. Через некоторое время в Женеве было подписано соглашение об участии Украины в коллаборации КDМS, эксперименте на Большом адронном коллайдере, который только предполагалось построить.
Исследования планировали вести на нескольких детекторах — ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus), CMS (Compact Muon Solenoid), LHCb (The Large Hadron Collider beauty experiment), ALICE (A Large Ion Collider Experiment). Участие украинских физиков предусматривалось только в двух проектах — CMS и ALICE.
Началась кропотливая, в несколько этапов подготовка.
Первый этап — моделирование устройств для регистрации частиц в детекторе «Компактный мюонный соленоид» (CMS) Большого адронного коллайдера. Второй — изготовление элементов прототипа этих детекторов. Затем — массовое производство элементов адронного калориметра и, наконец, подготовка к обработке экспериментальных данных, которые будут поступать с детектора СМS ускорителя LHC.
В 1994 году в коллаборацию СDМS вошли также специалисты харьковского НТК «Институт монокристаллов», которые разработали технологию изготовления сцинтиляционных плас-тин для детектора СМS и организовали их производство.
Подготовительный период и сооружение коллайдера длились несколько лет. И вот в ноябре-декабре минувшего года состоялись первые пробные пуски ускорителя LHC. Участие в них принимали харьковские ученые — кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник ННЦ ХФТИ Леонид Левчук и младший научный сотрудник Дмитрий Сорока.
Эксперимент века
— Эксперимент СМS — один из самых важных на Большом адронном коллайдере, — говорит Леонид Левчук. — В результатах, которые будут здесь получены, заинтересован весь научный мир.
— Какие же результаты ожидаются?
— В фокусе экспериментов СМS и ATLAS лежит поиск так называемого бозона Хиггса — последнего недостающего звена стандартной модели элементарных частиц. Здесь есть одна серьезная проблема — проблема массы. Все понятно до тех пор, пока мы считаем частицу безмассовой. Но мы же знаем, что она имеет массу, что подтверждает существование еще одной гипотетической части — бозона Хиггса. Этот фантом, призрак, названный в честь британского ученого, впервые выдвинувшего такую гипотезу, ищут уже десятилетия. Но никаких доказательств его существования до сих пор нет.
— В чем особенности экспериментов СМS и ATLAS?
— Если в ходе экспериментов бозон Хиггса не будет найден, значит, его нет. В таком случае Стандартную модель придется радикально пересмотреть.
Второе направление исследований на детекторе СМS — поиск проявлений симметричного расширения Стандартной модели. Именно в Харькове, благодаря трудам академика Дмитрия Васильевича Волкова и его учеников, зародилась идея суперсимметрии. Так вот, одна из задач эксперимента — поиск суперпартнеров тех частиц, которые должны быть в Стандартной модели.
По сути, речь идет — ни много ни мало — об открытии нового мира. Когда-то были обнаружены первые античастицы. Здесь ситуация аналогична: каждому бозону соответствует свой фермион.
Прошло уже сорок лет с тех пор, как была выдвинута эта теория. Но до сих пор ни одного суперпартнера никто так и не обнаружил. Сейчас, когда появился новый масштаб энергии, нужно попытаться найти хотя бы что-то.
— Есть ли иные аспекты у этой проблемы?
— Интерес к ней подогревается и астрофизическим аспектом. Вселенная, которую мы видим (точнее, знаем), ничтожна по сравнению с общей массой Вселенной, которая нам пока неведома. Видимая Вселенная, существующая в виде известных элементарных частиц, по массе составляет менее пяти процентов. Об остальном пока не знает никто. Около 25% — темная невидимая материя. Процентов 70 — темная энергия, заставляющая Вселенную расширяться с ускорением.
Это серьезный вопрос. Вселенная, как поздний результат Большого взрыва, в силу гравитации, казалось бы, должна расширяться с замедлением. А она расширяется с ускорением. Это означает, что существует нечто такое, что заставляет Вселенную расширяться. И это «нечто» должно быть очень велико по своей массе.
Вообще, о темной материи ученые знали давно. Долгое время ее существование объясняли тем, что во Вселенной доминирует нейтрино. Позднее исследователи изменили точку зрения: экспериментальные ограничения на массу нейтрино становились все более жесткими.
Сегодня же считается: если нейтрино имеет массу, отличную от нуля, то она очень мала. Поэтому объяснить астрофизические явления ее существованием невозможно. А это означает: есть что-то еще. Кандидат номер один на роль частиц, составляющих субстанцию темной материи, — так называемый нейтралино. Согласно Стандартной модели, он предсказывается симметричными расширениями. Обнаружение этой частицы в ходе эксперимента на Большом адронном коллайдере станет выдающимся достижением физики ХХІ века.
— Насколько значительно участие в нем украинских ученых?
— Мы являемся лишь малой частью эксперимента СМS, элементом его грид-инфраструктуры, созданной для распределения и обработки информации. Это объективно: ускоритель в Швейцарии, а данные здесь, в Харькове.
— И каковы они?
— В конце ноября 2009 года на коллайдере были зарегистри-рованы первые столкновения протонов с энергией 900 ГэВ. Второе достижение — ускорение пучков до энергии 2,36 ТэВ. Это было сенсационным результатом — побит рекорд, установленный на ускорителе в лаборатории Ферми под Чикаго.
Следующий этап — подъем энергии коллайдера до 7 ТэВ.
Шаг в будущее
И это случилось. 30 марта при очередном запуске Большого адронного коллайдера достигнута небывалая суммарная энергия — 7 ТэВ. В эксперименте снова принимает участие харьковчанин Леонид Левчук.
На LHC начались столкновения протонов с энергией 3,5 ТэВ и стартовал первый полноценный научный сеанс работы коллайдера. Если до этого основная часть времени уходила на тесты и отладку ускорителя, то сейчас акцент смещается на накопление как можно большей статистики протонных столкновений.
Уже состоялось несколько длительных циклов ее набора. В каждом из них пучки впрыскивались в ускоритель, примерно за 40 минут разгонялись до энергии 3,5 ТэВ и затем в течение нескольких часов сталкивались (пока рекорд — 19 часов непрерывных столкновений). А все четыре детектора регистрировали по нескольку десятков столкновений в секунду. Убедившись в том, что 3,5-тераэлектроновольтные пучки стабильны, управляемы и сталкиваются как надо, физики приступили к следующему этапу ввода коллайдера в строй — увеличению его светимости. Именно этим они будут заниматься ближайшие несколько месяцев.
Сейчас светимость составляет лишь десятимиллионную долю от расчетного значения. Увеличивать ее будут последовательно в несколько этапов. Первый — сжатие пучков в поперечных размерах: чем плотнее они сжаты в месте встречи, тем больше вероятность столкновения отдельных протонов. Этот этап уже был успешно пройден 7 апреля. Правда, сгусткам теперь стало труднее «попадать» друг по другу, поэтому потребуется некоторая доводка поперечных координат пучков, после которой частота столкновений должна возрасти в несколько раз.
Следующим шагом станет увеличение «интенсивности» сгустков, то есть количества протонов в каждом из них. Первоначально столкновения проводились со сгустками по 5 млрд протонов (так называемый «пилотный пучок»). В ходе опытов ночью с 9 на 10 апреля интенсивность одного сгустка была успешно доведена до проектного значения — 100 млрд протонов. Таким образом, в самом ближайшем будущем стоит ожидать перехода к повышенной интенсивности (20-30 млрд протонов на сгусток), а значит, и дальнейшего увеличения частоты столкновений.
