Эксперимент АТЛАС в ЦЕРНе: «ищу то, не знаю что»

В рамках лектория «Наукові зустрічі» Dr. Татьяна Берже-Гринёва, PhD, HDR (Habilitation à diriger des recherches), руководитель группы ATLAS в лаборатории физики частиц Аннеси (LAPP/IN2P3/CNRS) во Франции и представитель Украины в Совещательном комитете пользователей ЦЕРНа (ACCU), рассказала о том, чем занимается эксперимент АТЛАС на Большом адронном коллайдере (БАК). Специально для «Гранита науки» ученая доработала свое выступление – встречайте, такая информация редко когда дается из первых рук!

АТЛАС – это детектор общего назначения на БАК в ЦЕРНе. Коллаборация АТЛАС состоит из 5500 человек 103 национальностей. B ней участвуют украинцы, хотя Украина формально не является одной из 40 стран, которые входят в коллаборацию. Почему нужно так много людей и какова цель этого эксперимента?

Эксперимент АТЛАС занимается изучением фундаментальных взаимодействий, чтобы понять, как работает мир вокруг нас. В настоящее время нам известны четыре фундаментальных взаимодействия.

Гравитационное описывает, как взаимодействуют между собой объекты, имеющие массу. Электромагнитное существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. Именно благодаря ему работают наши электронные приборы. Это взаимодействие переносится безмассовыми фотонами – частицами света. Гравитационные и электромагнитные взаимодействия дальнодействующие, иx эффект можно наблюдать непосредственно в повседневной жизни – в то время как два других взаимодействия, сильное и слабое, действуют на расстояниях меньше размера атома. Например, так называемое сильное взаимодействие связывает кварки внутри протона и нейтрона, позволяя существовать ядрам атомов. Oно переносится безмассовыми частицами, называемыми глюонами. A слабое взаимодействие контролирует скорость первой, самой медленной, стадии термоядерного синтеза который является источником энергии большинства звезд, включая Солнце. Оно называется слабым, потому что его переносчиками являются тяжелые бозоны W⁺, W^— и Z. При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия, a нейтральный бозон Z – это тяжелый «кузен» фотона, переносчика электромагнитного взаимодействия.

Все три взаимодействия, кроме гравитационного, мы можем описать в рамках одной математической модели, которая называется Стандартной моделью (СМ) физики частиц. Она описывает все процессы в микромире, которые мы знаем до настоящего времени.

Состав СМ следующий. В нее входят частицы-переносчики взаимодействия 8 глюонов, 1 фотон, 3 тяжелых бозона W^+/- и Z, 1 бозон Хиггса H, и 12 фермионов: 6 кварков и 6 лептонов (3 заряженных и 3 нейтральных). Фермионы делятся на три поколения, по 4 частицы в каждом. Каждое поколение имеет ту же самую структуру: один кварк с электрическим зарядом +2/3, второй с зарядом -1/3, один лептон с зарядом -1 и другой без заряда (то есть — нейтральный). Каждое поколение тяжелее предыдущего.

Все предметы вокруг нас состоят из первого поколения фермионов: кварки u и d образуют протоны (uud) и нейтроны (udd), из которых состоят атомные ядра. A вокруг ядра вращаются электроны, образуя атомы. Четвертая частица первого поколения, электронное нейтрино, не встречается в нашем обиходе, из-за своего слабого взаимодействия с веществом, но она необходима для процессов, протекающих с помощью слабого взаимодействия (например, синтезa двух протонов в дейтерий).

Формулировка CМ была завершена в конце 1960 — начале 1970-х гг. В то время мы знали только 3 кварка (u, d, s), 2 заряженных лептона (электрон и мюон) и 2 соответствующих нейтрино. CM позволила предсказать, какие из частиц существуют – и потом они были найдены. Это главное свойство физической модели: с учетом экспериментальных данных предсказать, что эксперименты найдут в будущем. Первым успехом СМ было предсказание существования чарм-кварка “c” и его последующее открытие в 1974 году. В 1975 году открыли τ-лептон, а в 1977 году “b”-кварк. Бозоны W и Z были найдены в ЦЕРНе в 1983 году. Самая тяжелая частица СМ, “t”-кварк был найден в 1995 году, а τ-нейтрино в 2000 году, завершая третье поколение фермионов CM. B конце концов в 2012 открытие бозона Хиггса экспериментами Атлас и СМS на БАК в ЦЕРНе завершило поиск частиц, предсказанных СМ.

Зачем же мы продолжаем наш эксперимент? Вроде бы все уже нашли. Но существуют явления, которые не объяснены СМ. Например, из астрофизических исследований мы знаем, что из частиц, описанных СМ, составлено только 5% материи во Вселенной. Остальные 95% состоят из темной материи и темной энергии, природа которых нам еще неизвестна. СМ описывает три из четырех главных взаимодействий: до настоящего времени нам не удалось включить гравитацию в СМ. CM не может объяснить, почему наша Вселенная состоит из материи и почему практически нет антиматерии. Поэтому мы думаем, что СМ является не конечной теорией, которая описывает все, а только её частным случаем при достаточно низких энергиях (сравнимых с массами частиц СМ). Это как классическая механика Ньютона, которая описывает движение макроскопических объектов при скоростях значительно меньших скорости света, а общая теория гравитации Эйнштейна является более полной теорией – которая при низких скоростях сводится к механике Ньютона. Так вот, что мы ищем: эту более глобальную теорию, которая включает в себя СМ и описывает все другие известные явления, не описанные СМ, и в то же время сможет предсказать новые процессы и частицы, которые до настоящего времени не наблюдались.

Выдвинуто много новых теоретических моделей для объяснения явлений, не описанных СМ, но решающим будет то, что покажут эксперименты: найдут ли они новые явления предсказанные этими моделями. При этом неизвестно, какая из этих моделей верна и что конкретно искать. Мне это напоминает старую добрую сказку: «пойди туда, не знаю куда, найди то, не знаю что». Так как СМ верна при низких энергиях, то для поиска отклонений от СМ нам надо достичь как можно более высоких энергий.

Для этой цели был запущен в 2008 году Большой Адронный Коллайдер (БАК). Это самый большой в мире коллайдер частиц с самой высокой энергией. Его 27-километровое кольцо сверхпроводящих магнитов позволяет нам разгонять протоны до энергии 7 тераэлектронвольт (ТэВ). При этой энергии протон движется со скоростью 99,9999991% скорости света (c). Энергия 7 ТэВ — это энергия летящего комара. Но в комаре эта энергия распределена между 36 квадриллионами (36 10¹⁵) протонов и нейтронов, а в БАК такова энергия каждого из них. На самом деле в каждом из пучков БАК 2808 сгустков протонов с 1,15·10¹¹ протонами в каждом. Так что их общая энергия порядка 360 МДж — это эквивалентно энергии 77,4 кг тротила или энергии 400 тонного поезда, движущегося со скоростью 200 км/ч. Конечно, такая энергия не может быть достигнута мгновенно. Процесс ускорения протонов длится приблизительно 45 минут через цепочку различных ускорителей.

Во время своего путешествия наши протоны знакомятся со всей историей ЦЕРНа: проходя от самых старых ускорителей до самых новых. Разгон начинается из «водородной бутылки», потому что наши протоны — это просто атом водорода, у которого отняли электрон.

Первый этап — это новый 84 метровый линейный ускоритель, Linac 4, построенный в 2013 году. Он ускоряет отрицательные ионы водорода (H-, состоящие из атома водорода с дополнительным электроном) до 160 МэВ. Для этого ионы проходят через проводники, которые заряжены попеременно положительно или отрицательно. Проводники позади них толкают частицы, а проводники перед ними тянут, заставляя частицы ускоряться. Квадрупольные магниты гарантируют, что ионы водорода остаются в узком пучке. Отрицательные ионы водорода пропускаются через Linac 4 в течение 400 микросекунд. Ионы лишаются своих двух электронов во время инжекции из Linac 4 в протон-синхротронный бустер, оставляя только протоны.

Бустер, построенный в 1972 году, разгоняет протоны до энергии 1.4 ГэВ менее чем за секунду и запускает их в протонный синхротрон (PS), построенный в 1959 году. Постройка бустера позволила PS принимать в 100 раз больше протонов, что значительно расширяет возможности использования пучка для экспериментов.

PS имеет окружность 628 м. Он может укорять не только протоны, но также ядра гелия, кислорода и серы, электроны, позитроны и анти-протоны. Ускорение протонов до 26 ГеВ занимает 1-2 секунды.

Из PS протоны запускается следующее кольцо, которое называется суперпротонный синхротрон (SPS) и имеет окружность в ~7 км. Именно в SPS, построенном в 1976 году, нашли частицы Z и W.

Протон запущенный в SPS, где ожидает 10,8, 7,2, 3,6 или 0 секунд, зависимо от того, является ли он частью первого, второго, третьего или четвертого пакета PS для SPS. Потом SPS разгоняет его до 450 ГэВ за 4,3 секунды и отправляет в кольцо БАК, как в направлении по часовой стрелке, так и в обратном.

Затем протоны ожидают до 20 минут (пока из наберется достаточно) перед 25-минутным ускорением до максимальной энергии. Максимальная энергия ограничивается индукцией магнитного поля в магнитах БАКa и размерами коллайдера. После ускорения пучки могут циркулировать в кольце БАКa в нормальном режиме в течение часов.

В заданный момент времени, 40 миллионов раз в секунду, встречные пучки протонов отклоняются так, чтобы сталкиваться внутри нужного детектора. Энергия столкновения протонов (E) может быть достаточно высокой для создания новых частиц с массой m (по уравнению Эйнштейна E=mc²). Чем выше энергия столкновения, тем большей массы частицы мы можем создавать (известные и неизвестные). На сегодня максимальная энергия БАКa достигает только 6.5 ТэВ/протон или 13 ТэВ в точке столкновения. Но весной 2022 года начнется новой период сбора данных, при котором БАК должен достичь своей максимальной энергии: 14 ТэВ. На самом деле, так как протонов в пучке очень много, в каждое мгновение может происходить до 60 столкновений и детектор должен иметь возможность различить каждое из них и найти интересные для дальнейшего изучения. Одним из таких детекторов является эксперимент Атлас.

Детектор Атлас, самый большой из детекторов на БАКе, по размерам c 5-этажный дом:  45 м длиной и 25 м высотой. Он находится в каверне 100 м под землей и весит 7 тысяч тонн. Детектор регистрирует продукты распада новопроизведенныx частиц на уже известные частицы СМ. Для этого он сделан из слоев, каждый из которых имеет специальное назначение.

В самом центре детектора находится трековая система, позволяющая измерять импульс заряженных частиц. Для того, чтобы измерять импульс, трековая система должна находиться внутри магнитного поля соленоида.

Вне него находятся 2 калориметрических системы: электромагнитная и адронная. Электромагнитный калориметр измеряет энергию частиц, останавливая те, которые взаимодействуют с помощью электромагнитного взаимодействия: электроны и фотоны. А адронный будет задерживать все остальные частицы — адроны: протон, каон, нейтрон и т.д. Калориметры останавливают как нейтральные, так и заряженные частицы.

Мюоны, тяжелые «кузены» электрона (“электроны” второго поколения), не останавливаются калориметрами, а проходят через весь детектор. Для их идентификации, калориметры окружены мюонной системой. Если спуститься вниз в каверну – то видно, в основном, мюонную систему, которая базируется на огромных тороидах. Они, собственно, и привели к названию Атлас: A Toroidal LHC ApparatuS. Тороиды создают магнитное поле, которое позволяют измерять импульс мюонов.

Есть частицы, которые проходят через весь детектор, не оставляя следов: такие, как нейтрино. Их присутствие подразумевается тогда, когда в трансверсальном направлении импульс в событии не сбалансирован.

Эта информация, собранная детектором, позволяет реконструировать, что произошло в точке столкновения.

Украина поставляла компоненты для одной из частей детектора Aтлас, Minimum Bias Trigger Scintillators (MBTS). Этот детектор позволяет запускать считывание данных при каждом реальном столкновении частиц. Его используют только при начальных периодах сбора данных, когда столкновений очень мало. Он расположен перед торцами электромагнитного калориметра, полностью покрывая размер трековой системы. MBTS сделан из радиационностойкого пластикового сцинтиллятора, произведенного в Харькове в Институте сцинтилляционных материалов НАН Украины.

Строительство детектора Атлас было завершено в 2008 году, и эксперимент зарегистрировал первые события на одиночном пучке протонов 10 сентября того же года. Сбор данных для физических исследований начался в 2011 году при энергии центра столкновений 7 ТэВ, а в 2012 годы энергия была повышена до 8 ТэВ. Это все был первый период сбора данных, так называемый Run-1.

На базе этих данных, 4 июля 2012 года Атлас вместе с CMS, другим экспериментом общего назначения на БАК, сообщил об открытии частицы, соответствующей бозону Хиггса с массой около 125 ГэВ, или в 133 раза больше массы протона. Эта новая частица была обнаружена по ее распаду на два фотона и по распаду на четыре лептона.

Следующий сбор данных, Run 2, проходил с 2015 по 2018 г. с энергией 13 ТэВ в центре масс протонно-протонной системы. Былo собрано 139 фентобарн^-1 данных, что соответствует 10 квадриллионам (10¹⁶) протон-протонных столкновений. Именно с этими данными получены результаты, описанные в этой статье. B образовательных целях часть этих данных выложены на общедоступной странице, с инструкциями, как их использовать.

В настоящее время экспериментом Атлас опубликовано более 1000 научных публикаций. Было изучено множество процессов со всевозможными комбинациями частиц СМ (дилептоны, дикварки, дибозоны, мултилептоны, комбинации кварков и лептонов и т.д.), к сожалению, следов явлений, выходящих за рамки СМ в них не наблюдается и все измерения согласуются с её предсказаниями. Собранное количество данных позволяет быть чуствительными к редчайшим процессам, таким, как конечное состояние из 4 t-кварков, случающееся в 240 событиях из квадрилиона.

В дополнение к поискам новых частиц, которые произведены и сразу же распадаются в точке столкновения, очень активная область исследований — это поиск долгоживущиx частиц. Для них главный параметр не только масса, но и время их жизни. Иногда они распадаются через некоторое время, или отлетают от точки столкновения и распадаются в неожиданном месте внутри детектора. Для их реконструкции требуются специальные алгоритмы. Но даже в таких процессах в настоящее время не наблюдается отклонений от предсказаний СМ.

Еще oдной из самых активных областей поиска физики за рамками СМ является изучение свойств бозона Хиггса: его рождения,  распадoв и т. д. Возможно, один из лучших способов обобщить то, что в настоящее время известно о взаимодействии бозона Хиггса с другими частицами Стандартной модели — это сравнить силу взаимодействия с массой каждой частицы. Рисунок ниже ясно показывает, что сила взаимодействия зависит от массы частицы: чем тяжелее частица, тем сильнее ее взаимодействие с полем Хиггса. Это одно из основных предсказаний CM, проверка которого еще продолжается. Например, измерение распада Бозона Хиггса на два мюона — это один из результатов, ожидаемых в следующем периоде сбора данных, Run 3 (2022-2024 годы).

Мы не только проводим тесты, чтобы убедиться, что свойства бозона Хиггса согласуются с предсказаниями CM — но и специально ищем свойства, которые предоставят доказательства новой физики. Например, поиски распадов бозона Хиггса на невидимые или не наблюдаемые частицы или комбинаций частиц, запрещенных в СM.

Мы также можем использовать наши точные измерения свойств бозона Хиггса для поиска новых частиц, масса которых слишком велика, чтобы их произвести на БАКе. Подобные эффекты могут быть изучены в контексте теории эффективных полей (EFT), в которой отклонения между CM и данными интерпретируются как новые взаимодействия между обычными частицами CM, называемые «эффективными» взаимодействиями. Они могут либо изменить силу известных взаимодействий, либо ввести совершенно новые процессы. Их закономерность может указать на свойства новой физики, лежащей за пределами CM. Новые результаты эксперимента Атлас, исследующие новую физику с использованием методов EFT, не обнаружили никаких доказательств присутствия новых процессов и установили ограничения на эффективное взаимодействие с энергетическими масштабами в диапазоне примерно до 3 ТэВ. Поскольку эффективные взаимодействия влияют на всю СМ, их лучше всего определять путем объединения измерений всех ее секторов: в частности, свойств W и Z и бозонов Хиггса, t-кварков, и т.д. Это очень активная область исследований.

Еще один очень важный процесс, предсказанный СМ, это производство двух бозонов Хиггса одновременно. Этот процесс невероятно редок в СM — более чем в 1000 раз реже, чем образование одного бозона Хиггса. B некоторых моделях присутствие новых физических процессов увеличивает вероятность производства таких событий, что делает актуальных их поиск в текущем наборе данных. Благодаря развитию этих новых методов анализа, последний результат коллаборации Атлас в канале два фотона и два b-кварка более чем в два раза лучше предыдущего. В этом канале, присутствие событий с двумя бозонами Хиггса исключено в количестве в 4,1 раза превышающий предсказание СM. Для того, чтобы измерить этот процесс на уровне ожидаемом СМ, нам понадобятся все данные БАК, что планируется собирать еще более 15 лет (Run 4-5…).

Параллельно со сбором данных на БАК, в ЦЕРНе также идет обсуждение проекта по строительству нового 100-километрового коллайдера FCC в 2060-2080 гг., который сможет достичь энергий до 100 ТэВ и увеличит нашу чувствительность к процессам за пределами СМ.

Так что, хотя до настоящего времени ни один из этих поисков не дал ничего неожиданного, мы не собираемся прекращать их в ближайшее время! Пилите, как говорится, Шура, пилите…

Читайте также интервью с Максимом Титовым о «человеческом измерении» работы ЦЕРНа и его коллабораций