Наиболее ярким научным событием текущего века является открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК). Это продемонстрировало и присуждение Нобелевской премии по физике в декабре 2013 г. Ф. Энглерту и П. Хиггсу за предсказание такой частицы. Бозон Хиггса стал последним кирпичиком в здании стандартной модели, представляющей единое описание трех типов фундаментальных взаимодействий: электромагнитного, слабого и сильного.

Рис. 1. Схема детектора ATLAS (слева), событие распада бозона Хиггса по каналу Н→ZZ*→eeμμ в детекторе ATLAS (справа).

Другой важной особенностью этого открытия является тот факт, что оно осуществлено двумя уникальными по своим размерам международными коллективами экспериментов ATLAS и CMS, объединяющими более 3 тысяч участников в каждом и ведущих исследования на главном рубеже достигнутой в мире энергии и светимости соударений протонов. Временем создания этих коллективов можно считать публикации «Посланий о намерениях» в 1992 г., заявивших о планах строительства двух универсальных детекторов ATLAS и CMS для регистрации соударений протонов, ускоренных на БАК. С этого момента автор статьи стала участником работ по разработке и созданию детектора ATLAS и в итоге одним из соавторов открытия бозона Хиггса. Если можно указать точную дату объявления о новой частице с массой около 125 ГэВ (4 июля 2012 г.), то соотнесение этой частицы с бозоном Хиггса стандартной модели потребовало дополнительно около двух лет исследований, в течение которых было установлены свойства открытой частицы и показано их соответствие теоретическим ожиданиям.

За прошедший с момента открытия частицы период времени получены более надежные сигналы её образования в спектрах инвариантных масс продуктов распада. Так, для распадов на два фотона значимость сигнала составляет 6σ. В канале распада на 4 лептона (мюона или электрона), с промежуточным образованием пары Z-бозонов, значимость составляет 8σ. Дополнительно получены сигналы рождения частицы в каналах распада на два заряженных векторных бозона WW*, на пару bb̅ кварков и пару тяжелых лептонов ττ̅. Значение массы новой частицы в пределах погрешностей совпадает для разных каналов распада. Получены свидетельства о вкладах разных механизмов рождения бозона Хиггса. Относительные вероятности всех процессов находятся в согласии с предсказаниями стандартной модели. Определены спин и четность новой частицы JP = 0+, другие версии отвергнуты на уровне вероятности 98%. Измерены дифференциальные сечения бозона Хиггса для каналов распада на два фотона и на 4 лептона (промежуточное состояние ZZ*). Важно упомянуть, что моделировались и другие версии интерпретации наблюдаемого сигнала новой частицы, но они не показали согласия с экспериментом. Важнейшим экспериментальным результатом является отсутствие других сигналов новых состояний в исследованных спектрах инвариантных масс до 600 ГэВ.

Рис. 2. Сигналы распадов бозона Хиггса в спектрах инвариантных масс двух фотонов m γγ (слева), четырех лептонов m4l (в центре) и уровень сигнала для интервала масс 110-600 ГэВ (справа).

Путь к открытию был долгим и трудным. Строительство детекторов БАК обусловило прорыв в технологиях создания детекторов частиц, развитие компьютерных технологий, средств обработки и передачи больших объемов данных. Участие МГУ в эксперименте ATLAS началось с разработки новых микростриповых газовых детекторов для внутренней системы регистрации треков частиц. Первоначальная идея этих детекторов не оправдала ожиданий, но группа получила возможность присоединиться к другим работам по созданию установки. В итоге НИИЯФ МГУ стал участником сотрудничества трекового детектора переходного излучения (ТДПИ, TRT) ATLAS. Задачей группы стало создание замкнутой газовой системы этого детектора. Было необходимо обеспечить его стабильную эффективную работу в условиях высоких радиационных нагрузок без доступа к детектору в течение 10 лет. Это требовало проведения большого числа разнообразных и длительных испытаний. С самого начала в эту работу включились студенты кафедры общей ядерной физики. В период до запуска установки в 2008 г. ими было выполнено 10 дипломных работ по испытаниям материалов детекторов, методов очистки газовой смеси, влиянию сильного магнитного поля на работу детектора, компьютерному моделированию. Одновременно велась разработка программы физических исследований по изучению распадов В-мезонов. По этим результатам аспиранты кафедры общей ядерной физики Н.В. Никитин и К.С. Томс защитили кандидатские диссертации в 1998 и 2006 гг., соответственно. В них были выполнены теоретические расчеты и компьютерное моделирование регистрации редких распадов В-мезонов, характеристики которых могут обнаружить присутствие новой физики, не укладывающейся в рамки стандартной модели.

Рис. 3. Элементы газовой системы ТДПИ с символикой МГУ (слева), блоки регуляции газовой системы (в центре) и торцевой модуль ТДПИ из дрейфовых трубок (диаметр трубок 4 мм, диаметр модуля 2м, справа).

Интенсивность работ существенно возросла после запуска Большого адронного коллайдера. Приходилось выполнять большой объем работ по мониторингу работы детекторов, поддерживать программное обеспечение, вести анализ экспериментальных данных. Зарегистрированные в течение первого сеанса работы коллайдера в 2011–2012гг. события соударений протонов при энергии 7 и 8 ТэВ в системе центра масс принесли много новых результатов. Для наблюдения сигнала бозона Хиггса потребовалось измерить множество процессов стандартной модели и добиться их модельного описания. Только при четком понимании рождения струй, векторных W± и Z бозонов, тяжелых b и t кварков, прямых фотонов удалось выделить новую частицу. Анализ данных продолжается. И здесь вклад студентов и аспирантов особенно востребован. Так, Алексей Болдырев в этот период защитил диплом и кандидатскую диссертацию (2013 г.). Темой диссертации было исследование распадов В-мезонов, большая часть работы была посвящена непосредственно запуску и наладке трекового детектора переходного излучения, разработке новых типов газовых детекторов для модернизации установки ATLAS. Алексей успешно продолжает свои работы в качестве научного сотрудника отдела экспериментальной физики высоких энергий НИИЯФ МГУ. Нынешние аспиранты кафедры общей ядерной физики Семен Турчихин и Артем Маевский также успешно выполнили квалификационные работы, проекты которых утверждаются руководством эксперимента, и вошли в число авторов результатов эксперимента ATLAS, в том числе по исследованию свойств бозона Хиггса. Данные трекового детектора переходного излучения особенно важны для идентификации электронов и фотонов в установке ATLAS, которые наравне с мюонами, несут основную информацию о свойствах конечных состояний распадов бозона Хиггса.

По результатам эксперимента ATLAS после запуска установки выполнено 7 дипломных работ. Дважды студенты участвовали в летних школах Европейской лаборатории элементарных частиц (ЦЕРН, Женева, Швейцария), где расположены БАК и его детекторы. Многие посетили ЦЕРН в процессе выполнения дипломных работ. Трудно переоценить впечатления, которые привозят оттуда студенты по опыту организации и проведения совместных исследований с представителями 47 стран, участников эксперимента ATLAS. Аспиранты выступают с докладами на международных конференциях по физике высоких энергий, студенты наравне с аспирантами и сотрудниками делают доклады на регулярных рабочих совещаниях эксперимента ATLAS и российского коллектива эксперимента.

Рис. 4. Студенты и аспиранты физфака за работой в лаборатории в НИИЯФ МГУ и во время визита в Японию под руководством сотрудника НИИЯФ МГУ д.ф.м.н. Л.К. Гладилина для проведения совместных исследований в эксперименте ATLAS в октябре 2012 г.

Рис. 5. Автор статьи на дежурстве в центре управления ATLAS (тестовый сеанс, май 2014 г.): обсуждение результатов с руководителем эксперимента ATLAS Д. Чарлтоном (слева), за дисплеями (центр), общий вид с рабочего места (справа).

В настоящее время эксперимент ATLAS готовится к новому сеансу набора данных при энергии соударений протонов 13-14 ТэВ, стартующего в апреле 2015 г. Это означает удвоение потоков отбираемых для анализа событий. Сотрудники МГУ вместе со студентами и аспирантами участвуют в разработке алгоритмов триггера высокого уровня установки для отбора событий с образований пар мюонов. Требуется обеспечить эффективность отбора событий при увеличении быстродействия триггера. Одновременно с настройкой детектора к предстоящему сеансу ведутся работы по созданию новых конструкций мюонного спектрометра ATLAS к сеансу 2018 г., где предполагается дальнейшее увеличение светимости ускорителя, позволяющее исследовать все более редкие процессы. Стоят задачи поиска темной материи, суперсимметричных частиц и дальнейшего изучения свойств бозона Хиггса. Но главное открытие состоялось — теперь мы точно знаем, что физический вакуум представляет собой пространство, заполненное скалярным полем Хиггса, взаимодействуя с которым фундаментальные частицы стандартной модели приобретают свои массы.

Профессор Л.Н. Смирнова, руководитель работ группы МГУ в эксперименте ATLAS

Назад