КАФЕДРА ОБЩЕЙ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ СОТРУДНИЧАЕТ С ЦЕРН

Уже десять лет в Европейской лаборатории элементарных частиц (ЦЕРН) работает самый мощный ускоритель современности — Большой адронный коллайдер. Он объединяет усилия более 10 тысяч физиков всего мира: из Европы, США, России, Японии, Индии и т.д. Большой адронный коллайдер (БАК) осуществляет столкновения протонов максимальных достигнутых на сегодня энергий 13 ТэВ (Тераэлектронвольт) при небывалой светимости 2,1∙1034 см–2с–1, что соответствует до 60 взаимодействий при пересечении сгустков ускоренных протонов в местах размещения детекторов, а сами пересечения происходят с интервалом 25 нс. Это значит, что в каждую секунду происходит 2,4∙108 соударений протонов, которые регистрируются детекторами, размещенными в точках соударения ускоренных пучков, затем проходят обработку и анализ в международной глобальной научной сети ГРИД, являющейся ярким примером работы с большими данными. На коллайдере прошли уже два больших сеанса работы: первый в 2010–2012гг. и второй в 2015–2018гг. Сейчас идет подготовка к третьему, стартующему ровно через год. Помимо протонов, на коллайдере осуществляются столкновения ускоренных тяжелых ядер свинца, ксенона, а также их соударения с протонами в условиях, когда на каждое соударение нуклонов приходится энергия более 5 ТэВ.

Самым ярким событием в истории БАК является открытие в 2012 г. его экспериментами ATLAS и CMSновой тяжелой частицы, которую с теперь с уверенностью называют бозоном Хиггса. В результате этого открытия предсказавшие существование такой частицы Питер Хиггс и Франсуа Энглер были удостоены в 2013 г. Нобелевской премии. Но момент открытия был лишь началом сложного пути исследования этой частицы, определения её свойств, процессов её рождения и распада. Суть этих исследований состояла в тщательной проверке соответствия измеряемых характеристик предсказаниям Стандартной модели, базиса современного описания физического мира и его эволюции в масштабе Вселенной. Базой исследований послужило увеличение в 15 раз накопленной интегральной светимости, или количества протонных соударений. И, конечно, напряженный труд физиков, участвующих в этом проекте. Всё, что удалось выяснить к настоящему времени о свойствах бозона Хиггса и процессах взаимодействия как протонов, так и ядер, хорошо укладывается в представления Стандартной модели, согласуется с проведенными на её базе расчетами, предсказаниями. Для бозона Хиггса масса измерена с точностью чуть более 0,1%. Она составляет (125,10 ± 0,14) ГэВ, ширина состояния Г < 0,013 ГэВ. Измерены константы, характеризующие взаимодействие с полем Хиггса как для бозонов (W, Z), так и фермионов (t и b — кварки, τ — лептоны и мюоны). Динамику развития исследований бозона Хиггса можно увидеть, например, по количеству его распадов на четыре лептона 4l, мюона или электрона (4μ, 4е, 2μ2е), зарегистрированных к моменту открытия новой частицы и по итогам первого и второго сеансов работы БАК.

Распределения по инвариантной массе четырёх лептонов m4l, полученные на момент открытия новой частицы (слева, Phys.Lett.B719(2012)1), по результатам первого (в центре,Phys.Rev.D91(2015)012006) и второго (справа, arXiv:2004.03447, sub. toEPJC) сеансов работы БАК в эксперименте ATLAS

Но задачи экспериментов на БАК более амбициозные. Стандартная модель имеет ограниченную применимость, известны явления, которые она не может описать. Следовательно, необходимо повышать точности измерений для обнаружения расхождений с её предсказаниями, найти проявления новой физики за пределами Стандартной модели. Направлений таких исследований много. Помимо уточнения, например, значений масс W бозона и t-кварка, измерений степени СР –нарушения в различных процессах, ведется поиск новых частиц, предсказываемых моделями суперсимметрии, дополнительных измерений, экзотических лептокварков, гипотетических частиц темной материи и др. Активно исследуется новое состояние материи кварк-глюонная плазма, какой была наша вселенная в ранние моменты своего развития.

В решениях широкого ряда экспериментальных задач на БАК участвуют студенты и аспиранты кафедры общей ядерной физики. Базовым экспериментом для исследований является ATLAS, один из крупнейших детекторов на БАК. Для первого знакомства с детектором уже трижды проводились мастер-классы по анализу WиZ бозонов, в ходе которых проходят прямые обсуждения результатов с физиками ЦЕРН и участниками из других университетов Европы, Азии и Африки. Студенты участвуют в анализе t –кварков и векторных бозонов в рамках проекта открытых данных ATLAS Open data, недавно открытого в ЦЕРН. Проект обеспечивает свободный прямой доступ к данным протонных взаимодействий при энергиях 8 ТэВ и 13 ТэВ, последние стали доступными только в январе 2020г. Выполнение работ требует владения программными инструментами чтения и анализа, разработанными в физике высоких энергий со спецификой программной оболочки и структуры данных каждого большого эксперимента.

Другим направлением анализа является моделирование процессов взаимодействий с помощью современных генераторов событий. Все детекторы на БАК имеют свои особенности, например, разные кинематические области измерений. Все основные результаты измерений детекторов публикуются в статьях со свободным доступом, полученные спектры и таблицы размещены в открытой базе результатов измерений Hepdata. Это дает возможность детального сопоставления измерений разных экспериментов и их сравнения с новыми модельными расчетами на уровне конечных результатов. За 2016–2019 гг. студенты кафедры защитили 18 бакалаврских и магистерских работ по этим направлениям.

Важным направлением является непосредственное участие в работах исследовательских подгрупп в эксперименте ATLAS. Нужно отметить, что такое участие не дает права вхождение в авторский состав публикации результатов коллаборации. Такое право дается только после выполнения специальных квалификационных работ по поддержке работы детектора или его программного обеспечения в течение года. Это по силам только аспирантам кафедры. Но опыт участия студентов в реальном анализе новых данных сам по себе уникален, результаты могут докладываться на молодежных конференциях, поэтому такие магистерские диссертации включают разработку методических вопросов актуальных направлений анализа, таких как измерение распадов бозона Хиггса или эффекта СР-нарушения в распадах В-мезонов. У студентов есть возможность посещать ЦЕРН для проведения своих работ. По исследованиям В-мезонов в эксперименте ATLAS защитили кандидатские диссертации А.С. Болдырев (2013), С.М. Турчихин (2016), А.С. Маевский (2017). Из аспирантов кафедры В.В. Синецкий участвовал в школе физики высоких энергий ЦЕРН-ОИЯИ (2019), О.В. Мешков представил доклад от ATLAS и CMS на международной конференции QFTHEP в сентябре 2019 г. в г. Сочи и получил приглашение выступить на конференции FPCP 2020 в июне этого года в Испании, IllfdaToxa, Galicia, Spain), удаленно из-за пандемии. Студент А. Прохоров в 2018 г. защитил магистерскую диссертацию, выполненную в сотрудничестве с ОИЯИ, и продолжил обучение в аспирантуре кафедры. И. Мордовец подготовил такую работу по изучению распадов бозона Хиггса, сотрудничая с группой ИТЭФ в ATLAS. Студенты участвуют также в исследованиях в эксперименте LHCb.

Исследования на БАК спланированы до 2037 г.

профессор Л.Н.Смирнова

Назад