На поиски скрытой физики
В ЦЕРНе ведется подготовка к запуску проекта SHiP, в котором принимают участие ученые из разных стран, в т.ч. и России. Одной из российских научных групп нового проекта являются ученые ФИАНа. В данном материале мы хотели бы немного рассказать о самом проекте и чего от него ждут.
SHiP (Search for Hidden Particles – Поиск Скрытых Частиц) – уникальный проект, анонсированный ЦЕРНом в 2013 году и направленный на поиск частиц, предсказанных при построении многочисленных моделей т.н. Скрытого сектора. В частности, эксперимент направлен на поиск очень слабо взаимодействующих долгоживущих частиц, включая тяжелые нейтральные лептоны и легкие суперсимметричные частицы. Также рассматриваются и возможности исследования взаимодействий тау-нейтрино.
Как и все проекты ЦЕРНа, SHiP – международная коллаборация ученых из 47 институтов (10 из них – российские), представляющих 15 стран[1].
В поисках понимания «есть ли вообще физика после бозона Хиггса», что собой представляет данный проект и каких открытий ждать от него, «ФИАН-информ» обратился за помощью к ведущим ученым ФИАНа.
Схема детектора SHiP (Источник:официальный сайт проекта)
Во время беседы с заведующим Сектором теории элементарных частиц ФИАН Алексеем Михайловичем Семихатовым он адресовал к его недавно прошедшему интервью с ведущим физиком ЦЕРНа, профессором Ричардом Якобсоном и профессором Имперского колледжа в Лондоне, научным советником директора ЦЕРНа Андреем Игоревичем Голутвиным. В ходе интервью[2] были затронуты как общие вопросы, связанные с исследованиями на Большом адронном коллайдере (БАК), так и то, какие цели преследуют ученые, запуская новый проект – ShiP.
Говоря о БАК, профессор Р. Якобсон заметил, что основной задачей ученых был – и остается по сей день, – вовсе не поиск неуловимого бозона Хиггса, а попытка заглянуть в самые ранние моменты рождения Вселенной.
«…глобальные вопросы, которые мы задаем себе в физике элементарных частиц, касаются рождения Вселенной, ее эволюции к сегодняшнему дню и ее развития в будущем. Понятно, почему нам интересно самое начало: мы знаем, что в основе тех частиц и взаимодействий, которые имеются во Вселенной в настоящее время, лежит то, что происходило в первые доли секунды, в различные эпохи в ранней эволюции Вселенной. С помощью коллайдера мы можем создать колоссальные температуры, возникающие при столкновении частиц высоких энергий. В центре столкновения температура в миллиард раз превышает температуру в центре Солнца. Если мы оглядываемся назад и спрашиваем себя, в какой момент Вселенная имела такую высокую температуру, то оказывается, что это было в интервале от 0,1 до 0,01 от миллиардной доли секунды после рождения всей Вселенной.»
Бозон Хиггса, по словам ученых, является лишь своеобразной промежуточной станцией на пути следования к обозначенной цели.
«Бозон Хиггса был очень важным ингредиентом, поисками которого мы занимались долгое время, это был недостающий кусок того, что называется Стандартной моделью. Это математическая модель, описывающая наше самое продвинутое знание об эволюции. Она описывает три из четырех известных нам сил. И, разумеется, она описывает частицы в их, скажем так, наиболее фундаментальном виде. Они нам известны как электрон, – у него есть еще более массивные родственники, – и кварки, которые составляют протоны и нейтроны. Но она не позволяет понять кое-какие вещи, включая даже часть тех вопросов, которые возникают в связи с наблюдениями вокруг нас» – пояснил Р. Якобсон.
Одним из таких «аномальных» явлений, не укладывающихся в рамки Стандартной Модели, является темная материя, которая составляет бо́льшую часть всего вещества Вселенной. Однако, ни из чего она состоит, ни какие-либо ее физические свойства так и не известны. Поисками частиц темной материи на коллайдере продолжали заниматься до сих пор и, очевидно, будут делать это в будущем. Но может статься так, что даже всех прогнозируемых на далекую перспективу модернизаций БАК не хватит на то, чтобы обеспечить их объективное наблюдение.
Среди других «нестандартных» явлений, вызывающих глубокий интерес и жаркие споры ученых, являются барионная асимметрия Вселенной, ненулевая масса нейтрино и их осцилляции, что стало с антиматерией и др. Все эти вопросы тем или иным образом связаны с пониманием того, что же происходило в самые первые мгновения рождения в результате столкновений высокоэнергичных частиц. А потому и понимание того, что происходило в это время, поможет если не разрешить, то хотя бы прояснить эти вопросы.
Эксперименты, проводимые на БАК в поисках понимания процессов ранней Вселенной, делятся на две группы – поиск новой физики и высокоточные расчеты. Проект SHiP, о котором идет речь в настоящей публикации относится к первой группе.
«Что такое новая физика? Новая физика – это или обнаружение какой-то новой симметрии, которая отсутствует в Стандартной модели, ну или, для простоты понимания, обнаружение каких-то новых частиц, которые бы объяснили те проблемы Стандартной модели, которые всем известны. Как эти новые частицы найти? Через их взаимодействие с известными частицами,» – пояснил А.И. Голутвин.
Если построить качественную диаграмму, под одной оси которой отложены силы взаимодействий частиц, а по другой – их массы, мы увидим, что Стандартная Модель, т.е. известная нам область, представляет лишь небольшой лоскуток. Все же остальное – terra incognita.
Взаимодействия, которые происходят в «зеленой» области – наиболее часто встречающиеся, а потому и наиболее изученные современной физикой. Почему мы не видим остальное? Либо потому, что массы частиц столь велики, что нам не хватает энергии БАК, а до него его предшественников, чтобы их наблюдать, либо эти частицы очень слабо взаимодействуют с известными частицами. Поэтому поиск этих скрытых частиц может идти двумя путями:
1) Наращивать энергию коллайдера в надежде, что ее хватит для их обнаружения. Однако далеко не факт, что эти массы не будут столь велики, что нам не хватит даже самых запредельных энергий коллайдера.
2) Увеличивать число столкновений неизвестных частиц с известными.
Второй путь выглядит более реально реализуемым, хотя и первый отметать тоже нельзя. Эксперимент SHiP идет по второму пути.
БАК – это цепь ускорителей в ЦЕРНе, в которой происходит разгон протонов. Ускоритель SPS, расположенный непосредственно перед БАК, разгоняет протоны до энергии 450 ГэВ. После инжектирования пучка протонов в коллайдер, ускоритель в течение некоторого времени остается свободным, что и позволяет использовать его для проведения эксперимента SHiP.
«Наш эксперимент позволит исследовать очень-очень редкие процессы, которые до сих пор не исследовались просто потому, что не хватало количества частиц взаимодействия. Новый проект SHiP должен создать условия для поиска взаимодействий этих частиц с другими, фактически, в отсутствии фона.
Вообще говоря, это достаточно длительный эксперимент. Если нам действительно удастся открыть новые частицы, займет какое-то время, чтобы понять, а что именно мы нашли такое. Например, майорановские нейтрино или что-то другое? Но тогда станет ясно, что искать надо именно в этой области. Станет ясно и то, каких дальнейших модернизаций потребует эксперимент» – рассказал Андрей Игоревич.
Стоп-кадр программы "Вопрос науки".
Слева - А.М. Семихатов, в центре - Р. Якобсон, справа - А.И. Голутвин
Комментируя интервью зарубежных коллег, Алексей Михайлович Семихатов отметил:
«Это сложный проект с впечатляющими ожидаемыми результатами. Я от души желаю авторам успеха в их усилиях подойти максимально близко к пониманию того, как же на самом деле все устроено в нашей Вселенной».
Руководитель российской группы от ФИАНа в проекте SHiP, заведующая Лабораторией элементарных частиц ФИАН, профессор МИФИ Полухина Наталья Геннадьевна рассказала нам о том, какое участие в этом проекте примут наши ученые и какие ожидания у них связаны с этим проектом.
Полухина Н.Г.: Цель эксперимента – поиск тяжелых нейтральных лептонов (Heavy Neutral Leptons). Существование этих частиц предсказывается теорией, ожидается, что в случае их обнаружения многие явления будут объяснены (барионная асиметрия Вселенной, массы нейтрино, темная материя и др.), рамки Стандартной модели существенно расширятся. Над разработкой физического обоснования работают 25 физиков-теоретиков мирового уровня (например, из России – В. Рубаков, М. Шапошников и др.).
Поскольку эти лептоны чрезвычайно слабо взаимодействуют, детектирующая аппаратура должна иметь большие размеры. В частности, длина «распадного» объема – вакууммированного цилиндра – должна быть более 50 метров. Проект требует создания специального канала для вывода пучка частиц с ускорителя ЦЕРНа и, соответственно, строительства многих новых инженерных зданий и коммуникаций, и уже сейчас специалистами ЦЕРНа ведется проработка технической документации проекта.
Для ученых ведущих исследовательских центров мира крайне важно и интересно участвовать в получении результатов новой физики, поэтому желающих войти в число участников SHiP очень много. Например, на состоявшемся в июле совещании в ЦЕРНе обсуждались обращения четырех корейских и трех российских университетов. По итогам июльского обсуждения предложений новых организаций Научный совет представителей стран-участниц принял решение о включении в SHiP МИСИС как ассоциированного с ФИАН члена коллаборации; было также принято предложение об участии одного из четырех корейских университетов.
Для фиановской группы участие в новом проекте стало логическим продолжением работы в эксперименте ОPЕRА, который стал первым экспериментом по поиску осцилляций нейтрино «на появление» и который первый опубликовал результат наблюдения осцилляций мюонных нейтрино в таонные на уровне достоверности более пяти стандартных отклонений. (Стоит отметить, что главный результат эксперимента ОPЕRА – наблюдение осцилляций на уровне пять сигма, включен в физическое обоснование Нобелевской премии по физике 2015 года). Фиановская группа в рамках проекта SHiP будет принимать участие в исследовании свойств тау-лептонов, про свойства которых на сегодняшний день известно немного: открыт в 1975 году, Нобелевская премия за открытие тау-лептонов вручена в 1995 году; относится к третьему поколению лептонов и единственный из них может распадаться на адроны.
В новом эксперименте основой детектора тау-лептонов станут элементы детектора ОPЕRА, в частности, трековые детекторы – ядерные фотоэмульсии, имеющие на сегодняшний день самое высокое пространственное разрешение – 1 мкм. И хотя начало набора статистики SHiP начнется примерно после 2020 года, сложность проекта и масштабность заявленных задач уже требует отработки многих физических идей и конструкторских разработок. Именно поэтому в 2015 году в ЦЕРНе начались тестовые сеансы облучений на пучке протонов элементов будущего детектора SHiP.
Не может не радовать тот факт, что российские физики во многом инициировали эту работу, успешная реализация которой позволит шагнуть далеко за пределы существующих представлений о фундаментальных законах физики и мира элементарных частиц.
Беседовала Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»
_________________________________________
[1] Официальный сайт коллаборации – http://ship.web.cern.ch/ship/ К тексту
[2] Интервью А.М. Семихатова с Р. Якобсоном и А.И. Голутвиным состоялось в рамках программы «Вопрос науки». Полную версию интервью Вы можете увидеть в онлайн-записи программы http://rutv.ru/brand/show/episode/1407790/viewtype/picture К тексту
