Хабрахабр

[recovery mode] Смена фронта: зачем бить потоком протонов в бетонную стену пятиметровой толщины

НИТУ «МИСиС», являющийся непосредственным участником двух экспериментов CERN (SHiP и LHCb) и единственным вузом России, подписавшим соглашение о сотрудничестве с Европейской организацией по ядерным исследованиям, совместно с лучшим российским научно-популярным порталом N+1 разбирались, как, зачем и кто в CERN ищут новую физику.

Оригинал материала тут

Ученым надо было решать, где искать новую физику, новую, более общую теорию. После выхода Большого адронного коллайдера на проектную мощность и открытия бозона Хиггса в физике наступил кризис: главная теория физики частиц — Стандартная модель — была завершена, никаких значимых отклонений от ее предсказаний обнаружено не было, и внятного ответа на вопрос, куда идти, никто не предлагал. При этом все низко висящие плоды давно были сорваны, любой серьезный эксперимент потребовал бы гигантских вложений, а кто сегодня пойдет на эти расходы вслепую, без малейшего намека на возможность успеха?

Именно поэтому российский физик Андрей Голутвин, долгие годы работавший в ЦЕРНе, и его коллеги из НИТУ «МИСиС», Яндекса и других организаций придумали экономичный проект для поисков в новом направлении. Можно попытаться сменить «фронт» и искать процессы, которые не требуют высоких энергий, но происходят очень редко.

image

Андрей Голутвин

Возможно, огромная светимость — большое число рождающихся частиц — позволит увидеть новую физику быстрее, чем высокие энергии на мощных ускорителях.
SHiP на SPS
В эксперименте SHiP будут искать следы неизвестных частиц, в том числе частиц темной материи, в отфильтрованном магнитными полями, пятиметровым слоем бетона и металла потоке частиц от ускорителя SPS.

Нет ее, не видно. «На LHC (Большом адронном коллайдере) пытались найти суперсимметрию. С другой стороны, мы знаем, что Стандартная модель правильная. А мы все знаем, что нужны кандидаты на темную материю. Самый минимальный сценарий — это так называемый portal models. Поэтому вы хотите добавить новые частицы таким образом, чтобы не испортить Стандартную модель. В них новые частицы описываются с помощью операторов, которые связаны с оператором, уже присутствующим в Стандартной модели, через очень маленькую константу», — объясняет Андрей Голутвин.

Поскольку нейтрино очень слабо взаимодействуют с другими частицами, то для их обнаружения требуется, во-первых, провести много столкновений, а во-вторых, обеспечить низкий уровень шумов. За счет использования синхротрона SPS за пять лет предполагаемой работы в эксперименте удастся задействовать около 2×10^20 протонов, а для снижения шума будет использована специально разработанная система магнитов.

В них вы хотите увидеть что-то новое и устраиваете объем, в котором ничего нет. «Эксперименты типа SHiP называют beam-dump экспериментами. Лет 30-40 назад все увлеклись Большим адронным коллайдером, а эксперименты такого типа просто перестали делать. Если вы что-то увидите, то это и есть открытие. Ну и мы просто поняли, что за относительно небольшие деньги можно проверить, нет ли вот таких моделей», — пояснил Андрей Голутвин. В это время развили, в частности, очень интенсивный пучок на SPS.

Конструкция мишени и детектора

Этого достаточно, чтобы остановить все протоны. Пучок протонов с синхротрона SPS планируется посылать на неподвижную мишень, которая будет иметь толщину порядка 120 сантиметров. При взаимодействии протонов с ядрами и электронами мишени будет происходить рождение большого количества новых частиц, среди которых, возможно, окажутся и гипотетические частицы темного вещества.

image
Общая схема эксперимента SHiP

Это соответствует выделяемой мощности порядка мегаватта (до 2,5 мегаватта в пике). Сложность проектирования мишени заключается в том, что через каждые семь секунд она должна в течение секунды поглотить около 3×10^13 протонов, каждый из которых имеет энергию в 400 гигаэлектронвольт. Мишень будет состоять из набора металлических слоев толщиной от 2,5 до 35 сантиметров. При поперечном размере мишени в 30 сантиметров это означает, что с каждого ее квадратного сантиметра надо отводить несколько киловатт тепловой энергии.
Решением этой проблемы занимались в НИТУ «МИСиС». Половина слоев будет выполнена из менее плотного молибденового сплава TZM, а остальная часть мишени — из вольфрама.

image
Дмитрий Карпенков

Он в два раза меньше, чем нужно будет. «Сейчас сделан макет этой мишени. Но толщина пластин в ней уже вымеренная, потому что здесь главный параметр — это длина взаимодействия, поскольку нам надо точно знать, на какой глубине какие частицы рождаются», — рассказывает старший научный сотрудник НИТУ «МИСиС» Дмитрий Карпенков. Это прототип. Цель этих испытаний — лучше понять, какие уже известные частицы рождаются в процессе взаимодействия, чтобы улучшить защиту детектора от них. Этот прототип сейчас проходит испытания на синхротроне SPS при сниженном потоке протонов.

Охлаждать пластины будут потоки воды, проходящие через узкие зазоры между ними. По оценкам, для этого потребуется около 50 литров воды в секунду, или 180 тонн в час. Чтобы дополнительно повысить температуру кипения воды до 200 градусов Цельсия, она будет подаваться под давлением в 15 атмосфер.

Это по сути просто набор тонких металлических цилиндров. «Мишень имеет относительно простую структуру. Эти цилиндры выполнены из молибдена, плотность которого в два раза ниже, чем у вольфрама. В начале мишени используются более тонкие, поскольку здесь наибольшее тепловыделение и требуется быстрее отводить тепло. Если бы мы использовали здесь вольфрам, он просто расплавился бы», — продолжает Карпенков.

image
Схема мишени с указанием толщины всех слоев, вид сбоку

В процессе взаимодействия потока протонов с мишенью будут образовываться ливни энергичных частиц. Главной сложностью эксперимента будет создание условий с как можно меньшим уровнем фонового шума. Но на выходе из него все еще останутся слабо взаимодействующие с веществом мюоны и нейтрино.
Основную проблему представляют собой мюоны. Большую часть из них остановят пятью метрами бетона. Сложность заключается в том, что мюоны могут иметь самую разную энергию, и те из них, которые двигаются относительно медленно, могут совершить в магнитном поле полный оборот и вернуться в детектор. К счастью, это заряженные частицы, которые можно отклонить магнитами. Чтобы уменьшить количество таких частиц и при этом обойтись относительно небольшим количеством магнитов, в НИТУ «МИСиС» при участии Школы анализа данных Яндекса была разработана специальная схема их расположения.

Мы оптимизировали уменьшение фона от мюонов до нужного уровня, минимизируя при этом массу магнитов». По словам Федора Ратникова, исследователя из Яндекса, задача, которую им пришлось решать, оказалась очень непростой: «В результате оптимизации получилась, я бы сказал, очень неожиданная форма конфигурации и расположения магнитов.

image
Внешний вид конструкции мишени

Однако стандартные методы оказались в этом случае неприменимы, поэтому их пришлось существенно модифицировать».
О применении нейросетей для решения этих задач рассказал руководитель проектов Яндекс-ЦЕРН Андрей Устюжанин: «Для поиска оптимальной схемы использовались методы машинного обучения.

Поэтому приходится опираться на методы оптимизации, не полагающиеся на градиенты, например, на байесовскую оптимизацию. «В отличие от обучения нейросетей, в котором используется градиент ошибки предсказаний, позволяющий плавно прийти к оптимальной конфигурации, здесь так сделать нельзя. Такой подход позволил существенно сократить время на поиски оптимального решения», — объясняет Андрей Устюжанин. Мы расширили этот подход назначением бОльшего веса тем мюонам, которые дают бОльший вклад в ошибку предсказаний.

После магнитной системы в проекте экспериментальной установки предусмотрен длинный 50-метровый туннель, имеющий в сечении размеры 5×10 метров. Здесь будет происходить гипотетический распад тяжелых нейтрино на другие частицы.

image
Конфигурация магнитов

Они все равно как-то взаимодействуют с веществом, поэтому первым делом надо убрать воздух, чтобы обычные нейтрино с этим воздухом не взаимодействовали. «От всех частиц [пучок] не удастся освободить, поскольку есть обычные нейтрино. То есть это сложное инженерное сооружение будет находиться в вакууме», — поясняет Андрей Голутвин.

В конце туннеля будут расположены собственно детекторы, нацеленные на регистрацию продуктов распада гипотетических частиц темного вещества. Предполагается, что часть из них распадется в туннеле на пару известных частиц, например мюон и пион, которые и будут зарегистрированы.

Зеленым указаны экспериментально полученные на данный момент ограничения снизу. image
Диаграмма зависимости силы связи тяжелых нейтрино от их массы. Серая область запрещена теоретически. Синим — ожидаемая чувствительность эксперимента SHiP.

Это означает, что за пять лет работы будет зарегистрировано в самом лучшем случае несколько тысяч нужных частиц, однако более вероятно, что речь будет идти о всего нескольких событиях. Авторы эксперимента рассчитывают, что все принятые меры позволят повысить чувствительность детектора в тысячи раз по сравнению с тем, что достигнуто на других установках.

А кроме того, на этом же детекторе будут проводиться исследования пока что плохо изученных тау-нейтрино. В случае же, если за время наблюдений неизвестных частиц не обнаружат, то это позволит сузить диапазоны дальнейших поисков. Эти данные наверняка помогут лучше разобраться в физике нейтрино и, возможно, наведут ученых на новые идеи относительно того, где искать Новую физику в будущем.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть