Новосибирские ученые принимают участие в эксперименте на Большом адронном коллайдере

Сотрудники совместной лаборатории Института ядерной физики СО РАН и НГУ принимают участие в одном из двух самых больших экспериментов, ведущих набор и анализ данных при столкновениях пучков протонов сверхвысоких энергий в Большом адронном коллайдере, расположенном в ЦЕРНе (Европейском центре по физике высоких энергий).

ATLAS — это большой детектор элементарных частиц. Его длина — 44 метра, диаметр — 25 метров, он содержит несколько самых современных подсистем для регистрации различных частиц и расположен в шахте Большого адронного коллайдера на глубине около 100 метров. Одноименный эксперимент посвящен изучению физических процессов, протекающих при столкновении протонов сверхвысоких энергий. Все дело в том, что чем больше энергия, тем больше вероятность рождения все более тяжелых (и поэтому исчезающе редких в нашем «привычном» мире) частиц — следствие знаменитого «E = mc²» Эйнштейна. Однако роль этих частиц была важна на ранних этапах возникновения и развития нашей Вселенной. Кроме того, согласно современным представлениям физиков, все пространство «пропитано» конденсатом элементарных скалярных частиц — хиггсовских бозонов. Именно из-за взаимодействия с ними другие известные элементарные частицы «приобретают» ненулевую массу. Существование хиггсовских бозонов было предсказано теоретиками еще в 60-х годах XX века, однако в течение почти пяти десятилетий его не удавалось обнаружить. Наконец, в 2012 г. бозон Хиггса был открыт коллаборациями ATLAS и CMS, а трем предсказавшим его теоретикам была присуждена Нобелевская премия по физике.

— Бозон Хиггса стал последним недостающим элементом Стандартной модели (современной теории микромира). Однако известно, что она неполна — не включает гравитацию, а также так называемую «темную материю», о которой из астрофизических наблюдений мы знаем пока только, что она проявляется через гравитацию и крайне слабо взаимодействует с известной нам материей. Поэтому поиск так называемой «новой физики» (выходящей за пределы Стандартной модели) и прецизионное изучение свойств и взаимодействий уже известных, но редких частиц (хиггсовских бозонов, тяжелых t- и b-кварков, экзотических адронов), которые могут оказаться «окном в новую физику», являются приоритетными задачами для физиков ATLAS'а и наших друзей и конкурентов из коллаборации CMS. Сейчас в мире нет и в ближайшие два десятилетия не появится других экспериментальных установок, где эти задачи могут решаться лучше и быстрее, — объяснил старший научный сотрудник Междисциплинарного центра физики элементарных частиц и астрофизики Физического факультета НГУ Алексей Масленников.

Физики лаборатории участвуют в анализе физических процессов, в частности в группе по изучению свойств хиггсовского бозона в канале распада на четыре лептона (фундаментальных частиц с полуцелым спином, не участвующих в сильном взаимодействии) и поиску более тяжелых хиггсовских бозонов, предсказываемых расширениями Стандартной модели. В настоящее время готовится журнальная публикация по итогам анализа всей статистики, набранной детектором ATLAS в ходе «Захода 2» с 2015 по 2018 год. Также новосибирские исследователи принимают участие во многих работах по поддержке и развитию программного кода для обеспечения работоспособности калориметров детектора ATLAS, моделирования, реконструкции и идентификации частиц в них, в том числе для подготовки к будущим сезонам набора данных.

— И поглотители, и электроды электромагнитных калориметров имеет очень сложную форму, напоминающую аккордеон. Описать их геометрию в пакете программ для моделирования детекторов GEANT4 и создать эффективные алгоритмы для разыгрывания энерговыделения и сбора сигнала при прохождении частиц в неоднородном электрическом и магнитном поле — очень непростая задача. Андрей Сухарев (старший научный сотрудник ФФ НГУ) занимается этим с 2001 года и является главным экспертом. Несколько лет назад он и Дмитрий Максимов (старший преподаватель ФФ НГУ) смогли не только устранить редкие ошибки, вызванные неточным описанием геометрии, но и ускорить программу на 15 %, что позволило сэкономить значительную долю компьютерных ресурсов и потратить их на моделирование дополнительного числа событий. Сейчас решается задача реорганизации программного кода для обеспечения его работы в многопроцессорной среде, — рассказал о значимости работ новосибирских ученых Алексей Масленников.

По словам специалиста, всего в калориметрах на жидком аргоне детектора ATLAS более 182 тысяч каналов электроники. Для каждого из них во время набора статистики надо регулярно измерять, проверять на разумность и сохранять в базе данных параметры отклика на сигналы от калибровочного генератора.

— Без этого не обеспечить необходимое для получения физических результатов энергетическое разрешение и подавление фонов. Виктор Бобровников (старший научный сотрудник, инженер ФФ НГУ) и Ольга Резанова (старший преподаватель ФФ НГУ) занимаются разработкой программного обеспечения для контроля качества калибровок электроники калориметра и статуса каналов. Благодаря квалификации и усилиям экспертов и дежурных в 2018 году доля «непригодных для обработки» данных составила 2,5 %, а в среднем по «Заходу 2», продолжавшемуся с 2015 по 2018 год, — 5 %, — подчеркнул Алексей Масленников.