NITU MISiS ، وهو مشارك مباشر في تجربتين CERN (SHiP و LHCb) والجامعة الوحيدة في روسيا التي وقعت اتفاقية تعاون مع المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية ، إلى جانب أفضل بوابة علمية روسية شعبية N + 1 ، اكتشفوا كيف ولماذا ومن يبحثون في CERN عن فيزياء جديدة.
المواد الأصلية هنابعد أن وصل مصادم هادرون الكبير إلى قدرته التصميمية واكتشاف بوزون هيجز في الفيزياء ، اندلعت أزمة: اكتملت النظرية الرئيسية لفيزياء الجسيمات - النموذج القياسي - ولم يتم العثور على انحرافات كبيرة عن تنبؤاته ، ولم يقترح أحد إجابة واضحة على سؤال إلى أين يذهب . كان على العلماء أن يقرروا أين يبحثون عن فيزياء جديدة ، نظرية جديدة أكثر عمومية. علاوة على ذلك ، تم قطع جميع الثمار المتدلية منذ فترة طويلة ، وأي تجربة جادة تتطلب استثمارات ضخمة ، ومن سيذهب اليوم إلى هذه النفقات بشكل أعمى ، دون أدنى تلميح إلى إمكانية النجاح؟
يمكنك محاولة تغيير "المقدمة" والبحث عن العمليات التي لا تتطلب طاقات عالية ، ولكن نادرًا ما تحدث. هذا هو السبب في أن الفيزيائي الروسي أندريه جولوتفين ، الذي عمل في CERN لسنوات عديدة ، وزملاؤه من NUST MISiS و Yandex ومنظمات أخرى توصلوا إلى مشروع اقتصادي للبحث في اتجاه جديد.
أندري جولوتفينفي تجربة SHiP ، سيبحثون عن آثار جسيمات غير معروفة ، بما في ذلك جزيئات المادة المظلمة ، في تيار جسيمات من مسرع SPS المفلتر من الحقول المغناطيسية ، طبقة بطول خمسة أمتار من الخرسانة والمعادن. ربما تسمح اللمعان الضخم - عدد كبير من الجسيمات المولودة - برؤية الفيزياء الجديدة بشكل أسرع من الطاقات العالية في المسرعات القوية.
SHIP على SPS"في LHC (مصادم الهادرون الكبير) حاولوا إيجاد تناظر فائق. ليست هي ، غير مرئية. وكلنا نعلم أننا بحاجة إلى مرشحين للمادة المظلمة. من ناحية أخرى ، نحن نعلم أن النموذج القياسي صحيح. لذلك ، تريد إضافة جزيئات جديدة بطريقة لا تفسد النموذج القياسي. السيناريو الأقل هو ما يسمى نماذج المدخل. يشرح أندري جولوتفين أن الجسيمات الجديدة موصوفة فيها باستخدام عوامل تشغيل مرتبطة بعامل موجود بالفعل في النموذج القياسي من خلال ثابت صغير جدًا.
نظرًا لأن النيوترينوات تتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع الجسيمات الأخرى ، فإن اكتشافها يتطلب ، أولاً ، الكثير من التصادمات ، وثانيًا ، لضمان مستوى ضوضاء منخفض. نظرًا لاستخدام SPS السنكروترون لمدة خمس سنوات من العمل المقترح في التجربة ، سيكون من الممكن استخدام حوالي 2 × 10 ^ 20 بروتون ، وسيتم استخدام نظام مغناطيسي تم تطويره خصيصًا لتقليل الضوضاء.
"تسمى تجارب SHiP تجارب تفريغ الحزمة. تريد أن ترى فيها شيئًا جديدًا وترتيب مجلد لا يوجد فيه شيء. إذا رأيت شيئًا ، فهذا اكتشاف. قبل حوالي 30-40 سنة ، تم نقل الجميع بواسطة مصادم هادرون الكبير ، وتوقفت التجارب من هذا النوع ببساطة عن القيام به. في هذا الوقت ، على وجه الخصوص ، تم تطوير شعاع شديد للغاية في SPS. قال أندريه جولوتفين: "لقد أدركنا للتو أنه مقابل القليل من المال نسبيًا يمكنك التحقق مما إذا كانت هناك مثل هذه النماذج".
تصميم الهدف والكاشفمن المخطط إرسال حزمة بروتون من جهاز السنكروترون SPS إلى هدف ثابت ، يبلغ سماكته حوالي 120 سم. هذا يكفي لإيقاف جميع البروتونات. أثناء تفاعل البروتونات مع النوى وإلكترونات الهدف ، سيولد عدد كبير من الجسيمات الجديدة ، من بينها ، قد تتحول إلى جسيمات افتراضية من المادة المظلمة.
مخطط عام لتجربة SHiPيكمن تعقيد تصميم الهدف في حقيقة أنه كل سبع ثوانٍ يجب أن يمتص حوالي 3 × 10 ^ 13 بروتونًا في الثانية ، لكل منها طاقة 400 جيجا إلكترون فولت. هذا يتوافق مع خرج طاقة بترتيب ميجاوات (حتى 2.5 ميجاوات في الذروة). مع حجم هدف مستعرض يبلغ 30 سم ، هذا يعني أنه يجب إزالة عدة كيلووات من الطاقة الحرارية من كل سنتيمتر مربع منها.
تم التعامل مع حل لهذه المشكلة في NUST “MISiS”. سيتكون الهدف من مجموعة من طبقات معدنية بسماكة 2.5 إلى 35 سم. نصف الطبقات ستصنع من سبيكة الموليبدينوم TZM الأقل كثافة ، والباقي من الهدف مصنوع من التنجستن.
دميتري كاربينكوف"الآن تم عمل نموذج لهذا الهدف. إنها نصف بقدر الضرورة. هذا نموذج أولي. لكن سمك الألواح الموجودة فيه تم قياسه بالفعل ، لأن المعلمة الرئيسية هنا هي طول التفاعل ، لأننا بحاجة إلى معرفة بالضبط أي عمق يولد الجسيمات "، كما يقول دميتري كاربينكوف ، زميل أبحاث أول في MISiS. يتم اختبار هذا النموذج الأولي في السنكروترون SPS مع انخفاض تدفق البروتون. الغرض من هذه الاختبارات هو فهم أفضل للجسيمات المعروفة بالفعل في عملية التفاعل من أجل تحسين حماية الكاشف منها.
يتدفق الماء عبر الفجوات الضيقة بينهما لتبريد الأطباق. وتشير التقديرات إلى أن هذا سيتطلب حوالي 50 لترًا من الماء في الثانية ، أو 180 طنًا في الساعة. لزيادة درجة غليان الماء إلى 200 درجة مئوية ، سيتم توفيره تحت ضغط 15 جوًا.
"إن الهدف له بنية بسيطة نسبيًا. إنها في الأساس مجرد مجموعة من الأسطوانات المعدنية الرقيقة. في بداية الهدف ، يتم استخدام أرق منها ، حيث يوجد أكبر قدر من إطلاق الحرارة ويتطلب الأمر إزالة الحرارة بشكل أسرع. هذه الأسطوانات مصنوعة من الموليبدينوم ، الذي تقل كثافته مرتين عن كثافة التنغستن. "إذا استخدمنا التنغستن هنا ، فسيذوب ببساطة".
رسم تخطيطي للهدف يوضح سمك جميع الطبقات ، منظر جانبيوستكون الصعوبة الرئيسية للتجربة هي تهيئة الظروف بأقل ضوضاء ممكنة في الخلفية. أثناء تفاعل تدفق البروتون مع الهدف ، ستتشكل زخات من الجسيمات النشطة. سيتم إيقاف معظمها بخمسة أمتار من الخرسانة. ولكن عند الخروج منه ، ستظل الميونات والنيوترينوات التي تتفاعل بشكل ضعيف مع المادة باقية.
المشكلة الرئيسية هي الميونات. لحسن الحظ ، هذه جسيمات مشحونة يمكن أن تنحرف عن طريق المغناطيس. تكمن الصعوبة في حقيقة أن الميونات يمكن أن يكون لها طاقات مختلفة للغاية ، وتلك التي تتحرك ببطء نسبيًا يمكن أن تحدث ثورة كاملة في المجال المغناطيسي والعودة إلى الكاشف. من أجل تقليل عدد هذه الجسيمات ، وفي نفس الوقت الاستغناء عن عدد صغير نسبيًا من المغناطيس ، تم تطوير ترتيب خاص لموقعها في NUST MISiS بمشاركة مدرسة تحليل البيانات Yandex.
وفقًا لفيدور راتنيكوف ، باحث من ياندكس ، كانت المهمة التي كان عليهم حلها صعبة للغاية: "نتيجة للتحسين ، أود أن أقول شكلًا غير متوقع للغاية من تكوين وترتيب المغناطيس. لقد قمنا بتحسين تقليل الخلفية من الميونات إلى المستوى المطلوب ، مع تقليل كتلة المغناطيس. "
مظهر التصميم المستهدفتحدث أندري أوستيوزانين ، مدير المشروع في Yandex-CERN ، عن استخدام الشبكات العصبية لحل هذه المشاكل: "تم استخدام طرق التعلم الآلي للعثور على الدائرة المثلى. ومع ذلك ، تبين أن الطرق القياسية غير قابلة للتطبيق في هذه الحالة ، لذلك كان لا بد من تعديلها بشكل كبير ".
"على عكس تدريب الشبكات العصبية ، الذي يستخدم تدرج أخطاء التنبؤ ، والذي يسمح لك بالوصول بسلاسة إلى التكوين الأمثل ، لا يمكن القيام بذلك هنا. لذلك ، يجب عليك الاعتماد على طرق التحسين التي لا تعتمد على التدرجات ، على سبيل المثال ، التحسين Bayesian. لقد قمنا بتوسيع هذا النهج من خلال تعيين وزن أكبر لتلك الميونات التي تقدم مساهمة أكبر لخطأ التنبؤ. يوضح أندري أوستيوزانين ، أن هذا النهج قلل بشكل كبير من الوقت الذي يقضيه البحث عن أفضل حل.
بعد النظام المغناطيسي ، يوفر تصميم الإعداد التجريبي نفقًا بطول 50 مترًا بحجم مستعرض يبلغ 5 × 10 أمتار. هنا سيحدث انحلال افتراضي للنيوتريونات الثقيلة في جزيئات أخرى.
تكوين المغناطيسلا يمكن تحرير [الجسيمات] من جميع الجسيمات ، لأن هناك نيوترينوات عادية. يتفاعلون بطريقة أو بأخرى مع المادة ، لذلك فإن أول شيء يجب فعله هو إزالة الهواء بحيث لا تتفاعل النيوترينوات العادية مع هذا الهواء. أي أن هذا الهيكل الهندسي المعقد سيكون في فراغ ، "كما يقول أندريه جولوتفين.
في نهاية النفق ، سيتم تحديد مكان أجهزة الكشف الفعلية بهدف تسجيل منتجات الاضمحلال لجسيمات المادة المظلمة الافتراضية. من المفترض أن يتحلل بعضها في النفق إلى زوج من الجسيمات المعروفة ، على سبيل المثال ، الميون والبيون ، والتي سيتم تسجيلها.
رسم تخطيطي لاعتماد قوة ربط النيوترينوات الثقيلة على كتلتها. الأخضر يشير إلى القيود الدنيا التي تم الحصول عليها تجريبيا. الأزرق هو الحساسية المتوقعة لتجربة SHiP. المنطقة الرمادية ممنوعة نظريا.يتوقع مؤلفو التجربة أن جميع الإجراءات المتخذة ستزيد من حساسية الكاشف آلاف المرات مقارنة بما تم تحقيقه في تركيبات أخرى. هذا يعني أنه على مدى خمس سنوات من التشغيل ، في أفضل الأحوال ، سيتم تسجيل عدة آلاف من الجسيمات الضرورية ، ولكن من المرجح أننا سنتحدث عن عدد قليل من الأحداث.
في الحالة ، إذا لم يتم العثور على جسيمات غير معروفة خلال وقت المراقبة ، فإن هذا سيضيق نطاقات المزيد من عمليات البحث. بالإضافة إلى ذلك ، سيتم إجراء دراسات على نيوترينو تاو المدروس بشكل سيئ على نفس الكاشف. ستساعد هذه البيانات بالتأكيد على فهم فيزياء النيوترينو بشكل أفضل ، وربما ستقود العلماء إلى أفكار جديدة حول مكان البحث عن الفيزياء الجديدة في المستقبل.