Frontwechsel: Warum einen Protonenstrom gegen eine fünf Meter dicke Betonwand schlagen?

NITU MISiS, das direkt an zwei CERN-Experimenten (SHiP und LHCb) teilnimmt und die einzige Universität in Russland, die zusammen mit dem besten russischen populärwissenschaftlichen Portal N + 1 ein Kooperationsabkommen mit der Europäischen Organisation für Kernforschung unterzeichnet hat, hat herausgefunden, wie, warum und wer am CERN suchen sie nach neuer Physik.

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Nachdem der Large Hadron Collider seine Konstruktionskapazität erreicht und das Higgs-Boson in der Physik entdeckt hatte, brach eine Krise aus: Die Haupttheorie der Teilchenphysik - das Standardmodell - wurde abgeschlossen, es wurden keine signifikanten Abweichungen von seinen Vorhersagen gefunden, und niemand schlug eine klare Antwort auf die Frage vor, wohin er gehen sollte . Die Wissenschaftler mussten sich entscheiden, wo sie nach einer neuen Physik, einer neuen, allgemeineren Theorie suchen sollten. Darüber hinaus sind alle niedrig hängenden Früchte längst abgerissen worden, jedes ernsthafte Experiment hätte enorme Investitionen erfordert, und wer würde heute blind auf diese Ausgaben gehen, ohne den geringsten Hinweis auf die Möglichkeit eines Erfolgs?

Sie können versuchen, die „Front“ zu ändern und nach Prozessen zu suchen, die keine hohen Energien erfordern, aber sehr selten auftreten. Aus diesem Grund haben der russische Physiker Andrei Golutvin, der viele Jahre am CERN gearbeitet hat, und seine Kollegen von NUST MISiS, Yandex und anderen Organisationen ein wirtschaftliches Projekt für die Suche in eine neue Richtung entwickelt.

Andrey Golutvin

Im SHiP-Experiment werden sie nach Spuren unbekannter Partikel, einschließlich Partikel der dunklen Materie, in einem Partikelstrom aus dem SPS-Beschleuniger suchen, der durch Magnetfelder, eine fünf Meter lange Schicht aus Beton und Metall gefiltert wird. Vielleicht ermöglicht uns die enorme Leuchtkraft - eine große Anzahl von Teilchen, die geboren werden -, neue Physik schneller als hohe Energien bei leistungsstarken Beschleunigern zu sehen.

SHiP auf SPS

„Am LHC (Large Hadron Collider) haben sie versucht, Supersymmetrie zu finden. Nicht sie, nicht sichtbar. Und wir alle wissen, dass wir Kandidaten für dunkle Materie brauchen. Andererseits wissen wir, dass das Standardmodell korrekt ist. Daher möchten Sie neue Partikel so hinzufügen, dass das Standardmodell nicht beeinträchtigt wird. Das minimalste Szenario sind die sogenannten Portalmodelle. In ihnen werden neue Partikel mithilfe von Operatoren beschrieben, die einem Operator zugeordnet sind, der bereits im Standardmodell vorhanden ist, und zwar durch eine sehr kleine Konstante “, erklärt Andrey Golutvin.

Da Neutrinos sehr schwach mit anderen Partikeln interagieren, erfordert ihre Detektion erstens viele Kollisionen und zweitens, um einen niedrigen Rauschpegel sicherzustellen. Aufgrund der Verwendung des SPS-Synchrotrons für fünf Jahre der vorgeschlagenen Arbeit im Experiment wird es möglich sein, etwa 2 × 10 ^ 20 Protonen zu verwenden, und ein speziell entwickeltes Magnetsystem wird verwendet, um das Rauschen zu reduzieren.

„SHiP-Experimente werden als Beam-Dump-Experimente bezeichnet. In ihnen möchten Sie etwas Neues sehen und ein Volumen arrangieren, in dem es nichts gibt. Wenn Sie etwas sehen, ist dies eine Entdeckung. Vor ungefähr 30-40 Jahren wurden alle vom Large Hadron Collider mitgerissen, und Experimente dieser Art hörten einfach auf. Insbesondere zu diesem Zeitpunkt wurde bei SPS ein sehr intensiver Strahl entwickelt. Wir haben gerade festgestellt, dass man für relativ wenig Geld prüfen kann, ob es solche Modelle gibt “, sagte Andrei Golutvin.

Ziel- und Detektordesign

Ein Protonenstrahl vom SPS-Synchrotron soll an ein stationäres Ziel gesendet werden, das eine Dicke von etwa 120 Zentimetern haben wird. Dies reicht aus, um alle Protonen zu stoppen. Während der Wechselwirkung von Protonen mit Kernen und Elektronen des Ziels wird eine große Anzahl neuer Teilchen geboren, unter denen sich hypothetische Teilchen der dunklen Materie herausstellen können.


Allgemeiner Überblick über das SHiP-Experiment

Die Komplexität des Zieldesigns liegt in der Tatsache, dass es alle sieben Sekunden innerhalb einer Sekunde etwa 3 × 10 ^ 13 Protonen absorbieren muss, von denen jedes eine Energie von 400 Gigaelektronvolt hat. Dies entspricht einer Leistung in der Größenordnung von Megawatt (bis zu 2,5 Megawatt in der Spitze). Bei einer transversalen Zielgröße von 30 Zentimetern bedeutet dies, dass mehrere Kilowatt Wärmeenergie von jedem Quadratzentimeter entfernt werden müssen.
Eine Lösung für dieses Problem wurde bei NUST „MISiS“ behandelt. Das Ziel besteht aus einer Reihe von Metallschichten mit einer Dicke von 2,5 bis 35 Zentimetern. Die Hälfte der Schichten besteht aus einer weniger dichten TZM-Molybdänlegierung, und der Rest des Targets besteht aus Wolfram.


Dmitry Karpenkov

„Jetzt wurde ein Modell dieses Ziels erstellt. Es ist halb so viel wie nötig. Dies ist ein Prototyp. Die Dicke der darin enthaltenen Platten wird jedoch bereits gemessen, da hier der Hauptparameter die Wechselwirkungslänge ist, da wir genau wissen müssen, in welcher Tiefe welche Partikel geboren werden “, sagt Dmitry Karpenkov, Senior Research Fellow am MISiS. Dieser Prototyp wird am SPS-Synchrotron mit reduziertem Protonenfluss getestet. Der Zweck dieser Tests ist es, besser zu verstehen, welche bereits bekannten Partikel im Wechselwirkungsprozess entstehen, um den Schutz des Detektors vor ihnen zu verbessern.

Wasser fließt durch die engen Lücken zwischen ihnen, um die Platten zu kühlen. Es wird geschätzt, dass dies etwa 50 Liter Wasser pro Sekunde oder 180 Tonnen pro Stunde erfordert. Um den Siedepunkt von Wasser weiter auf 200 Grad Celsius zu erhöhen, wird es unter einem Druck von 15 Atmosphären zugeführt.

„Das Ziel hat eine relativ einfache Struktur. Es ist im Wesentlichen nur ein Satz dünner Metallzylinder. Zu Beginn des Ziels werden dünnere verwendet, da die größte Wärmeabgabe erfolgt und die Wärme schneller abgeführt werden muss. Diese Zylinder bestehen aus Molybdän, dessen Dichte doppelt so hoch ist wie die von Wolfram. Wenn wir hier Wolfram verwenden würden, würde es einfach schmelzen “, fährt Karpenkov fort.

Zieldiagramm mit der Dicke aller Schichten, Seitenansicht

Die Hauptschwierigkeit des Experiments wird die Schaffung von Bedingungen mit möglichst geringem Hintergrundrauschen sein. Während der Wechselwirkung des Protonenflusses mit dem Target bilden sich Schauer energetischer Partikel. Die meisten von ihnen werden durch fünf Meter Beton gestoppt. Aber am Ausgang bleiben Myonen und Neutrinos, die schwach mit Materie interagieren, bestehen.
Das Hauptproblem sind Myonen. Glücklicherweise sind dies geladene Teilchen, die durch Magnete abgelenkt werden können. Die Schwierigkeit liegt in der Tatsache, dass Myonen sehr unterschiedliche Energien haben können und diejenigen, die sich relativ langsam bewegen, eine vollständige Umdrehung in einem Magnetfeld ausführen und zum Detektor zurückkehren können. Um die Anzahl solcher Partikel zu reduzieren und gleichzeitig auf eine relativ geringe Anzahl von Magneten zu verzichten, wurde am NUST MISiS unter Beteiligung der Yandex Data Analysis School eine spezielle Anordnung ihrer Position entwickelt.

Laut Fedor Ratnikov, einem Forscher von Yandex, war die Aufgabe, die sie lösen mussten, sehr schwierig: „Als Ergebnis der Optimierung würde ich eine sehr unerwartete Form der Konfiguration und Anordnung von Magneten sagen. Wir haben die Reduzierung des Hintergrunds von Myonen auf das gewünschte Niveau optimiert und gleichzeitig die Masse der Magnete minimiert. “

Das Aussehen des Zieldesigns

Andrey Ustyuzhanin, Projektmanager am Yandex-CERN, sprach über die Verwendung neuronaler Netze zur Lösung dieser Probleme: „Methoden des maschinellen Lernens wurden verwendet, um die optimale Schaltung zu finden. Standardmethoden erwiesen sich in diesem Fall jedoch als nicht anwendbar, sodass sie erheblich modifiziert werden mussten. “

„Im Gegensatz zum Training neuronaler Netze, bei dem der Gradient der Vorhersagefehler verwendet wird, um die optimale Konfiguration reibungslos zu erreichen, ist dies hier nicht möglich. Daher müssen Sie sich auf Optimierungsmethoden verlassen, die nicht auf Gradienten beruhen, z. B. die Bayes'sche Optimierung. Wir haben diesen Ansatz erweitert, indem wir den Myonen, die einen größeren Beitrag zum Vorhersagefehler leisten, mehr Gewicht zugewiesen haben. Dieser Ansatz hat den Zeitaufwand für die Suche nach der besten Lösung erheblich reduziert “, erklärt Andrey Ustyuzhanin.

Nach dem Magnetsystem sieht der Aufbau des Versuchsaufbaus einen langen 50-Meter-Tunnel mit einer Querschnittsgröße von 5 × 10 Metern vor. Hier tritt ein hypothetischer Zerfall schwerer Neutrinos in andere Teilchen auf.


Magnetkonfiguration

„[Partikel] kann nicht von allen Partikeln befreit werden, da es gewöhnliche Neutrinos gibt. Sie interagieren irgendwie mit der Substanz, also ist das erste, was zu tun ist, die Luft zu entfernen, damit gewöhnliche Neutrinos nicht mit dieser Luft interagieren. Das heißt, diese komplexe technische Struktur wird in einem Vakuum sein “, sagt Andrei Golutvin.

Am Ende des Tunnels befinden sich die eigentlichen Detektoren, mit denen die Zerfallsprodukte hypothetischer Partikel der dunklen Materie aufgezeichnet werden sollen. Es wird angenommen, dass sich einige von ihnen im Tunnel in ein Paar bekannter Partikel, beispielsweise Myon und Pion, zersetzen, die registriert werden.


Ein Diagramm der Abhängigkeit der Bindungsstärke schwerer Neutrinos von ihrer Masse. Grün zeigt die experimentell erhaltenen niedrigeren Einschränkungen an. Blau ist die erwartete Empfindlichkeit des SHiP-Experiments. Die Grauzone ist theoretisch verboten.

Die Autoren des Experiments erwarten, dass alle ergriffenen Maßnahmen die Empfindlichkeit des Detektors im Vergleich zu anderen Installationen tausendfach erhöhen werden. Dies bedeutet, dass über einen Betriebszeitraum von höchstens fünf Jahren mehrere tausend notwendige Partikel registriert werden, aber es ist wahrscheinlicher, dass wir nur über einige wenige Ereignisse sprechen werden.

Wenn während der Beobachtungszeit keine unbekannten Partikel gefunden werden, werden dadurch die Bereiche weiterer Suchvorgänge eingeschränkt. Außerdem werden Studien der schlecht untersuchten Tau-Neutrinos mit demselben Detektor durchgeführt. Diese Daten werden sicherlich dazu beitragen, die Physik von Neutrinos besser zu verstehen, und möglicherweise Wissenschaftler zu neuen Ideen führen, wo sie in Zukunft nach neuer Physik suchen können.