NITU MISiS, que participa directamente en dos experimentos del CERN (SHiP y LHCb) y la única universidad en Rusia que firmó un acuerdo de cooperación con la Organización Europea para la Investigación Nuclear, junto con el mejor portal ruso de ciencia popular N + 1, descubrió cómo, por qué y quién en el CERN buscan nueva física.
Material original aquíDespués de que el Gran Colisionador de Hadrones alcanzó su capacidad de diseño y el descubrimiento del bosón de Higgs en física, estalló una crisis: se completó la teoría principal de la física de partículas, el Modelo Estándar, no se encontraron desviaciones significativas de sus predicciones, y nadie sugirió una respuesta clara a la pregunta de dónde ir . Los científicos tuvieron que decidir dónde buscar una nueva física, una nueva teoría más general. Además, todas las frutas de bajo costo han sido estafadas durante mucho tiempo, cualquier experimento serio habría requerido grandes inversiones, y ¿quién iría a estos gastos a ciegas, sin el menor indicio de la posibilidad de éxito?
Puede intentar cambiar el "frente" y buscar procesos que no requieren altas energías, pero que ocurren muy raramente. Es por eso que el físico ruso Andrei Golutvin, que trabajó en el CERN durante muchos años, y sus colegas de NUST MISiS, Yandex y otras organizaciones elaboraron un proyecto económico para búsquedas en una nueva dirección.
Andrey GolutvinEn el experimento SHiP, buscarán rastros de partículas desconocidas, incluidas partículas de materia oscura, en un flujo de partículas del acelerador SPS filtrado por campos magnéticos, una capa de hormigón y metal de cinco metros. Quizás la enorme luminosidad, que nace una gran cantidad de partículas, nos permitirá ver una nueva física más rápido que las altas energías en aceleradores potentes.
Envío en SPS“En el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) intentaron encontrar la supersimetría. No ella, no visible. Y todos sabemos que necesitamos candidatos para la materia oscura. Por otro lado, sabemos que el modelo estándar es correcto. Por lo tanto, desea agregar nuevas partículas de tal manera que no se estropee el modelo estándar. El escenario más mínimo son los llamados modelos de portal. En ellos, se describen nuevas partículas utilizando operadores que están asociados con un operador ya presente en el Modelo Estándar a través de una constante muy pequeña ”, explica Andrey Golutvin.
Dado que los neutrinos interactúan muy débilmente con otras partículas, su detección requiere, en primer lugar, muchas colisiones y, en segundo lugar, garantizar un bajo nivel de ruido. Debido al uso del sincrotrón SPS durante cinco años del trabajo propuesto en el experimento, será posible usar aproximadamente 2 × 10 ^ 20 protones, y se usará un sistema especialmente desarrollado de imanes para reducir el ruido.
“Los experimentos SHiP se llaman experimentos de descarga de haces. En ellos quieres ver algo nuevo y organizar un volumen en el que no haya nada. Si ves algo, entonces esto es un descubrimiento. Hace unos 30-40 años, todos se dejaron llevar por el Gran Colisionador de Hadrones, y los experimentos de este tipo simplemente dejaron de hacerlo. En este momento, en particular, se desarrolló un haz muy intenso en SPS. Bueno, acabamos de darnos cuenta de que por relativamente poco dinero puedes verificar si existen tales modelos ”, dijo Andrei Golutvin.
Diseño de objetivos y detectoresSe planea enviar un haz de protones desde el sincrotrón SPS a un objetivo estacionario, que tendrá un grosor de aproximadamente 120 centímetros. Esto es suficiente para detener todos los protones. Durante la interacción de los protones con los núcleos y electrones del objetivo, nacerá un gran número de partículas nuevas, entre las cuales pueden aparecer partículas hipotéticas de materia oscura.
Esquema general del experimento SHiPLa complejidad del diseño del objetivo radica en el hecho de que cada siete segundos debe absorber aproximadamente 3 × 10 ^ 13 protones en un segundo, cada uno de los cuales tiene una energía de 400 gigaelectron-voltios. Esto corresponde a una potencia de salida del orden de megavatios (hasta 2.5 megavatios en el pico). Con un tamaño objetivo transversal de 30 centímetros, esto significa que deben eliminarse varios kilovatios de energía térmica de cada centímetro cuadrado.
Una solución a este problema se trató en NUST "MISiS". El objetivo consistirá en un conjunto de capas de metal con un grosor de 2.5 a 35 centímetros. La mitad de las capas estarán hechas de una aleación de molibdeno TZM menos densa, y el resto del blanco estará hecho de tungsteno.
Dmitry Karpenkov“Ahora se ha hecho un modelo de este objetivo. Es la mitad de lo necesario. Este es un prototipo. Pero el grosor de las placas ya está medido, porque aquí el parámetro principal es la longitud de interacción, porque necesitamos saber exactamente a qué profundidad nacen las partículas ", dice Dmitry Karpenkov, investigador principal de MISiS. Este prototipo se está probando en el sincrotrón SPS con un flujo de protones reducido. El propósito de estas pruebas es comprender mejor qué partículas ya conocidas nacen en el proceso de interacción para mejorar la protección del detector contra ellas.
El agua fluirá a través de los estrechos espacios entre ellos para enfriar las placas. Se estima que esto requerirá aproximadamente 50 litros de agua por segundo, o 180 toneladas por hora. Para aumentar aún más el punto de ebullición del agua a 200 grados Celsius, se suministrará a una presión de 15 atmósferas.
“El objetivo tiene una estructura relativamente simple. Esencialmente es solo un conjunto de cilindros metálicos delgados. Al comienzo del objetivo, se usan los más delgados, ya que existe la mayor liberación de calor y se requiere eliminar el calor más rápido. Estos cilindros están hechos de molibdeno, cuya densidad es dos veces menor que la del tungsteno. Si usáramos tungsteno aquí, simplemente se derretiría ”, continúa Karpenkov.
Diagrama de destino que muestra el grosor de todas las capas, vista lateralLa principal dificultad del experimento será la creación de condiciones con el menor ruido de fondo posible. Durante la interacción del flujo de protones con el objetivo, se formarán lluvias de partículas energéticas. La mayoría de ellos serán detenidos por cinco metros de concreto. Pero a la salida de él, los muones y los neutrinos que interactúan débilmente con la materia aún permanecerán.
El principal problema son los muones. Afortunadamente, estas son partículas cargadas que pueden ser desviadas por imanes. La dificultad radica en el hecho de que los muones pueden tener energías muy diferentes, y aquellos que se mueven relativamente lentamente pueden hacer una revolución completa en un campo magnético y regresar al detector. Para reducir el número de tales partículas y, al mismo tiempo, prescindir de un número relativamente pequeño de imanes, se desarrolló un arreglo especial de su ubicación en el NUST MISiS con la participación de la Yandex Data Analysis School.
Según Fedor Ratnikov, un investigador de Yandex, la tarea que tuvieron que resolver fue muy difícil: “Como resultado de la optimización, diría una forma muy inesperada de configuración y disposición de imanes. Hemos optimizado la reducción del fondo de muones al nivel deseado, al tiempo que minimizamos la masa de los imanes ".
La apariencia del diseño objetivoAndrey Ustyuzhanin, gerente de proyectos de Yandex-CERN, habló sobre el uso de redes neuronales para resolver estos problemas: “Se utilizaron métodos de aprendizaje automático para encontrar el circuito óptimo. Sin embargo, los métodos estándar resultaron ser inaplicables en este caso, por lo que tuvieron que modificarse sustancialmente ".
“A diferencia del entrenamiento de las redes neuronales, que utiliza el gradiente de errores de predicción, que le permite alcanzar sin problemas la configuración óptima, esto no se puede hacer aquí. Por lo tanto, debe confiar en métodos de optimización que no dependen de gradientes, por ejemplo, la optimización bayesiana. Hemos ampliado este enfoque asignando más peso a esos muones que contribuyen más al error de predicción. Este enfoque ha reducido significativamente el tiempo dedicado a buscar la mejor solución ”, explica Andrey Ustyuzhanin.
Después del sistema magnético, el diseño de la configuración experimental proporciona un túnel largo de 50 metros con un tamaño de sección transversal de 5 × 10 metros. Aquí ocurrirá una hipotética descomposición de neutrinos pesados en otras partículas.
Configuración de imán“[Partícula] no se puede liberar de todas las partículas, porque hay neutrinos comunes. De alguna manera interactúan con la sustancia, por lo que lo primero que debe hacer es eliminar el aire para que los neutrinos comunes no interactúen con este aire. Es decir, esta compleja estructura de ingeniería estará en el vacío ”, dice Andrei Golutvin.
Al final del túnel, se ubicarán los detectores reales, destinados a registrar los productos de descomposición de las hipotéticas partículas de materia oscura. Se supone que algunos de ellos se descompondrán en el túnel en un par de partículas conocidas, por ejemplo, muón y pión, que se registrarán.
Un diagrama de la dependencia de la fuerza de unión de los neutrinos pesados en su masa. El verde indica las restricciones inferiores obtenidas experimentalmente. El azul es la sensibilidad esperada del experimento SHiP. El área gris está prohibida teóricamente.Los autores del experimento esperan que todas las medidas tomadas aumenten la sensibilidad del detector miles de veces en comparación con lo que se logró en otras instalaciones. Esto significa que durante cinco años de operación, en el mejor de los casos, se registrarán varios miles de partículas necesarias, pero es más probable que hablemos de unos pocos eventos.
En el caso, si durante el tiempo de observación no se encuentran partículas desconocidas, esto reducirá los rangos de búsquedas adicionales. Y además, los estudios de los neutrinos tau poco estudiados se realizarán en el mismo detector. Estos datos ciertamente ayudarán a comprender mejor la física de los neutrinos y, posiblemente, conducirán a los científicos a nuevas ideas sobre dónde buscar una nueva física en el futuro.