NITU MISiS, qui participe directement à deux expériences du CERN (SHiP et LHCb) et la seule université en Russie qui a signé un accord de coopération avec l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, ainsi que le meilleur portail russe de science populaire N + 1, ont compris comment, pourquoi et qui au CERN, ils recherchent une nouvelle physique.
Matériel d'origine iciAprès que le grand collisionneur de hadrons a atteint sa capacité de conception et la découverte du boson de Higgs en physique, une crise a éclaté: la théorie principale de la physique des particules - le modèle standard - a été achevée, aucun écart significatif par rapport à ses prédictions n'a été trouvé, et personne n'a suggéré de réponse claire à la question de savoir où aller. . Les scientifiques devaient décider où chercher une nouvelle physique, une nouvelle théorie plus générale. De plus, tous les fruits bas ont été longtemps arrachés, toute expérience sérieuse aurait nécessité d'énormes investissements, et qui aujourd'hui irait aveuglément à ces dépenses, sans le moindre soupçon de possibilité de succès?
Vous pouvez essayer de changer le «front» et rechercher des processus qui ne nécessitent pas d'énergies élevées, mais qui se produisent très rarement. C'est pourquoi le physicien russe Andrei Golutvin, qui a travaillé au CERN pendant de nombreuses années, et ses collègues de NUST MISiS, Yandex et d'autres organisations ont proposé un projet économique pour des recherches dans une nouvelle direction.
Andrey GolutvinDans l'expérience SHiP, ils rechercheront des traces de particules inconnues, y compris des particules de matière noire, dans un flux de particules provenant de l'accélérateur SPS filtré par des champs magnétiques, une couche de cinq mètres de béton et de métal. Peut-être que l'énorme luminosité - un grand nombre de particules en train de naître - nous permettra de voir la nouvelle physique plus rapidement que les hautes énergies sur des accélérateurs puissants.
SHiP sur SPS«Au LHC (Large Hadron Collider), ils ont essayé de trouver la supersymétrie. Pas elle, pas visible. Et nous savons tous que nous avons besoin de candidats pour la matière noire. D'un autre côté, nous savons que le modèle standard est correct. Par conséquent, vous souhaitez ajouter de nouvelles particules de manière à ne pas gâcher le modèle standard. Le scénario le plus minimal est ce que l'on appelle les modèles de portail. Dans celles-ci, de nouvelles particules sont décrites à l'aide d'opérateurs associés à un opérateur déjà présent dans le modèle standard à travers une très petite constante », explique Andrey Golutvin.
Étant donné que les neutrinos interagissent très faiblement avec d'autres particules, leur détection nécessite, d'une part, de nombreuses collisions, et d'autre part, d'assurer un faible niveau de bruit. En raison de l'utilisation du synchrotron SPS pendant cinq ans des travaux proposés dans l'expérience, il sera possible d'utiliser environ 2 × 10 ^ 20 protons, et un système d'aimants spécialement développé sera utilisé pour réduire le bruit.
«Les expériences SHiP sont appelées expériences de vidage de faisceau. En eux, vous voulez voir quelque chose de nouveau et organiser un volume dans lequel il n'y a rien. Si vous voyez quelque chose, alors c'est une découverte. Il y a environ 30 à 40 ans, tout le monde a été emporté par le Grand collisionneur de hadrons, et les expériences de ce type ont tout simplement cessé de faire. A cette époque, en particulier, un faisceau très intense au SPS a été développé. Eh bien, nous venons de réaliser que pour relativement peu d'argent, vous pouvez vérifier s'il existe de tels modèles », a déclaré Andrei Golutvin.
Conception de cible et de détecteurIl est prévu d'envoyer un faisceau de protons du synchrotron SPS vers une cible fixe, qui aura une épaisseur d'environ 120 centimètres. C'est suffisant pour arrêter tous les protons. Au cours de l'interaction des protons avec les noyaux et les électrons de la cible, un grand nombre de nouvelles particules vont naître, parmi lesquelles, des particules hypothétiques de matière noire pourraient se révéler être.
Aperçu général de l'expérience SHiPLa complexité de la conception de la cible réside dans le fait qu'elle doit absorber toutes les sept secondes environ 3 × 10 ^ 13 protons en une seconde, dont chacun a une énergie de 400 gigaélectrons-volts. Cela correspond à une puissance de sortie de l'ordre des mégawatts (jusqu'à 2,5 mégawatts en pointe). Avec une taille cible transversale de 30 centimètres, cela signifie que plusieurs kilowatts d'énergie thermique doivent être retirés de chaque centimètre carré de celui-ci.
Une solution à ce problème a été traitée au NUST «MISiS». La cible consistera en un ensemble de couches métalliques d'une épaisseur de 2,5 à 35 centimètres. La moitié des couches sera constituée d'un alliage de molybdène TZM moins dense et le reste de la cible sera en tungstène.
Dmitry Karpenkov«Maintenant, un modèle de cet objectif a été créé. C'est moitié moins que nécessaire. Ceci est un prototype. Mais l'épaisseur des plaques qu'elle contient est déjà mesurée, car ici le paramètre principal est la longueur d'interaction, car nous devons savoir exactement à quelle profondeur les particules naissent », explique Dmitry Karpenkov, chercheur principal au MISiS. Ce prototype est en cours de test au synchrotron SPS avec un flux de protons réduit. Le but de ces tests est de mieux comprendre quelles particules déjà connues naissent dans le processus d'interaction afin d'améliorer la protection du détecteur contre elles.
L'eau s'écoulera à travers les espaces étroits entre eux pour refroidir les plaques. On estime que cela nécessitera environ 50 litres d'eau par seconde, soit 180 tonnes par heure. Pour augmenter encore le point d'ébullition de l'eau à 200 degrés Celsius, il sera alimenté sous une pression de 15 atmosphères.
«La cible a une structure relativement simple. Il s'agit essentiellement d'un ensemble de minces cylindres métalliques. Au début de la cible, des plus minces sont utilisés, car il y a le plus grand dégagement de chaleur et il est nécessaire d'éliminer la chaleur plus rapidement. Ces cylindres sont en molybdène, dont la densité est deux fois inférieure à celle du tungstène. Si nous utilisions du tungstène ici, il fondrait simplement », poursuit Karpenkov.
Diagramme cible montrant l'épaisseur de toutes les couches, vue latéraleLa principale difficulté de l'expérience sera la création de conditions avec le bruit de fond le plus faible possible. Pendant l'interaction du flux de protons avec la cible, des averses de particules énergétiques se formeront. La plupart d'entre eux seront arrêtés par cinq mètres de béton. Mais à sa sortie, les muons et les neutrinos qui interagissent faiblement avec la matière resteront.
Le principal problème est celui des muons. Heureusement, ce sont des particules chargées qui peuvent être déviées par des aimants. La difficulté réside dans le fait que les muons peuvent avoir des énergies très différentes, et ceux qui se déplacent relativement lentement peuvent faire une révolution complète dans un champ magnétique et retourner au détecteur. Afin de réduire le nombre de ces particules et, en même temps, de se passer d'un nombre relativement faible d'aimants, un arrangement spécial de leur emplacement a été développé au NUST MISiS avec la participation de la Yandex Data Analysis School.
Selon Fedor Ratnikov, un chercheur de Yandex, la tâche qu'ils ont dû résoudre était très difficile: «Du fait de l'optimisation, je dirais une forme très inattendue de configuration et d'agencement des aimants. Nous avons optimisé la réduction de l'arrière-plan des muons au niveau souhaité, tout en minimisant la masse des aimants. »
L'apparence de la conception cibleAndrey Ustyuzhanin, chef de projet au Yandex-CERN, a parlé de l'utilisation des réseaux de neurones pour résoudre ces problèmes: «Des méthodes d'apprentissage automatique ont été utilisées pour trouver le circuit optimal. Cependant, les méthodes standard se sont révélées inapplicables dans ce cas, elles ont donc dû être substantiellement modifiées. »
«Contrairement à la formation des réseaux de neurones, qui utilise le gradient d'erreurs de prédiction, qui vous permet d'atteindre en douceur la configuration optimale, cela ne peut pas être fait ici. Par conséquent, vous devez vous fier à des méthodes d'optimisation qui ne reposent pas sur des gradients, par exemple, l'optimisation bayésienne. Nous avons élargi cette approche en attribuant plus de poids aux muons qui contribuent davantage à l'erreur de prédiction. Cette approche a considérablement réduit le temps passé à rechercher la meilleure solution », explique Andrey Ustyuzhanin.
Après le système magnétique, la conception de l'installation expérimentale prévoit un long tunnel de 50 mètres avec une taille en coupe de 5 × 10 mètres. Ici, une désintégration hypothétique de neutrinos lourds en d'autres particules se produira.
Configuration de l'aimant«[Les particules] ne peuvent pas être débarrassées de toutes les particules, car il existe des neutrinos ordinaires. Ils interagissent d'une manière ou d'une autre avec la substance, donc la première chose à faire est d'éliminer l'air afin que les neutrinos ordinaires n'interagissent pas avec cet air. Autrement dit, cette structure d'ingénierie complexe sera dans le vide », explique Andrei Golutvin.
Au bout du tunnel, les véritables détecteurs seront localisés, destinés à enregistrer les produits de désintégration des particules hypothétiques de matière noire. On suppose que certains d'entre eux se décomposeront dans le tunnel en une paire de particules connues, par exemple, le muon et le pion, qui seront enregistrées.
Un diagramme de la dépendance de la force de liaison des neutrinos lourds à leur masse. Le vert indique les contraintes inférieures obtenues expérimentalement. Le bleu est la sensibilité attendue de l'expérience SHiP. La zone grise est théoriquement interdite.Les auteurs de l'expérience s'attendent à ce que toutes les mesures prises augmentent la sensibilité du détecteur des milliers de fois par rapport à ce qui a été réalisé dans d'autres installations. Cela signifie que sur cinq ans de fonctionnement, au mieux, plusieurs milliers de particules nécessaires seront enregistrées, mais il est plus probable que nous ne parlerons que de quelques événements.
Dans le cas, si pendant la période d'observation, des particules inconnues ne sont pas trouvées, cela réduira les plages de recherches supplémentaires. Et d'ailleurs, des études sur les neutrinos tau mal étudiés seront menées sur le même détecteur. Ces données aideront certainement à mieux comprendre la physique des neutrinos et, éventuellement, amèneront les scientifiques à de nouvelles idées sur où chercher de la nouvelle physique à l'avenir.