Perubahan depan: mengapa memukul aliran proton ke dinding beton setebal lima meter

NITU MISiS, yang merupakan peserta langsung dalam dua percobaan CERN (SHiP dan LHCb) dan satu-satunya universitas di Rusia yang menandatangani perjanjian kerjasama dengan Organisasi Eropa untuk Riset Nuklir, bersama dengan portal sains populer Rusia terbaik N +1, menemukan cara, mengapa dan siapa di CERN mereka mencari fisika baru.

Bahan asli di sini

Setelah Large Hadron Collider mencapai kapasitas desainnya dan penemuan bos Higgs dalam fisika, krisis pecah: teori utama fisika partikel - Model Standar - selesai, tidak ada penyimpangan signifikan dari prediksi yang ditemukan, dan tidak ada yang menyarankan jawaban yang jelas untuk pertanyaan ke mana harus pergi . Para ilmuwan harus memutuskan di mana harus mencari fisika baru, teori baru yang lebih umum. Terlebih lagi, semua buah-buahan yang menggantung rendah telah lama ditipu, percobaan serius apa pun akan membutuhkan investasi besar, dan siapa yang hari ini akan pergi ke pengeluaran ini secara membabi buta, tanpa sedikit pun petunjuk kemungkinan keberhasilan?

Anda dapat mencoba mengubah "depan" dan mencari proses yang tidak membutuhkan energi tinggi, tetapi jarang terjadi. Itulah mengapa fisikawan Rusia Andrei Golutvin, yang bekerja di CERN selama bertahun-tahun, dan rekan-rekannya dari NUST MISiS, Yandex dan organisasi lain membuat proyek ekonomis untuk pencarian ke arah baru.

Andrey Golutvin

Dalam percobaan SHiP, mereka akan mencari jejak partikel yang tidak diketahui, termasuk partikel materi gelap, dalam aliran partikel dari akselerator SPS yang disaring oleh medan magnet, lapisan beton dan logam sepanjang lima meter. Mungkin luminositas besar - sejumlah besar partikel yang dilahirkan - akan memungkinkan kita untuk melihat fisika baru lebih cepat dari energi tinggi pada akselerator yang kuat.

SHiP di SPS

“Di LHC (Large Hadron Collider) mereka mencoba menemukan supersimetri. Bukan dia, tidak terlihat. Dan kita semua tahu bahwa kita membutuhkan kandidat untuk materi gelap. Di sisi lain, kita tahu bahwa Model Standar sudah benar. Karena itu, Anda ingin menambahkan partikel baru sedemikian rupa agar tidak merusak Model Standar. Skenario paling minim adalah yang disebut model portal. Di dalamnya, partikel-partikel baru dijelaskan menggunakan operator yang dikaitkan dengan operator yang sudah ada dalam Model Standar melalui konstanta yang sangat kecil, ”jelas Andrey Golutvin.

Karena neutrino berinteraksi sangat lemah dengan partikel lain, deteksi mereka membutuhkan, pertama, banyak tabrakan, dan kedua, untuk memastikan tingkat kebisingan yang rendah. Karena penggunaan synchrotron SPS selama lima tahun dari pekerjaan yang diusulkan dalam percobaan, dimungkinkan untuk menggunakan sekitar 2 × 10 ^ 20 proton, dan sistem magnet yang dikembangkan secara khusus akan digunakan untuk mengurangi kebisingan.

“Eksperimen SHiP disebut eksperimen beam-dump. Di dalamnya Anda ingin melihat sesuatu yang baru dan mengatur volume di mana tidak ada. Jika Anda melihat sesuatu, maka ini adalah penemuan. Sekitar 30-40 tahun yang lalu, semua orang terbawa oleh Large Hadron Collider, dan eksperimen seperti ini berhenti dilakukan. Pada saat ini, khususnya, sinar yang sangat kuat di SPS dikembangkan. Yah, kami baru sadar bahwa untuk uang yang relatif sedikit Anda dapat memeriksa apakah ada model seperti itu, ”kata Andrei Golutvin.

Desain target dan detektor

Sinar proton dari sinchrotron SPS direncanakan akan dikirim ke target stasioner, yang akan memiliki ketebalan sekitar 120 sentimeter. Ini cukup untuk menghentikan semua proton. Selama interaksi proton dengan nuklei dan elektron target, sejumlah besar partikel baru akan lahir, di antaranya, partikel hipotetis materi gelap dapat berubah menjadi.


Garis besar umum percobaan SHiP

Kompleksitas desain target terletak pada kenyataan bahwa setiap tujuh detik ia harus menyerap sekitar 3 × 10 ^ 13 proton dalam satu detik, yang masing-masing memiliki energi 400 gigaelektron-volt. Ini sesuai dengan output daya dari urutan megawatt (hingga 2,5 megawatt pada puncaknya). Dengan ukuran target melintang 30 sentimeter, ini berarti bahwa beberapa kilowatt energi panas harus dihilangkan dari setiap sentimeter persegi.
Solusi untuk masalah ini ditangani di NUST "MISiS". Target akan terdiri dari satu set lapisan logam dengan ketebalan 2,5 hingga 35 sentimeter. Setengah dari lapisan akan dibuat dari paduan molybdenum TZM yang kurang padat, dan sisanya dari target akan dibuat dari tungsten.


Dmitry Karpenkov

“Sekarang model target ini telah dibuat. Itu setengah dari yang diperlukan. Ini adalah prototipe. Tetapi ketebalan pelat di dalamnya sudah diukur, karena di sini parameter utamanya adalah panjang interaksi, karena kita perlu tahu persis pada kedalaman apa partikel itu dilahirkan, ”kata Dmitry Karpenkov, peneliti senior di MISiS. Prototipe ini sedang diuji di synchrotron SPS dengan fluks proton tereduksi. Tujuan dari tes ini adalah untuk lebih memahami partikel apa yang sudah diketahui dilahirkan dalam proses interaksi untuk meningkatkan perlindungan detektor dari mereka.

Air akan mengalir melalui celah sempit di antara mereka untuk mendinginkan piring. Diperkirakan ini akan membutuhkan sekitar 50 liter air per detik, atau 180 ton per jam. Untuk lebih meningkatkan titik didih air hingga 200 derajat Celcius, itu akan disuplai di bawah tekanan 15 atmosfer.

“Targetnya memiliki struktur yang relatif sederhana. Ini pada dasarnya hanya satu set silinder logam tipis. Pada awal target, yang lebih tipis digunakan, karena ada pelepasan panas terbesar dan diperlukan untuk menghilangkan panas lebih cepat. Silinder ini terbuat dari molibdenum, yang kepadatannya dua kali lebih rendah dari tungsten. Jika kami menggunakan tungsten di sini, itu akan meleleh, ”lanjut Karpenkov.

Diagram target menunjukkan ketebalan semua lapisan, tampilan samping

Kesulitan utama dari percobaan ini adalah penciptaan kondisi dengan kebisingan latar belakang serendah mungkin. Selama interaksi fluks proton dengan target, hujan partikel energetik akan terbentuk. Kebanyakan dari mereka akan dihentikan oleh lima meter beton. Tetapi pada saat keluar dari sana, muon dan neutrino yang lemah berinteraksi dengan materi akan tetap ada.
Masalah utama adalah muon. Untungnya, ini adalah partikel bermuatan yang dapat dibelokkan oleh magnet. Kesulitannya terletak pada kenyataan bahwa muon dapat memiliki energi yang sangat berbeda, dan mereka yang bergerak relatif lambat dapat membuat revolusi penuh dalam medan magnet dan kembali ke detektor. Untuk mengurangi jumlah partikel tersebut dan, pada saat yang sama, mengeluarkan jumlah magnet yang relatif kecil, pengaturan khusus lokasi mereka dikembangkan di NUST MISiS dengan partisipasi Sekolah Analisis Data Yandex.

Menurut Fedor Ratnikov, seorang peneliti dari Yandex, tugas yang harus mereka selesaikan sangat sulit: “Sebagai hasil optimasi, saya akan mengatakan bentuk konfigurasi dan pengaturan magnet yang sangat tidak terduga. Kami telah mengoptimalkan pengurangan latar belakang dari muon ke level yang diinginkan, sambil meminimalkan massa magnet. "

Penampilan desain target

Andrey Ustyuzhanin, manajer proyek di Yandex-CERN, berbicara tentang penggunaan jaringan saraf untuk memecahkan masalah ini: “Metode pembelajaran mesin digunakan untuk menemukan rangkaian yang optimal. Namun, metode standar ternyata tidak dapat diterapkan dalam kasus ini, jadi mereka harus banyak dimodifikasi. ”

“Berbeda dengan pelatihan jaringan saraf, yang menggunakan gradien kesalahan prediksi, yang memungkinkan Anda untuk mencapai konfigurasi optimal dengan lancar, ini tidak dapat dilakukan di sini. Oleh karena itu, Anda harus mengandalkan metode pengoptimalan yang tidak bergantung pada gradien, misalnya, optimasi Bayesian. Kami telah memperluas pendekatan ini dengan memberikan bobot lebih kepada muon yang memberikan kontribusi lebih besar pada kesalahan prediksi. Pendekatan ini secara signifikan mengurangi waktu yang dihabiskan untuk mencari solusi terbaik, ”jelas Andrey Ustyuzhanin.

Setelah sistem magnetik, desain pengaturan eksperimental menyediakan terowongan sepanjang 50 meter dengan ukuran penampang 5 × 10 meter. Di sini peluruhan hipotetis neutrino berat menjadi partikel lain akan terjadi.


Konfigurasi Magnet

“[Partikel] tidak dapat dibebaskan dari semua partikel, karena ada neutrino biasa. Entah bagaimana mereka berinteraksi dengan zat, jadi hal pertama yang harus dilakukan adalah menghilangkan udara sehingga neutrino biasa tidak berinteraksi dengan udara ini. Artinya, struktur teknik yang rumit ini akan berada dalam ruang hampa, ”kata Andrei Golutvin.

Di ujung terowongan, detektor yang sebenarnya akan ditempatkan, bertujuan untuk merekam produk peluruhan partikel materi gelap hipotetis. Diasumsikan bahwa beberapa dari mereka akan terurai dalam terowongan menjadi sepasang partikel yang diketahui, misalnya muon dan pion, yang akan didaftarkan.


Diagram ketergantungan kekuatan pengikat neutrino berat pada massa mereka. Hijau menunjukkan kendala yang diperoleh lebih rendah secara eksperimental. Biru adalah sensitivitas yang diharapkan dari percobaan SHiP. Area abu-abu dilarang secara teoritis.

Para penulis percobaan berharap bahwa semua tindakan yang diambil akan meningkatkan sensitivitas detektor ribuan kali dibandingkan dengan apa yang dicapai dalam instalasi lain. Ini berarti bahwa selama lima tahun beroperasi, paling baik, beberapa ribu partikel yang diperlukan akan didaftarkan, tetapi kemungkinan besar kita hanya akan membicarakan beberapa peristiwa saja.

Dalam kasus ini, jika selama waktu pengamatan, partikel yang tidak diketahui tidak ditemukan, maka ini akan mempersempit rentang pencarian lebih lanjut. Selain itu, studi tentang neutrino yang kurang dipelajari akan dilakukan pada detektor yang sama. Data ini tentu akan membantu untuk lebih memahami fisika neutrino dan, mungkin, akan mengarahkan para ilmuwan ke ide-ide baru tentang ke mana harus mencari fisika baru di masa depan.