O NITU MISiS, participante direto de dois experimentos do CERN (SHiP e LHCb) e a única universidade da Rússia que assinou um acordo de cooperação com a Organização Européia de Pesquisa Nuclear, juntamente com o melhor portal de ciência popular russo N + 1, descobriu como, por que e quem no CERN, eles estão procurando uma nova física.
Material original aquiDepois que o Large Hadron Collider atingiu sua capacidade de projeto e a descoberta do bóson de Higgs na física, uma crise estourou: a principal teoria da física de partículas - o Modelo Padrão - foi concluída, nenhum desvio significativo de suas previsões foi encontrado e ninguém sugeriu uma resposta clara para a questão de onde ir. . Os cientistas tiveram que decidir onde procurar uma nova física, uma nova teoria mais geral. Além disso, todas as frutas pendentes foram arrancadas há muito tempo, qualquer experimento sério exigiria enormes investimentos, e quem hoje pagaria cegamente essas despesas, sem a menor sugestão da possibilidade de sucesso?
Você pode tentar mudar a “frente” e procurar processos que não exijam altas energias, mas ocorrem muito raramente. É por isso que o físico russo Andrei Golutvin, que trabalhou no CERN por muitos anos, e seus colegas da NUST MISiS, Yandex e outras organizações criaram um projeto econômico para buscas em uma nova direção.
Andrey GolutvinNo experimento SHiP, eles procurarão traços de partículas desconhecidas, incluindo partículas de matéria escura, em um fluxo de partículas do acelerador SPS filtrado por campos magnéticos, uma camada de cinco metros de concreto e metal. Talvez a enorme luminosidade - um grande número de partículas nascendo - nos permita ver uma nova física mais rapidamente do que altas energias em aceleradores poderosos.
SHiP on SPS“No LHC (Large Hadron Collider), eles tentaram encontrar supersimetria. Não ela, não visível. E todos sabemos que precisamos de candidatos para a matéria escura. Por outro lado, sabemos que o modelo padrão está correto. Portanto, você deseja adicionar novas partículas de forma a não estragar o modelo padrão. O cenário mais mínimo são os chamados modelos de portal. Nelas, novas partículas são descritas usando operadores associados a um operador já presente no modelo padrão por meio de uma constante muito pequena ”, explica Andrey Golutvin.
Como os neutrinos interagem muito fracamente com outras partículas, sua detecção requer, em primeiro lugar, muitas colisões e, em segundo lugar, para garantir um baixo nível de ruído. Devido ao uso do síncrotron SPS por cinco anos do trabalho proposto no experimento, será possível usar cerca de 2 × 10 ^ 20 prótons, e um sistema de ímãs especialmente desenvolvido será usado para reduzir o ruído.
“Os experimentos SHiP são chamados de experimentos de despejo de feixe. Neles, você deseja ver algo novo e organizar um volume no qual não há nada. Se você vir algo, isso é uma descoberta. Cerca de 30 a 40 anos atrás, todos foram levados pelo Large Hadron Collider, e experimentos desse tipo simplesmente pararam de acontecer. Neste momento, em particular, um feixe muito intenso no SPS foi desenvolvido. Bem, acabamos de perceber que, com relativamente pouco dinheiro, você pode verificar se existem modelos assim ”, disse Andrei Golutvin.
Projeto de alvo e detectorUm feixe de prótons do síncrotron SPS está planejado para ser enviado a um alvo estacionário, que terá uma espessura de cerca de 120 centímetros. Isso é suficiente para parar todos os prótons. Durante a interação de prótons com núcleos e elétrons do alvo, um grande número de novas partículas nascerá, entre as quais partículas hipotéticas de matéria escura podem vir a ser.
Esboço geral do experimento SHiPA complexidade do design do alvo reside no fato de que a cada sete segundos ele deve absorver cerca de 3 × 10 ^ 13 prótons em um segundo, cada um dos quais com uma energia de 400 gigaelétrons-volts. Isso corresponde a uma saída de energia da ordem de megawatts (até 2,5 megawatts no pico). Com um tamanho de alvo transversal de 30 centímetros, isso significa que vários quilowatts de energia térmica devem ser removidos de cada centímetro quadrado dela.
Uma solução para esse problema foi tratada na NUST “MISiS”. O alvo consistirá em um conjunto de camadas de metal com uma espessura de 2,5 a 35 centímetros. Metade das camadas será feita de uma liga de molibdênio TZM menos densa e o restante do alvo será feito de tungstênio.
Dmitry Karpenkov“Agora um modelo deste alvo foi feito. É metade do necessário. Este é um protótipo. Mas a espessura das placas já está medida, porque aqui o principal parâmetro é o comprimento da interação, porque precisamos saber exatamente em que profundidade as partículas nascem ”, diz Dmitry Karpenkov, pesquisador sênior do MISiS. Este protótipo está sendo testado no síncrotron SPS com um fluxo de prótons reduzido. O objetivo desses testes é entender melhor o que as partículas já conhecidas nascem no processo de interação, a fim de melhorar a proteção do detector contra elas.
A água fluirá através dos espaços estreitos entre eles para resfriar as placas. Estima-se que isso exija cerca de 50 litros de água por segundo, ou 180 toneladas por hora. Para aumentar ainda mais o ponto de ebulição da água para 200 graus Celsius, ele será fornecido sob uma pressão de 15 atmosferas.
“O alvo tem uma estrutura relativamente simples. É essencialmente apenas um conjunto de cilindros finos de metal. No início do alvo, são utilizados os mais finos, pois há maior liberação de calor e é necessário remover o calor mais rapidamente. Esses cilindros são feitos de molibdênio, cuja densidade é duas vezes menor que a do tungstênio. Se usássemos tungstênio aqui, ele simplesmente derreteria ”, continua Karpenkov.
Diagrama de alvo mostrando a espessura de todas as camadas, vista lateralA principal dificuldade do experimento será a criação de condições com o menor ruído de fundo possível. Durante a interação do fluxo de prótons com o alvo, formarão chuvas de partículas energéticas. A maioria será parada por cinco metros de concreto. Mas na saída dele, múons e neutrinos interagindo fracamente com a matéria ainda permanecerão.
O principal problema é múons. Felizmente, são partículas carregadas que podem ser desviadas por ímãs. A dificuldade reside no fato de que os múons podem ter energias muito diferentes, e aqueles que se movem relativamente lentamente podem fazer uma revolução completa em um campo magnético e retornar ao detector. Para reduzir o número de partículas e, ao mesmo tempo, dispensar um número relativamente pequeno de ímãs, um arranjo especial de sua localização foi desenvolvido no NUST MISiS com a participação da Yandex Data Analysis School.
Segundo Fedor Ratnikov, pesquisador da Yandex, a tarefa que eles tiveram que resolver foi muito difícil: “Como resultado da otimização, eu diria uma forma inesperada de configuração e disposição dos ímãs. Otimizamos a redução do fundo de múons para o nível desejado, minimizando a massa de ímãs. ”
A aparência do design de destinoAndrey Ustyuzhanin, gerente de projetos da Yandex-CERN, falou sobre o uso de redes neurais para resolver esses problemas: “Métodos de aprendizado de máquina foram usados para encontrar o circuito ideal. No entanto, métodos padrão acabaram se tornando inaplicáveis neste caso, portanto tiveram que ser substancialmente modificados. ”
“Ao contrário do treinamento de redes neurais, que usa o gradiente de erros de previsão, o que permite alcançar sem problemas a configuração ideal, isso não pode ser feito aqui. Portanto, você precisa confiar em métodos de otimização que não dependem de gradientes, por exemplo, otimização bayesiana. Expandimos essa abordagem atribuindo mais peso aos múons que contribuem mais para o erro de previsão. Essa abordagem reduziu significativamente o tempo gasto na busca da melhor solução ”, explica Andrey Ustyuzhanin.
Após o sistema magnético, o design da instalação experimental prevê um longo túnel de 50 metros com um tamanho de seção transversal de 5 × 10 metros. Aqui ocorrerá uma decadência hipotética de neutrinos pesados em outras partículas.
Configuração do ímã“[Partículas] não podem ser libertadas de todas as partículas, porque existem neutrinos comuns. De alguma forma, eles interagem com a substância, então a primeira coisa a fazer é remover o ar para que os neutrinos comuns não interajam com esse ar. Ou seja, essa complexa estrutura de engenharia ficará no vácuo ”, diz Andrei Golutvin.
No final do túnel, os detectores reais serão localizados, com o objetivo de registrar os produtos de decomposição de partículas hipotéticas de matéria escura. Supõe-se que alguns deles se decomponham no túnel em um par de partículas conhecidas, por exemplo, múon e pion, que serão registrados.
Um diagrama da dependência da força de ligação de neutrinos pesados em sua massa. Verde indica as restrições mais baixas obtidas experimentalmente. Azul é a sensibilidade esperada do experimento SHiP. A área cinza é proibida teoricamente.Os autores do experimento esperam que todas as medidas tomadas aumentem a sensibilidade do detector milhares de vezes em comparação com o que foi alcançado em outras instalações. Isso significa que ao longo de cinco anos de operação, na melhor das hipóteses, vários milhares de partículas necessárias serão registradas, mas é mais provável que falemos de apenas alguns eventos.
No caso, se durante o tempo de observação partículas desconhecidas não forem encontradas, isso reduzirá os intervalos de pesquisas adicionais. Além disso, estudos dos neutrinos de tau mal estudados serão conduzidos no mesmo detector. Esses dados certamente ajudarão a entender melhor a física dos neutrinos e, possivelmente, levarão os cientistas a novas idéias sobre onde procurar a nova física no futuro.