Большой адронный коллайдер в 2022 году

Прошедший год был замечателен для Большого адронного коллайдера (БАК, LHC), расположенного в Европейской лаборатории частиц ЦЕРН (CERN) вблизи Женевы, по нескольким причинам. Прежде всего, в этом году отмечалось десятилетие открытия бозона Хиггса. Открытие состоялось на двух самых больших детекторах БАК — ATLAS и CMS. И ATLAS, и CMS опубликовали обзоры результатов своих исследований свойств открытой частицы в журнале Nature 4 июля, день объявления об открытии в 2012 г. (Nature 607, 52-59 и 60-68 (2022)). Основным итогом исследований явилась высокая степень соответствия измеренных свойств бозона Хиггсас массой 125 ГэВ предсказаниям Стандартной модели (СМ) как общей квантовой теории электрослабых и сильных взаимодействий. Выделены все основные каналы рождения бозона Хиггса (до шести) и основные моды распада (до десяти). Измерены константы взаимодействия фундаментальных частиц СМ (t и b кварков, ? и ? лептонов, W и Z бозонов) с бозоном Хиггса, в результате которых они приобретают свои массы. Они также согласуются с предсказаниями СМ. В статье CMS приводятся оценки сечения рождения пары бозонов Хиггса, которые определяют важный параметр — силу взаимодействие этих бозонов между собой. Сечения рождения пар очень малы, сложность выделения таких реакций высока. Тем не менее, полученные оценки сечений достигли уровня предсказания СМ и показывают согласие с ожиданиями.

Важно продолжать исследования бозона Хиггса, например, для измерения редких распадов, прямого измерения константы взаимодействия между собой, повышения точности измерения параметров. Это диктуется известными проблемами СМ, например, существованием масс у нейтрино, темной материи во вселенной и другими, которые предполагают, что СМ является лишь низкоэнергетическим приближением более точной теории, которую предстоит установить. Вероятность распадов бозона Хиггса на новые частицы из существующих измерений могут достигать 30%. Это много!Для решения этих проблем пока планируется увеличить объем существующих данных в 20 раз в последующих этапах развития БАК путем увеличения светимости коллайдера и энергиистолкновения протонов.

На этом пути отметим второе значимое событие прошедшего года на БАК — успешное начало третьего сеанса работы в июле 2022 г. Показанные выше результаты получены на данных второго сеанса (Run 2), собранных в 2015-2018 гг. при энергии столкновения протонов 13 ТэВ (тераэлектронвольт, 1 ТэВ соответствует около тысячи масс протона). В период между сеансами проводится обновление детекторов, совершенствование программных инструментов и анализ полного набора данных. Ограничения, обусловленные ковидом, осложнили проведение работ и начало нового сеанса задержалось минимум на год. Успехом нового запуска явились стабильная работа коллайдера и детекторов и увеличение энергии столкновения протонов с 13 до 13,6 ТэВ. Энергия каждого пучка протонов при этом возросла с 6,5 до 6,8 ТэВ. Плановая энергия пучка в 7 ТэВ оказалась не достигнутой, но светимость коллайдера, т.е. скорость сбора данных, вдвое превысила проектную и составила около 2, 5?1034 см-2с-1. При этом количество взаимодействующих пар протонов в детекторе ATLAS на отрезке около 5 см в 2022 г. в среднем составило более 40, что показывает сложность измерения рожденных во взаимодействиях частиц. Стоит напомнить, что первый запуск БАК в 2008 г. начался с аварии и первые физические результаты были получены на данных 2010-2011 гг. при энергии соударений протонов 7 ТэВ. Стабильная работа БАК проходила в 2012 г. при энергии соударений 8 ТэВ, когда был обнаружен сигнал новой частицы массой 125 ГэВ, что увенчало первый сеанс Run-1. Работу детекторов в этом сеансе сопровождала команда в комнате управления в количестве до 25 человек в круглосуточном режиме 24/7. Сейчас эти функции осуществляются в основном удаленно. Но период запуска детектора всегда проходит напряженно и торжественно, в присутствии большой команды. На рисунке 1 приведена фотография ЦЕРН момента ожидания старта сеанса Run-3 БАК в пункте управления детектора ATLAS.

Рис.1 Комната управления ATLAS в ожидании старта Run-3 5 июля 2022 г. Фото ATLAS_16.50.063ЦЕРН

Третьим значимым событием этого года является 30-летие эксперимента ATLAS. Состав участников эксперимента ATLAS от МГУ менялся со временем, как и текущие задачи эксперимента. Период проектирования и создания детектора ATLAS составил 17 лет, до 2008 г., только с рабочими отчетами, практически без публикаций. Это были многократные тесты материалов и модулей детекторов, контрольные процедуры производства элементов конструкции, моделирование физических процессов. Много внимания уделялось исследованиям радиационной стойкости материалов детекторов. На счет нашей группы в создании детектора TRT можно отнести замену состава активной газовой смеси на завершающем этапе строительства с целью повышения времени его устойчивой работы. Разрабатывалась и программа исследований В-мезонов, проводилось моделирование условий регистрации их распадов в детекторе.

В настоящее время множество новых результатов, помимо исследований бозона Хиггса, получено на данных второго сеанса Run-2, также согласующихся с СМ. Интереснейшие наблюдения выполнены в экспериментах LHCb и ALICE. В эксперименте LHCb исследовано более 60 новых адронов, мезонов и барионов, в состав которых входят тяжелые b и с кварки. Открыты новые адроны необычной структуры, состоящие из четырех или пяти кварков. Детально измерены свойства кварк-глюонной плазмы в ALICE, состояния вселенной на одном из ранних этапов развития.

В экспериментах ATLAS и CMS поиск новой физики концентрируется на наблюдении новых резонансов большой массы, которые могут служить переносчиками взаимодействия нового типа. Большое внимание уделяется анализу событий с аномальными свойствами, например, таких, где образуются частицы, не регистрируемые в детекторах. Примером такого события является изображение, приведенное на рис.2.

Рис.2. Картина столкновения протонов в детекторе ATLAS при энергии 13 ТэВ с образованием адронной струи с энергией 1,9 ТэВ (энерговыделение струи в калориметрах показано желтым и зеленым цветом). Компенсирующий импульс нейтральных незарегистрированных частиц составляет тоже 1,9 ТэВ, он показан пунктиром.

Особенностью события является большой дисбаланс измеряемых импульсов частиц в поперечной пучку плоскости. Возникла струя адронов большой энергии 1,9 ТэВ, поперечный импульс которой не скомпенсирован частицами в детекторе. Такие нерегистрируемые частицы предсказываются моделью суперсимметрии и могут отвечать за темную материю во вселенной.

Для таких событий определяются граничные оценки сечений для конкретных теоретических моделей. Они малы и находятся в диапазоне от сотни до долей фемтобарн (см., например, arXiv: 2102.10874), что переносит возможность их регистрации на будущее. Другим примером необычного поиска новых частиц является анализ пар струй, точка образования которых находится вне области пересечения пучков. Такому поиску способствуют большие размеры детектора ATLAS, диаметр которого достигает 25 м. Для разных предположений о массах частиц и процессах распадов получены ограничения для сечений их образования в зависимости от их времен жизни с? в диапазоне от 0,1 до 100 м (см., например, arXiv:2203.00587).

Автор заметки, ЦЕРН, период Run-2, февраль 2016 г.

Профессор Л.Н. Смирнова