Десять лет коллайдеру: как томские ученые работают с "частицей бога"

ТОМСК, 11 сен – РИА Томск. Мировая научная общественность накануне отметила 10-летие с официального запуска Большого адронного коллайдера (БАК). Благодаря ему было подтверждено существование бозона Хиггса, отвечающего за массу элементарных частиц. Как томские разработки улучшают точность экспериментов на коллайдере – в материале РИА Томск.

По данным СМИ, Большой адронный коллайдер официально был запущен 10 сентября 2008 года. Он построен на границе Швейцарии и Франции в туннеле с длиной окружности 27 километров. Стоимость проекта, по разным оценкам, превышает 6-8 миллиардов долларов. В июле 2012 года на коллайдере было подтверждено существование бозона Хиггса.

На этой экспериментальной установке – самой большой в мире – трудятся тысячи ученых со всего мира, в том числе из Томска.

На что распадается бозон Хиггса

Бозон Хиггса – это элементарная частица, которая была теоретически предсказана в 1964 году, ее существование подтвердили благодаря экспериментам на БАКе в 2012-м. В рамках эксперимента два протона сталкивали на скорости, близкой к скорости света. Они распадались на множество частиц, среди которых искали бозон Хиггса. Он, в свою очередь, с разной вероятностью распадается на разные "наборы" частиц.

После шести лет наблюдений ученые коллабораций ATLAS и CMS впервые зафиксировали распад бозона Хиггса на боттом-кварки (b-кварки). Это открытие является фундаментальным подтверждением Стандартной модели элементарных частиц и одним из наиболее значимых достижений ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям, в чьем "ведении" находится БАК) с момента открытия бозона Хиггса.

Сотрудники лаборатории экспериментальной физики высоких энергий Томского госуниверситета (ТГУ) помогали собирать данные, которые впоследствии анализировались и позволили зафиксировать распад.

ТГУ участвует в эксперименте ATLAS на Большом адронном коллайдере в CERN с 2015 года. Физики вуза под руководством Александра Ходинова исследуют процессы распадов бозона Хиггса на два мюона (мюон – более тяжелый аналог электрона. – Ред.). Их задачей также является модернизация мюонного спектрометра ATLAS, чтобы повысить его чувствительность для регистрации распадов бозона Хиггса.

Для этого ученые разрабатывают новые детекторы, оснащенные многофункциональными микросхемами.

"В каждом чипе размером 20 на 20 миллиметров размещены около 6 миллионов транзисторов, от надежной работы каждого из которых будут зависеть результаты всего эксперимента ATLAS в последующие 20 лет работы Большого адронного коллайдера", – сообщала ранее пресс-служба ТГУ со ссылкой на Ходинова.

В конце 2017 года коллектив ТГУ получил мегагрант правительства РФ на создание центра мирового класса по анализу данных Большого адронного коллайдера в CERN. До 2020 года в университете будет создан Центр анализа данных эксперимента ATLAS.

Ученые разработают специализированный инструмент – так называемый кластер для анализа данных – на базе университетского суперкомпьютера СКИФ Cyberia. Обрабатывать Big Data будут с использованием систем машинного обучения и искусственного интеллекта.

"Я тебя вижу"

Даже самый выдающийся эксперимент не будет иметь ценности, если его результат не может быть точно зафиксирован. Эту проблему в ЦЕРНе (а также других крупнейших мировых синхротронных центрах) решают томские детекторы на основе арсенида галлия, разработка которых началась в ТГУ в 1993 году под руководством Олега Толбанова.

Арсенид-галлиевые детекторы – это приемники синхротронного излучения, которые могут регистрировать единичные кванты рентгеновского излучения. Технология стала революцией в области экспериментальной физики.

"Синхротронное излучение имеет вполне определенную частоту, или энергию квантов. Мы создали материал, который чувствителен к единичным внешним воздействиям и позволяет регистрировать единичные кванты рентгеновского излучения. Технология довольно сложная: мы внедряем один атом хрома на миллион атомов галлия и мышьяка", – рассказывал Толбанов в интервью РИА Томск.

Такие детекторы считывают информацию, полученную в результате экспериментов, воспроизводят ее в виде импульсов электрического тока. А дальше специальная аппаратура усиливает их, оцифровывает и воспроизводит на мониторе компьютера. Функции детекторов условно можно сравнить с цифровым фотоаппаратом – только в других масштабах и диапазоне энергий.

В 2016 году швейцарская компания Dectris (один из мировых лидеров по производству оборудования для физических экспериментов) приобрела у ТГУ две лицензии на производство структур и детекторов из арсенида галлия. Это первый в истории современной России случай продажи за рубеж технологии, разработанной в вузе.

Апгрейд коллайдера

К 2020 году ЦЕРН планирует модернизацию БАК: предполагается увеличение светимости пучков протонов в 10 раз. Сейчас идет подготовка к этой модернизации: разрабатываются новые технологии, создаются прототипы устройств, способных работать при высоких радиационных нагрузках. Ученые Томского политеха (ТПУ) включились в один из таких проектов.

"Одна из серьезных проблем, которая существует в коллайдере, – постепенная деградация пучка протонов. Для восстановления параметров пучка используется синхротронное излучение, но этот процесс занимает очень длительное время – порядка 25 часов", – цитировала ранее пресс-служба ТПУ заведующего лабораторией разработки источников электромагнитного излучения Центра RASA ТПУ Павла Каратаева.

Ученые ТПУ вместе с зарубежными коллегами предложили использовать для восстановления параметров пучка (его охлаждения) дифракционное излучение Вавилова-Черенкова. В частности – установить возле пучка коллайдера радиатор, который благодаря черенковскому механизму будет "забирать" часть энергии пучка, таким образом охлаждая его.

Сам радиатор будет представлять собой большой диэлектрик (длиной около 20 метров), имеющий алмазное покрытие. По прогнозам политехников, такое охлаждение будет занимать порядка четырех часов. Сейчас создается рабочая теоретическая модель, и уже на основе ее появятся радиаторы, которые будут тестироваться на нескольких ускорителях в разных странах.

Надежный, как томский алмаз

Алмазные покрытия политехников также будут использоваться в проекте Beam Radiation Instrumentation and Luminosity (BRIL, коллаборация CMS) по измерению характеристик пучка элементарных частиц. В частности, в работе по повышению надежности системы алмазных детекторов, контролирующей работу коллайдера. Алмазные детекторы фиксируют неисправности в процессе экспериментов, и если, например, будет превышен уровень светимости и радиации, система автоматически отключит ускорители.

Однако алмазные детекторы, установленные на БАК сейчас, часто ведут себя непредсказуемо – один быстро выходит из строя, другой продолжает работать в тех же самых условиях много месяцев. Почему – не всегда ясно. Чтобы выяснить, какие изменения происходят внутри детекторов во время работы коллайдера, в ТПУ был прислан один из алмазных образцов.

Политехники сделали вывод, что, возможно, алмазные детекторы в ЦЕРНе ведут себя различно в одинаковых условиях из-за металлизации (когда на алмаз наносится тонкий слой металла). Для решения этой проблемы ученые ТПУ предложили синтезировать на непроводящем теле детектора алмазные слои, но уже с легированным (внедренным) в них бором. По сути, вырастить на алмазе другой алмаз с примесью бора.

Опытный образец уже установлен на БАК. В 2019 году он будет извлечен, и ученые оценят его изменения. Если результаты эксперимента окажутся положительными, это позволит в будущем модернизировать и другие алмазные детекторы ЦЕРНа.

Еще одна задача политехников – создать у себя научную и техническую базу, чтобы уже самим выращивать усовершенствованные алмазные детекторы, более устойчивые к повышенным мощностям, на которые планирует перейти ЦЕРН в ближайшем будущем.