Российские учёные помогут сэкономить коллегам из ЦЕРН
Стоимость всей установки оказалась на 25% ниже ожидаемой изначально.
Специалисты научно-исследовательской лаборатории больших данных LAMBDA НИУ ВШЭ и Школы анализа данных Яндекса смогли существенно снизить стоимость будущего детектора SHiP. Его планируют построить для поиска частиц ответственных за пока необъяснимые явления во Вселенной. Основываясь на методах машинного обучения, исследователи предложили наиболее эффективную конфигурацию магнитов, цель которых — защищать детектор от фоновых частиц. Специалисты не только уменьшили размеры магнита, но и сократили количество частиц, мешающих проведению эксперимента. В результате стоимость всей установки оказалась на 25% ниже ожидаемой изначально. Результаты работы представлен
ы в Journal of Physics: Conference Series.
Бозон Хиггса, открытый в 2012 году, завершил Стандартную модель (СМ), которая описывает строение и взаимодействие элементарных частиц. Однако, СМ не рассказывает, например, об источнике тёмной материи, не может объяснить наблюдаемую барионную асимметрию Вселенной, не включает в себя гравитацию. Для решения этих задач после 2020 года в Европейском центре ядерных исследований (CERN) планируется запуск нового эксперимента — SHiP (Search for Hidden Particles). С его помощью ученые надеются обнаружить очень слабовзаимодействующие массивные частицы (vWIMP — very Weakly Interacting Massive Particles). Физики-теоретики предполагают, что именно такими могут быть частицы тёмной материи.
Предполагается, что существуют и другие частицы, помимо уже известных нам в рамках Стандартной модели. Но из-за слабости взаимодействия с частицами СМ они образуются очень редко, и поэтому до сих пор их было сложно наблюдать. Модель «Hidden Valley» является одной из гипотез, которая объясняют существование этого скрытого сектора элементарных частиц Вселенной. Согласно предсказаниям «Hidden Valley», мы не замечаем некоторые частицы из-за существования энергетического барьера. Он препятствует их взаимодействию с уже известными элементарными частицами СМ. Статья на эту тему была опубликована в 2006 году и называлась «Отголоски скрытой долины в адронных коллайдерах» (Echoes of a hidden valley at hadron colliders).
«Есть долина параметров, наша Стандартная модель, в ней обеспечивается минимум энергии, необходимый для стабильности Вселенной, — поясняет Денис Деркач, старший научный сотрудник лаборатории больших данных НИУ ВШЭ. Раз Вселенная не распадается, то соответственно, мы находимся в устойчивом состоянии, а устойчивое состояние возможно только в минимуме энергии. Частицы из другой долины могут проникать в нашу, это перемещение называется туннельный эффект, Но это происходит так редко, что в существующих экспериментах мы этого не замечаем. Необходимо собрать достаточное количество подобных частиц, и тогда мы сможем их экспериментально зарегистрировать».
Цель эксперимента SHiP и заключается в том, чтобы найти подобные частицы. Собранные данные позволят получить новую информацию о возможном строении скрытого сектора Вселенной. В эксперименте пучки протонов будут разгонять в протонном суперсинхротроне в ЦЕРН. При взаимодействии пучка с неподвижной мишенью образуется множество различных частиц, в том числе и частицы скрытого сектора. Затем, большинство образованных частиц захватывается поглотителем, установленным за мишенью. Сквозь него проходят только слабовзаимодействующие с веществом частицы: обычные это нейтрино и мюоны, а также исследуемые vWIMP частицы.
Стоит отметить, что мюоны являются наиболее опасным фоном для наблюдения vWIMP частиц. Для его подавления в эксперименте SHiP впервые применена уникальная технология активной мюонной защиты. В ней очистка от потока мюонов происходит с помощью отклонения в магнитном поле и увода их от чувствительной области детектора, а не за счет их поглощения, как это бывало раньше.
Магниты для этой защиты будут произведены в России. Их общий вес составит около 1000 тонн, и они будут создавать рекордное для теплых магнитов поле в 1.8 Тесла. Международная команда исследователей применила методы машинного обучения для оптимизации формы и положения магнитов. В основе метода лежит использование Гауссовых процессов для стохастической оптимизации. Активная защита позволит увести 99,9999% мюонов из чувствительной области детектора.
«Мы оптимизировали такие параметры, как полную массу магнита, а значит и стоимость магнитов, и количество мюонов, которые смогут просочиться сквозь или в обход защиты в чувствительную область детектора. На данный момент машинный алгоритм предложил решение, которое на 25% легче. И при этом даже уменьшив количество мюонов в зоне детектора. Хотя детектор еще не существует, мы можем предсказать, что в найденной конфигурации защита обойдется на четверть дешевле, а это более миллиона швейцарских франков» — рассказывает Фёдор Ратников, старший научный сотрудник лаборатории больших данных НИУ ВШЭ.
Незаряженные частицы vWIMP будут проходить через магнитный щит без отклонений и распадаться в вакуумной части непосредственно перед детектором, состоящим из трекеров, калориметров и мюонных камер. Кроме того, в детектор входит эмульсионная камера, нацеленная на поиск следов нейтрино. В перспективе такая конфигурация позволит исследовать наиболее недоступные части физики за рамками Стандартной модели.
Сейчас эксперимент SHiP находится стадии разработки, первые результаты ожидаются к 2025 году.