Цивилизация
###1###Отличительные особенности детекторов ILC
Новые частицы, рождающиеся в результате столкновения электронных и позитронных сгустков, регистрируются детекторами — очень сложными устройствами, начиненными быстрой электроникой и состоящими из многих слоев. Новые частицы могут быть настолько короткоживущими, что регистрировать придется только продукты их распада. Свойства же этих новых частиц будут расшифровывать, реконструируя их из известных стабильных или долгоживущих частиц. Задача детектора — измерить траектории этих стабильных частиц, определить их энергию, заряд и массу. Каждый слой детектора, как правило, специализируется на определенном виде частиц. Ниже мы рассмотрим каждый из них в отдельности и объясним, как они взаимодействуют друг с другом.
В самом центре, непосредственно рядом с местом столкновения пучков, располагается так называемый вершинный детектор, состоящий из кремниевых кристаллов, разбитых на квадраты в несколько десятков микрометров. Пролетая через такой квадратик и ионизируя атомы кремния, частица оставляет след, который позволяет очень точно определить положение точки, откуда вылетела рожденная частица, и определить, является ли она первичной, то есть произведенной непосредственно в столкновении, или вторичной. Вторичные частицы часто появляются в результате распада «прекрасных» и «очарованных» кварков и являются надежными методами их идентификации.
Следующим слоем детектора может быть трековая система, например камера, заполненная газом, в котором создано продольное электрическое поле. Принцип работы такой камеры состоит в том, что частица ионизирует газ, ионы в электрическом поле дрейфуют к боковым стенкам и производят электрический сигнал, который регистрируется чувствительной электроникой. Измеряя время прихода этого сигнала, можно узнать, где появилась ионизация, и, соответственно, определить положение траектории частицы.
Чтобы определить импульс рожденных частиц, весь детектор помещается в очень сильное магнитное поле, производимое сверхпроводящим соленоидом. Частица в этом поле закручивается, и кривизна траектории помогает определить импульс частицы.
В случае же если рожденная частица нейтральна, помогает следующий слой детектора — калориметр, состоящий из плотного материала, чередующегося со сцинтиллятором (то есть веществом, излучающим свет при прохождении через него частицы). В плотном веществе частица интенсивно теряет энергию через электромагнитное и адронное взаимодействия, производя каскады вторичных частиц. Количество света, зарегистрированное сцинтиллятором, позволяет определить энергию такой частицы, даже если она нейтральна.
Наконец, самая внешняя система детектора, мюонная, служит для идентификации мюонов. Мюоны очень напоминают по свойствам электроны, но тяжелее их примерно в 200 раз. Они не вызывают каскадов в калориметре и поэтому могут его прошивать насквозь и попадать в мюонную систему.
Все системы детектора должны работать синхронно и между собой, и с ускорителем, чтобы можно было распутать, какому столкновению принадлежат данные каждой отдельной системы. Столкновения электронов и позитронов происходят каждые 300 наносекунд, и все системы должны быть достаточно быстрыми, чтобы уложиться в это время и не потерять информацию. Данные с детектора записываются на диски и анализируются с использованием компьютерных программ реконструкции.
Одной из самых сложных задач реконструкции является измерение энергии струй. В струях присутствуют как заряженные, так и нейтральные частицы. Наиболее точный метод, алгоритм потока частиц, пытается находить в струях заряженные и нейтральные частицы и оценивать их энергию отдельно. Энергия заряженных частиц может быть измерена гораздо более точно в трековой системе, чем в калориметре. Однако частицы в струях находятся так близко друг к другу, что необходима очень хорошая сегментация калориметра, чтобы избежать путаницы между разными частицами. Не менее сложными являются алгоритмы восстановления вершин распада частиц и их траекторий.
Анализ данных — это одна из наиболее интересных задач в физике частиц. Для точного измерения любой величины нужно хорошо знать измерительный инструмент, поэтому много внимания уделяется калибровкам детектора и определению его пространственного, временного и энергетического разрешения. Все это необходимо для эффективного выделения сигнала и подавления фона, то есть отделение интересующих нас новых событий от других событий, которые уже изучены и неинтересны в данный момент, но которые могут преобладать в данных и маскировать сигнал.
Поиск бозона Хиггса, рожденного вместе с Z–бозоном, является классическим примером анализа для линейного ускорителя. Диаграмма этого процесса приведена внизу.
Уникальной особенностью этого канала является возможность восстановления Хиггсовской частицы и точного измерения ее массы только по продуктам распада Z-бозона. Если выделить два мюона от распада Z-бозона и построить распределение по инвариантной массе отдачи, используя релятивистский закон сохранения энергии-импульса, то Хиггс проявится в этом распределении как явный резонансный пик, в то время как фоновые события будут иметь гладкое распределение. Обратите внимание, что для определения массы Хиггса нам не потребовалось знать, на какие частицы Хиггс распадается, то есть его регистрацию можно было произвести совершенно модельно независимо. Этот метод работает, даже когда Хиггс распадается в невидимые для детектора частицы. Данный анализ — это один из многих десятков возможных вариантов поиска новой физики на линейном коллайдере.
Коллайдер ILC будет оснащен двумя детекторами несколько разной конструкции, для того чтобы надежно гарантировать независимость измерений и исключить возможность ошибки при интерпретации данных. Сбор данных и их анализ будет производиться двумя независимыми коллаборациями. В отличие от LHC, где два универсальных детектора, ATLAS и CMS, установлены на пучке постоянно, в ILC место столкновения пучков только одно, и детекторы будут помещаться на пучок по очереди, меняясь каждые несколько месяцев. Причем такой «тянитолкай-обмен» детекторов должен производиться быстро, всего за несколько дней. С учетом того что каждый из детекторов высотой в 15 метров, весит более 10 тысяч тонн и требует высокой точности позиционирования, такая система требует особо тщательной инженерной проработки. Одним из отличий ILC является то, что электроны производят гораздо меньше радиации, чем протоны, и детектор, стоящий на пучке, будет также играть роль надежной защиты, позволяющей обслуживать второй детектор, стоящий в нескольких десятках метров в гаражной позиции.
Детекторы коллайдеров при каждом столкновении пучков регистрируют колоссальное количество информации.
Кстати, необходимость эффективного обмена и осуществления распределенной обработки информации, поступающей с детекторов, подтолкнула физиков к изобретению всемирной паутины: www был изобретен в CERN в 1991 году.
Как бы неожиданно это ни показалось читателю online-лекции, получением возможности такого доступа к информации мы во многом обязаны ускорителям.+++
###2###Влияние ILC на создание новой техники и развитие новых технологий
Успешное осуществление мегапроекта — создание ускорителя следующего поколения ILC, безусловно, предъявит совершенно новые требования к ускорительной и криогенной технике, к науке о новых материалах, к кристаллографии и послужит мощной движущей силой для поступательного и быстрого развития таких важных областей науки и техники, как ядерная энергетика, нанотехнологии, новые источники энергии, и для других перспективных направлений.
Осуществление проекта, который еще в недавнем прошлом был невозможен, двигает вперед не только науку и технологии, относящиеся непосредственно к проекту, но и позволяет применять разработанные методы в различных иных областях, причем сейчас даже нельзя представить весь спектр приложений. Опыт, приобретенный при производстве нескольких тысяч сверхпроводящих резонаторов, с большой вероятностью расширит круг применения эффекта сверхпроводимости в целом. Лазеры на свободных электронах либо источники нейтронов, построенные со сверхпроводящими резонаторами ILC, расширяют возможности исследований в области наук о материалах, химии, структурной биологии.
Технология ILC дает возможность ускорить протонный пучок настолько большой мощности, что он может быть использован для создания безопасного ядерного реактора, работающего на тории.
Работы над детектором элементарных частиц для ILC могут принести пользу даже в повседневной работе таможенника: за счет детекторных технологий, разработанных для обнаружения столкновений частиц, существенно повышается эффективность досмотра грузовых контейнеров. Разработанные детекторы также могут применяться для медицинских приложений и там, где необходимо сверхбыстрое формирование изображений.
Осознание этих технологических преимуществ подталкивает все новые и новые страны включаться в работу над проектом ILC, поскольку это не только дает возможность участия в исследованиях и стимулирования образования собственных научных кадров, но и дает доступ к технологиям, применимым в самых различных областях. Одними из недавно присоединившихся стран являются Индия и Китай, рассматривающие возможность применения технологий ILC в энергетике как один из важнейших стимулов.+++
###3###Что нового можно ожидать от ILC с точки зрения теоретической физики
Создание и успешная работа коллайдера ILC с учетом полученных на LHC результатов даст возможность получить ответы на многие важнейшие вопросы физики элементарных частиц, которые лежат в основе современного целостного, единого понимания микро и макромира. Среди этих вопросов можно выделить несколько наиболее актуальных. Это, безусловно, происхождение массы у элементарных частиц, а следовательно, и у всех окружающих нас предметов. В Стандартной модели, как и в ряде ее расширений, образование массы частиц обусловлено механизмом Хиггса и нарушением так называемой электрослабой симметрии, непременным следствием которых является бозон Хиггса — всем уже широко известная, но до сих пор еще не зарегистрированная экспериментально элементарная частица. Как мы уже обсуждали, тщательное исследование природы и свойств бозона Хиггса будет невозможно без ILC. Другой важнейшей нерешенной проблемой является проблема происхождения и природа так называемой темной, или скрытой, материи во Вселенной. Недавние измерения характеристик потоков космического излучения в экспериментах на спутниках не просто подтвердили существование темной материи, но позволили определить ее количество с высокой точностью.
В полном согласии с другими гравитационными и астрофизическими измерениями было получено, что суммарная масса темной материи примерно в пять раз превышает так называемую барионную массу, которая включает в себя массы всех звезд и массу межзвездной и межгалактической пыли.
Еще одной фундаментальной проблемой, решение которой пока не известно в полной мере, несмотря на интенсивные исследования, является проблема отсутствия антивещества во Вселенной и тесно связанная с ней проблема несохранения CP-четности, т. е. симметрии при зеркальном отражении и одновременной замене частиц на античастицы. Еще одной серьезной нерешенной проблемой является так называемая «проблема иерархий». На несколько упрощенном языке, проблема состоит в том, что пока непонятна связь двух существенно разных масштабов массы в природе — массы Планка, определяемой гравитационной постоянной в законе всемирного тяготения Ньютона и составляющей примерно 1019 ГэВ, и масштабом нарушения электрослабой симметрии, составляющим примерно 250 ГэВ (этот масштаб определяется константой четырехфермионного электрослабого взаимодействия, введенного и определенного Ферми для описания процесса слабого распада мюона на электрон, мюонное нейтрино и электронное антинейтрино, в котором участвуют четыре фермионных поля). Проблема в том, что квантовые поправки к массе бозона Хиггса в Стандартной модели весьма резко (квадратично) зависят от масштаба любой «новой физики», т. е. любого из возможных расширений СМ и, казалось бы, должны бы зависеть от огромной массы, определяемой константой гравитационного взаимодействия. Однако такого влияния не наблюдается, и совершенно непонятно, почему массы частиц СМ стабилизировались на электрослабом масштабе и не сдвигаются за счет квантовых поправок к существенно большим значениям.
Эти и ряд других проблем не находят решения в Стандартной модели, требуют создания новых теорий и моделей. При этом наиболее широко обсуждаемые варианты выхода за рамки СМ предлагают те или иные решения отмеченных проблем. В частности, они предлагают новые частицы, из которых могла бы состоять темная материя, которые должны быть для этого достаточно массивными, стабильными и слабо взаимодействовать в обычным веществом. Основными направлениями расширения СМ являются суперсимметрия (SUSY), дополнительные измерения пространства-времени и новая сверхсильная динамика частиц СМ, обладающих, в свою очередь, новой внутренней структурой. Конечно, при этом совершенно не исключено, что в природе реализуется что-то совершенно новое, выходящее за рамки основных современных представлений. Перед LHC и затем перед ILC стоит важнейшая задача поиска предсказываемых проявлений новых теорий за рамками СМ и проведение соответствующих прецизионных измерений.
Идеи SUSY снимают некоторые внутренние противоречия современной Стандартной модели как квантовой теории поля и лежат в основе новой фундаментальной теории элементарных частиц. В наиболее простом виде суперсимметрия означает симметрию между бозонами и фермионами, т. е. элементарными частицами с целым и полуцелым квантовым числом — спином. Если суперсимметрия является точной, то партнеры по спину, называемые суперпартнерами, должны иметь одинаковые квантовые числа (за исключением спина), константы взаимодействия и массы. До сих пор суперпартнеры частиц СМ не наблюдались в экспериментах. Поэтому если они существуют, то должны быть достаточно тяжелыми, а суперсимметрия, соответственно, должна быть достаточно сильно нарушена. Хотя детали предсказаний суперсимметричных расширений СМ зависят от того или иного механизма нарушения SUSY, во всех вариантах возникает самая легкая суперсимметричная частица, называемая LSP (Lightest Supersymmetric Particle), которая является кандидатом в частицы, из которых может быть образована темная материя. В наиболее реалистичных вариантах SUSY-моделей в качестве LSP выступает легчайшее нейтралино — это частица с определенной наименьшей массой, которая получается в результате смешивания двух нейтральных суперпартнеров фотона и Z-бозона, называемых фотино и зино, и двух суперпартнеров нейтральных бозонов Хиггса, называемых хиггсино.
Легчайшее нейтралино является стабильной, нейтральной, массивной и слабо взаимодействующей частицей, что полностью подходит на роль частицы темной материи.
В рамках SUSY можно реализовать возможность объединения слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий в одну единую универсальную силу. Ожидается, что первые указания на существование SUSY-партнеров будут получены на коллайдере LHC, далее, варьируя энергию ILC, можно будет детально исследовать спектр масс и свойства суперсимметричных частиц и определить фундаментальные параметры SUSY-модели. В частности, только с помощью ILC можно будет измерить массу LSP (нейтралино). На LHC можно будет определить лишь разность масс нейтралино и той суперсимметричной частицы, в распаде которой нейтралино рождается. Рис.12 показывает сечение рождения некоторых известных частиц и новых SUSY-частиц на линейном коллайдере в зависимости от энергии столкновений. Каждая линия на рисунке соответствует процессу рождения определенных частиц. Сечение рождения — это термин, отражающий, по сути, частоту возникновения этих частиц в столкновениях. Обратите внимание, что каждый процесс имеет свой порог: процесс возможен, когда энергия превышает суммарную массу всех рожденных частиц.
В современных вариантах теорий с дополнительными пространственными компактными измерениями предполагается наличие одной, двух или нескольких четырехмерных (три пространственные координаты и одна временнАя) мембран (которые называются браны), погруженных в многомерный мир и на которых, по предположению, в большей или меньшей степени сосредоточены — «живут» — частицы. В простейшем варианте только одна мембрана погружена в многомерное пространство с несколькими дополнительными компактными измерениями, на которой, по предположению, локализованы все поля СМ, и лишь гравитационное поле может распространяться во всем многомерном пространстве. Такая модель получила название ADD (названная по именам авторов Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali). В этой модели естественным образом появляются два масштаба — четырехмерный масштаб Планка и обратный радиус, задающий размер компактных измерений.
При этом оказывается, что многомерный масштаб Планка может быть существенно меньше 4-мерного масштаба Планка и не превышать существенно электрослабый масштаб. Таким образом, в модели весьма красиво решается проблема иерархии, упомянутая выше.
Модель предсказывает, что у гравитона на мембране, где находится наш мир, возникает множество близко расположенных возбужденных мод, называемых модами Калуца-Клейна (такое множество принято называть «башней», поскольку возрастающие по массе уровни расположены один над другим). В коллайдерных экспериментах наличие возбужденных мод гравитона приведет к процессам с рождением лептонов и струй и испусканием недетектируемой башни мод, что будет выглядеть как процессы с кажущимся нарушением законов сохранения энергии и импульса. Такие процессы можно будет зарегистрировать на LHC, но точности будут невысоки из-за большого количества фоновых процессов, например с рождением нейтрино, которые будут имитировать сигнал. На ILC выделение таких реакций из фонов и точность измерения параметров модели будут существенно лучше.
Другим классом популярных моделей последнего времени являются модели типа RS (Randall-Sundrum, по имени авторов), основанные на точном решении уравнений Эйнштейна для гравитации, взаимодействующей с двумя мембранами в пятимерном существенно неплоском пространстве-времени, в котором пятое измерение представляет собой окружность. В таких моделях те поля, которые распространяются в многомерном пространстве, на «нашей» мембране образуют башню возбужденных мод Калуцы-Клейна. В моделях этого класса решается проблема иерархий, самая легкая из возбужденных мод всех частиц является возможным кандидатом в частицы темной материи. В отличие от ADD-сценария, возбужденные моды разделены существенно большими интервалами, так что в области энергий ТэВ-коллайдеров могут быть доступными для исследования лишь 1–2 нижних возбужденных мод. Вновь ILC позволит не просто обнаружить резонанс, отвечающий возбужденной моде той или иной частицы, но и позволит детально изучить ее свойства. Если же окажется так, что масса даже первой моды настолько велика, что лежит вне области прямой регистрации на LHC, то что-то сказать о ее наличии на LHC можно будет по отклонениям в распределениях известных процессов. Такие деликатные отклонения выявить на LHC будет весьма сложно из-за больших вкладов фонов.
Высокая точность анализа данных, которую обеспечит ILC, даже в этом случае позволит провести достаточно детальное исследование возбужденных мод под порогом их рождения.
Схожая ситуация ожидается и для моделей, основанных на идеях неэлементарности существующих частиц и наличия новой сверхсильной динамики взаимодействий. Наиболее популярные модели в этом направлении основаны на последних идеях в области, романтично именуемой техницветом, — моделях типа «Little Higgs» и т. д. Во всех этих моделях возникают новые частицы и/или возбуждения существующих частиц, которые будут искать на LHC и затем на ILC, который позволит провести прецизионные исследования свойств новых состояний.
Подчеркнем еще раз, что во многих случаях, только основываясь на анализе данных LHC, будет очень сложно отличить предсказания одного класса новых моделей от другого. И только дальнейшие исследования на ILC позволят понять природу того нового объекта, который, может быть, будет открыт на LHC.
В качестве небольшого примера новой частицы, которая, если существует, не будет замечена на LHC, можно привести парафотон. Эта частица, предсказываемая в ряде моделей, похожа на обычный фотон, но как обычный фотон взаимодействует лишь с какими-то частицами нового, как говорят, скрытого сектора. С частицами нашего мира парафотон взаимодействует очень слабо. С учетом существующих экспериментальных ограничений парафотон может заметно взаимодействовать лишь с фермионами третьего поколения (в СМ все частицы делятся на поколения, и таких поколений три), преимущественно с топ-кварком. Обнаружить парафотон на LHC из-за фонов будет невозможно. Однако на ILC (в случае набора достаточно высокой светимости) такой объект можно будет зарегистрировать в процессе рождения пары топ- и антитоп-кварков с излучением невидимого в детекторе парафотона.
В заключительной лекции мы расскажем о том, как организована международная проектная группа ILC, какие варианты расположения ILC рассматриваются и когда ожидается решение о его размещении, а также представим вариант расположения вблизи Дубны, разработанный Объединенным институтом ядерных исследований (ОИЯИ), обсудив также проект НИКА, который может стать шагом к крупнейшему международному проекту.+++