От странности — к очарованию: как исследователи СПбГУ участвуют в проектах ЦЕРН

Исследования кварк-глюонной плазмы (КГП) — экстремального состояния материи — являются одним из основных направлений работы БАК. Согласно принятым в современной физике представлениям, в этом сверхгорячем и сверхплотном состоянии находилась ранняя Вселенная в первые микросекунды после Большого взрыва.

Эксперимент ALICE (A Large Ion Collider Experiment) путем лобовых столкновений ультрарелятивистских ядер позволяет воссоздать процесс появления кварк-глюонной плазмы. Установка ALICE — это огромный физический прибор, включающий в себя более 20 детекторных систем. По размеру она сопоставима с домом высотой 16 и длиной 26 метров, весит 10 тысяч тонн и располагается на глубине 56 метров под землей в одной из точек, где пересекаются пучки протонов и ядер, ускоряемых БАК.

В проекте ALICE сегодня трудятся 1933 ученых из 176 научных организаций 39 стран мира, в том числе группа исследователей, студентов и аспирантов лаборатории физики сверхвысоких энергий СПбГУ. Ученые Санкт-Петербургского университета стояли у истоков создания установки и регулярно предлагают различные решения для ее усовершенствования.

С 1992 года исследователи СПбГУ стали активными участниками международного сообщества физиков, занимавшихся созданием экспериментов на БАК. Тогда на мировой арене обсуждений концепции будущей установки ALICE для поиска и исследования кварк-глюонной плазмы в столкновениях ультрарелятивистских ядер победили две петербургские идеи.

Заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, доцент кафедры высоких энергий и элементарных частиц СПбГУ Григорий Феофилов, который на протяжении десяти лет (с 1992 по 2002 год) руководил проектом по разработке двух центральных систем ALICE

«Были приняты наши предложения по центральным детекторным системам ALICE, окружающим точку столкновения ядер и обеспечивающим очень точную регистрацию частиц, содержащих странные кварки. По теоретическим предсказаниям, появление странных и мультистранных частиц может быть одним из сигналов образования кварк-глюонной плазмы. Именно с тех пор СПбГУ участвует в работе международной научной коллаборации ALICE в ЦЕРН», — уточнил ученый.

Второй фундаментальный научный эксперимент ЦЕРН, в котором участвуют исследователи СПбГУ сегодня, — это NA61/SHINE (SPS Heavy Ion and Neutrino Experiment) на Протонном cуперсинхротроне (SPS), одном из ускорительных колец БАК. В эксперименте изучаются адронные конечные состояния, возникающие при взаимодействии различных частиц пучка (пионов, протонов и ядер бериллия, аргона и ксенона) с множеством фиксированных ядерных мишеней. В NA61/SHINE работают 140 физиков из 14 стран и 28 институтов. Основные цели эксперимента NA61/SHINE — исследование природы сильного взаимодействия, поиск критической точки ядерной материи и решение загадки кваркового конфайнмента.

«Нами движет интерес к исследованию в ультрарелятивистских столкновениях адронов процессов и механизмов множественного рождения частиц, и в том числе с образованием странных и мультистранных частиц. Сегодня мы участвуем в международном научном эксперименте в ЦЕРН NA61/SHINE, где идет сканирование фазовой диаграммы сильновзаимодействующей ядерной материи, что существенно углубляет картину исследований сильного взаимодействия», — добавил Григорий Феофилов.

В состав рабочей группы СПбГУ, участвующей в проектах ЦЕРН, входят как опытные ученые, так и молодые. Из 30 человек, задействованных в различных экспериментах, около половины — студенты и аспиранты. В 2019 и 2020 годах СПбГУ и ЦЕРН опубликовали 87 совместных статей в высокорейтинговых научных журналах, в том числе с участием молодых ученых.

Очаровательное «сердце» ALICE

СПбГУ принимал участие в создании кремниевого «сердца» ALICE — Внутренней трековой системы (ВТС). Разработка продолжалась 16 лет и велась международным коллективом из 15 научных организаций, включая СПбГУ — единственный на тот момент участник из России. ВТС — самая центральная детектирующая система установки ALICE, состоящая из сверхтонких (порядка 350 микрон) кремниевых пластинок. Система обеспечивает сверхточную регистрацию вершин распада странных и мультистранных гиперонов.

«Речь идет о частицах, содержащих один, два или три странных кварка и распадающихся, пролетев всего несколько сантиметров от точки рождения. К разработке конструкции ВТС предъявлялись чрезвычайно высокие требования, как к "линзам микроскопа", но только по общей радиационной прозрачности: то есть по необходимому общему минимуму любого вещества на пути частиц, вылетающих из точки столкновения ядер. И на 1992 год таких решений еще не существовало», — рассказал Григорий Феофилов.

«Это был чрезвычайно серьезный вызов, так как надо было обеспечить при минимуме вещества в рабочей зоне еще и съем до 10 кВт тепловой мощности от электроники, а также термомеханическую стабильность на уровне порядка 10 микрон для всех кремниевых сенсоров ВТС, которые регистрировали следы пролетевших через них частиц. Данные решения сложной задачи были разработаны в СПбГУ при участии ряда ведущих инженеров петербургских институтов (ЦКБМ, ВНИИМ, "Авангард", "Гранит"). Совместными усилиями международной команды ВТС была введена в работу в 2008 году. После запуска БАК именно на ней были получены сами первые физические результаты», — добавил ученый.

С 2008 по 2018 год ALICE стабильно работала на пучках Большого адронного коллайдера и вела регистрацию столкновений как протонов, так и ядер свинца, разогнанных почти до скорости света.

В 2020 году ЦЕРН начал тестирование обновленной установки ALICE на космических лучах. Ученые СПбГУ предложили несколько разработок для создания ВТС нового поколения — ВТС2 — и приняли участие в ее проверке.

Одна из целей обновления системы — возможность регистрировать «очарование», редкие процессы с рождением очарованных частиц. Для этого необходимо было сделать новую ВТС2 еще более точной.

Потребовалось создание высокоскоростной ВТС на новейших быстрых монолитных активных кремниевых пиксельных сенсорах (MAPS) и с новыми уникальными параметрами по радиационной прозрачности. В новую ВТС2 входят 24 тысячи пиксельных сенсоров MAPS толщиной 50 микрон и размером 15 на 30 миллиметров. Размер пикселя — 28 на 28 микрон, а один сенсор содержит 512 тысяч пикселей. Общая площадь сенсоров нового поколения — около 10 квадратных метров.

Ученые СПбГУ нашли решение, при котором ферма структуры поддержки с интегрированной системой охлаждения может весить всего несколько граммов при внушительных габаритах: например, панель длиной полтора метра имеет вес только 33 грамма. Эти сенсоры обеспечат рекордное разрешение для регистрации вершин распада частиц, содержащих очарованные и прелестные кварки. На оригинальные технологии сверхлегких, радиационно-прозрачных, углекомпозитных структур поддержки с интегрированными системами охлаждения, разработанные учеными, были получены патенты СПбГУ.

Во время тестирования новой версии Внутренней трековой системы ALICE были установлены и устранены технические неисправности, которые в будущем могли повлиять на работу всего комплекса. Так, команда инженеров СПбГУ разработала прочную и легкую углекомпозитную «ракету», которая позволила решить задачу общей поддержки ВТС2 и размещения сигнальных кабелей в центральной области установки ALICE. «Были проведены опытно-конструкторские работы по оптимизации, и сегодня новые решения СПбГУ обеспечивают функционирование всей новой ВТС2 эксперимента», — отметил Григорий Феофилов.

Новая ВТС2 два года проходила безостановочные испытания, которые велись — и ведутся — круглосуточно. Сотрудники СПбГУ отработали 42 смены ВТС в эксперименте ALICE в 2019 году и 20 рабочих смен в 2020 году, несмотря на ограничения, связанные с эпидемией COVID-19.

Даже во время пандемии в коллаборации ALICE продолжается интенсивная работа по анализу экспериментальных данных, накопленных в 2009–2018 годах, и представление результатов на конференциях, большинство из которых прошло, конечно, в онлайн-режиме. В 2020 году коллаборация опубликовала более 30 работ в ведущих научных журналах мира — примерно такое же количество статей ежегодно выходило и ранее.

Научный сотрудник кафедры ядерно-физических методов исследования СПбГУ, координатор физической рабочей группы PWG-CF (Physics Working Group on Correlations and Flow) в проекте ALICE Игорь Алцыбеев

Ученый добавил, что одним из главных научных результатов коллаборации за этот год можно считать высокоточные данные по взаимодействию между протонами и барионами, содержащими странные кварки. В столкновениях адронов на коллайдере эти частицы рождаются и вылетают из источника, имеющего размеры порядка одного фемтометра (10^-15 м), что позволяет экспериментально исследовать эффекты сильного взаимодействия между частицами с точностью, превышающей точность существующих численных моделей квантовой хромодинамики.

«Данные такого рода важны, в частности, для понимания процессов, происходящих в недрах нейтронных звезд. Отмечу, что группа СПбГУ принимала непосредственное участие в рецензировании статьи о результатах исследования, опубликованной в Nature, да и сами результаты были получены на основе данных Внутренней трековой системы, созданной при участии СПбГУ», — уточнил Игорь Алцыбеев.

Кроме участия в сборке и испытаниях ВТС2 в ЦЕРН ученые СПбГУ в 2020 году разработали концептуальные идеи для оптимизации уже следующей, третьей версии системы — ВТС3, основанной на применении новейших ультратонких (20 микрон) кремниевых сенсоров большой площади (140×140 миллиметров) и предназначенной для регистрации очарованных мезонов в столкновениях ядер на БАК. Новая концепция системы охлаждения для этих сенсоров предусматривает использование холодного газообразного азота либо охлажденного сухого воздуха с минимальными скоростями потока, что важно для исключения вибраций тонких сенсоров большой площади.

Отдельно исследуются решения по предотвращению образования конденсата в рабочей зоне. Работу над концепцией вместе с опытными учеными ведут аспирант Дмитрий Нестеров и магистрантка Алина Рахматуллина. Предложения, разработанные исследователями Университета, в 2020 году были направлены в Европейскую стратегию по физике высоких энергий, а в СПбГУ планируется продолжение этих перспективных работ в 2021–2025 годах — в том числе с участием студентов, аспирантов и молодых ученых.

После завершения в 2021 году модификации БАК ожидается десятикратное увеличение интенсивности пучков, что даст возможность регистрации редких процессов с рождением очарованных частиц. Это позволит вести также и углубленные исследования свойств кварк-глюонной плазмы.

Заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, доцент кафедры высоких энергий и элементарных частиц СПбГУ Григорий Феофилов

«Почему так интересны очарованные и прелестные частицы? Дело в том, что они содержат довольно тяжелые с- и b-кварки и поэтому не могут просто так образоваться в горячей кварк-глюонной плазме. Доминирующие процессы их довольно редкого рождения относятся к начальным стадиям взаимодействия адронов. И эти очарованные частицы могут служить средством "просвечивания", или "томографии", КГП».

«Поймать» рождение частиц

Помимо эксперимента ALICE, ученые СПбГУ активно участвуют в проекте ЦЕРН по исследованию сильного взаимодействия на NA61/SHINE — самой крупной в мире установке на фиксированной мишени по изучению процессов рождения частиц в столкновениях релятивистских ядер.

Эксперимент NA61/SHINE проводится на Протонном суперсинхротроне — относительно малом кольце Большого адронного коллайдера. Ученые СПбГУ внесли значительный вклад в создание уникального двухконтурного гелиевого ионопровода, который позволил в десять раз увеличить интенсивность пучка тяжелых ионов, и в разработку нового типа вершинного детектора для этой установки. Основные научные интересы группы СПбГУ и международной научной коллаборации NA61/SHINE концентрируются на исследовании фазового перехода между обычной адронной материей и кварк-глюонной плазмой. Кроме того, с участием ученых СПбГУ ведутся экспериментальные поиски гипотетической критической точки фазового перехода первого рода на фазовой диаграмме сильновзаимодействующей ядерной материи.

К оригинальным методикам исследований, разработанным в СПбГУ, относятся, в частности, анализ флуктуаций и так называемых дальних корреляций между наблюдаемыми величинами в удаленных областях фазового пространства, использование сильно-интенсивных переменных для определения свойств источников частиц, развитие теоретических подходов к анализу особенностей корреляционных функций, которые могут служить признаками нового физического явления — слияния кварк-глюонных струн.

Также исследование дальних корреляций, предложенное учеными СПбГУ, несет информацию о начальных стадиях образования кварк-глюонной плазмы, что важно для понимания процессов ее эволюции.

Разработкой новых методов анализа данных NA61/SHINE, развитием теоретических подходов активно и успешно занимаются молодые сотрудники лаборатории физики сверхвысоких энергий СПбГУ — аспирантка Дарья Прохорова, ассистент кандидат физико-математических наук Евгений Андронов и младший научный сотрудник Андрей Серяков, который с 2019 года также является официальным координатором по популяризации и ознакомительным визитам эксперимента NA61/SHINE в ЦЕРН.

Big data на службе физики

Работа по извлечению физических результатов из данных современных экспериментов требует тщательного подхода и больших затрат времени. Детальный анализ экспериментальных данных ALICE по протон-протонным столкновениям при нескольких энергиях БАК с использованием так называемых сильно-интенсивных переменных, исключающих тривиальные флуктуации, потребовал от аспиранта Андрея Ерохина более двух лет постоянной работы. В результате он получил новые данные, которые подтверждают гипотезу образования в протон-протонных столкновениях источников нового типа, отличающихся более высокой плотностью энергии — вследствие возможного образования струнных кластеров. Аспирантка СПбГУ Светлана Белокурова разрабатывает на основании струнного подхода оригинальную теоретическую модель, объясняющую образование в столкновениях адронов смеси кластеров кварк-глюонных струн, что может объяснить ряд наблюдаемых физических эффектов.

Еще одно направление, которое развивают молодые сотрудники лаборатории с 2016 года, — применение методов машинного обучения к анализу свойств кварк-глюонной среды. Современные подходы обработки больших объемов данных (big data и data mining), используемые в коммерции и банковском деле, нашли свое применение и в физике.

Например, их используют для обнаружения новых свойств процессов соударения релятивистских ядер, оптимизации параметров физических моделей, совершенствования эффективности трекинга, идентификации сортов частиц и отбора событий по центральности и даже для нахождения точных аналитических решений систем уравнений (исследование поддержано грантом РНФ № 17-72-20045, руководитель проекта — Игорь Алцыбеев).

Кроме того, научный сотрудник лаборатории физики сверхвысоких энергий СПбГУ Андрей Зароченцев уже более десяти лет является координатором всех российских сайтов, работающих в системе хранения и обработки данных ALICE. Это существенно помогает специалистам и студентам СПбГУ в доступе и обработке данных, поступающих с БАК. Это направление работы включает как поддержку российского сегмента ALICE в сети WLCG (Worldwide LHC Computing Grid), так и участие СПбГУ в разработке российского озера данных DataLake.

«Современные фундаментальные эксперименты настолько сложны, что требуются объединенные усилия теоретиков, экспериментаторов, инженеров и технологов, специалистов по IT. Важно, что на решении поставленных актуальных задач идет становление студентов и аспирантов СПбГУ, непосредственно включенных в исследовательскую работу. Также важно, что именно молодые сотрудники нашей лаборатории занимаются подготовкой уже следующего поколения физиков, рассказывая школьникам о своей работе, проводя для них мастер-классы и семинары. Эту преемственность петербургской школы физиков мы считаем необходимым поддерживать», — отметил Григорий Феофилов.