Будни на коллайдере

Над чем работают ученые ТПУ в крупнейшем научном центре мира

НАПОМНИМ, ПОЛИТЕХНИКИ УЧАСТВУЮТ В МОДЕРНИЗАЦИИ КРУПНЕЙШЕГО В МИРЕ УСКОРИТЕЛЯ ЧАСТИЦ — БОЛЬШОГО АДРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА (БАК). В БЛИЖАЙШИЕ ГОДЫ ЦЕРН ПЛАНИРУЕТ ПЕРЕЙТИ НА БОЛЕЕ ВЫСОКИЕ МОЩНОСТИ И УВЕЛИЧИТЬ СВЕТИМОСТЬ ПРОТОННОГО ПУЧКА КОЛЛАЙДЕРА В ДЕСЯТЬ РАЗ. ЭТО НЕОБХОДИМО ДЛЯ ПОИСКА НОВОЙ ФИЗИКИ, НАХОДЯЩЕЙСЯ ЗА ПРЕДЕЛАМИ СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ. ПОВЫШЕНИЕ МОЩНОСТИ ПУЧКА ПРОТОНОВ ПОЗВОЛИТ УЧЕНЫМ УВЕЛИЧИТЬ КОЛИЧЕСТВО СТОЛКНОВЕНИЙ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ И СРЕДИ ТРИЛЛИОНОВ ТАКИХ СТОЛКНОВЕНИЙ, ВОЗМОЖНО, НАЙТИ ТЕ, КОТОРЫЕ «РАССКАЖУТ» О ПРОЦЕССАХ, ПРОИСХОДЯЩИХ ЗА ПРЕДЕЛАМИ СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ, А ЗНАЧИТ — ДАДУТ НОВУЮ ИНФОРМАЦИЮ ОБ УСТРОЙСТВЕ НАШЕЙ ВСЕЛЕННОЙ.

Прежде чем усилить и без того самую мощную в мире ускорительную установку, необходимо подготовить к этому переходу все оборудование БАК — ускорители, детекторы, системы по обработке больших объемов данных (Big Data) и так далее, — чтобы оно не вышло из строя, работая на таких мощностях. Над обновлением отдельных частей огромного комплекса оборудования и систем ЦЕРНа, а также непосредственно над поиском темной материи сейчас и работают ученые ТПУ.

«Укрепление» алмазов и «настройка» на околосветовые скорости

«ЦЕРН — в первую очередь инженерная лаборатория, поэтому сотрудничество с Томским политехническим университетом для центра особенно важно», —Кристоф Шэфер, старший советник по связям ЦЕРНа с Российской Федерацией.

В коллаборации CMS — одном из крупнейших международных научных объединений в ЦЕРНе — группа ТПУ входит в состав проекта Beam Radiation Instrumentation and Luminosity (BRIL) по измерению характеристик пучка элементарных частиц.

Молодой ученый ТПУ Виталий Охотников, инженер научно-производственной лаборатории «Импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий», курирует в этом проекте работу по повышению надежности системы алмазных детекторов BCML (Beam Condition Monitor Leakage), предназначенной для того, чтобы в случае возникновения неисправностей автоматически отключить ускорители коллайдера. Например, если будет превышен уровень светимости и радиации его пучка.

— В связи с этим детекторы должны быть стабильны. Однако сейчас те, что уже были установлены на БАК, часто ведут себя непредсказуемо, не всегда удается понять причину различия в их рабочих характеристиках. Почему, например, из двух детекторов, созданных в одних условиях, со схожими начальными характеристиками, один быстро выходит из строя, а другой продолжает работать в тех же самых условиях много месяцев. Моя задача — выяснить, какие изменения происходят внутри детекторов во время работы коллайдера, чтобы затем сделать их устойчивее и предсказуемее в условиях высоких энергий усиленного пучка БАК. Кроме этого, мы планируем создать в ТПУ научную и техническую базу для того, чтобы уже самим выращивать усовершенствованные алмазные детекторы, более устойчивые к повышенным мощностям, на которые планирует перейти ЦЕРН в ближайшем будущем, — рассказывает Виталий Охотников.

Его коллега Антон Бабаев, научный сотрудник лаборатории разработки источников электромагнитного излучения Центра RASA на базе ТПУ, участвует в проекте BRIL по разработке другой группы детекторов, способных работать при экстремально высоких светимостях столкновений протонов.

Задача таких детекторов — фиксировать результаты столкновений сгустков протонов, движущихся в БАК навстречу друг другу с околосветовыми скоростями.

В дальнейшем ученые анализируют данные измерений, чтобы понять, каким именно образом происходит взаимодействие заряженных частиц, какие новые частицы при этом образуются, в каком количестве и так далее.

— Процесс калибровки (ред. — настройки) исследуемых нами детекторов происходит по данным специального эксперимента — ван дер меер-сканирования (вдМ). В его ходе измеряется интенсивность сигнала детектора в зависимости от расстояния между центрами сталкивающихся сгустков частиц. В последующем анализе данных определяются калибровочные константы каждого детектора, которые затем используются для определения светимости в основных экспериментах, таких как CMS, где исследуются свойства физического мира. Светимость после калибровки является характеристикой процесса и не зависит от детектора. В этом и заключается важность калибровки. Собственно, именно анализ данных вдМ-сканирования и является моей задачей. Кроме этого, мной проведены значительные усовершенствования в коде, используемом для анализа, устранен ряд ошибок, расширена функциональность. Проведено исследование систематических ошибок эксперимента, возникающих при взаимодействии сгустков заряженных частиц, — объясняет Антон Бабаев.

«Укрощение» протонов и поиск «темных миров»

«Создаваемые нами детекторы должны быть продуманы и правильно интегрированы на экспериментальной установке LHCb. Часто эти моменты недооцениваются. Именно поэтому инженерные работы — один из важных аспектов всего эксперимента, и мы рады сотрудничать в этой области с ТПУ», — Рольф Линднер, технический координатор эксперимента LHCb.

В Департаменте по ускорительным технологиям ЦЕРНа ученые ТПУ с коллегами из университета Роял Холлоуэй (Великобритания), Корнеллского университета (США) и ЦЕРНа разрабатывают новейшие методы диагностики и управления пучком протонов БАК. Среди них — устройство для предотвращения деградации пучка, датчики положения, длины и времени его прибытия. Заказчик работ — ЦЕРН — выделил на выполнение этих работ Томскому политеху 55 тысяч швейцарских франков.

Возглавляет работу научного коллектива профессор университета Роял Холлоуэй, заведующий лабораторией разработки источников электромагнитного излучения Центра RASA ТПУ Павел Каратаев. Он отмечает, что одна из серьезных проблем, которая существует в коллайдере, — это постепенная деградация пучка протонов. Для восстановления параметров пучка (его охлаждения) ученые предложили использовать дифракционное излучение Вавилова–Черенкова — установить возле пучка коллайдера радиатор, который благодаря черенковскому механизму будет «забирать» часть энергии пучка, таким образом охлаждая его.

А научный коллектив ТПУ под руководством профессора кафедры высшей математики и математической физики ТПУ Валерия Любовицкого в коллаборации NA64 занимается изучением главного вопроса, стоящего перед физиками после открытия бозона Хиггса, — о происхождении темной материи. Современная наука исходит из того, что видимая часть нашей Вселенной составляет лишь 5 %. Остальные 95 % — темный сектор (темная энергия (72 %) и темная материя (23 %)), увидеть который прямым путем наблюдения невозможно. Присутствие в нашем мире темной материи выдает лишь ее масса, создающая гравитационные поля, которые влияют на траектории движения звезд и галактик. За год политехникам и их коллегам удалось примерно на 25 % сузить зону поиска темного фотона — частицы-посредника между видимым миром и темной материей (ученые полагают, что обычные и темные фотоны могут смешиваться, именно это и позволяет взаимодействовать обычному и невидимому веществам).

Управление большими объемами данных

«За последние несколько лет ТПУ вступил в ведущие коллаборации ЦЕРНа и принимает активное участие в экспериментах. Также последние десятилетия вуз активно участвует в разработке методов диагностики пучков в рамках международного научного центра KEK. В 2016 году были подписаны меморандумы о взаимопонимании с научным центром DESY и с научным центром ЦЕРНа в области моделирования и разработки новых ускорительных технологий. Все это говорит о большом потенциале университета», — Максим Титов, член научного совета ЦЕРНа.

Переход на более высокие мощности подразумевает и то, что в внутри БАК будет происходить больше столкновений частиц друг с другом. А значит, системам по хранению и обработке данных ЦЕРНа предстоит еще больше работы. Ведь уже сейчас данные с коллайдера поступают в информационную систему центра терабайтами в секунду.

Над решением этой проблемы работает IT-департамент коллаборации ATLAS. Напомним, ATLAS — один из четырех основных экспериментов на БАК. Он предназначен для исследований в области физики элементарных частиц.

В коллаборации ATLAS молодые ученые ТПУ — Максим Губин, Татьяна Корчуганова и Валерий Парубец — работают над улучшением системы обработки данных коллайдера. Политехники занимаются улучшением качества систем, позволяющих физикам обрабатывать, анализировать и сохранять большие объемы данных; участвуют в создании единой системы публикаций ученых ЦЕРНа, которая позволит большому количеству научных групп видеть, с какими данными работают их коллеги из других объединений. Например, в разработке софта для выявления аномалий в вычислительной сети проекта ATLAS. Руководит работой научного коллектива ТПУ в IT-департаменте ATLAS Алексей Климентов, возглавляющий Лабораторию обработки и анализа больших объемов данных ТПУ, ведущий мировой специалист в области современных методов сбора, хранения, обработки и анализа данных для экспериментов и установок мега-сайнс-класса.

Виталина Михетко Инфографика: Иван Клёсов

Максим Титов, член научного совета ЦЕРНа, ведущий ученый в области физики высоких энергий, почетный профессор ТПУ

Изначально ТПУ зашел в ЦЕРН с инженерными компетенциями, а сейчас его ученые начинают выходить на уровень фундаментальных исследований. Двое студентов вуза уже работают с данными БАК. Впервые в истории Томска студенты принимают участие в такой серьезной работе. Отмечу, что в такую систему как ЦЕРН, очень непросто вписаться, придя со стороны. Вступая в нее, университет берет на себя обязательства, в том числе и финансовые. Мало просто прийти в ЦЕРН со своими компетенциями, важно суметь правильно интегрироваться в эту систему, определить свои дальнейшие точки роста. ЦЕРН — это крупнейшее в мире научное объединение, и если в этой системе не будет строгого порядка, она просто не сможет нормально функционировать. Поэтому важно понимать, как здесь все устроено.

Прежде всего должна быть выстроена строгая вертикаль. Молодые ученые со степенью PHD, подчиняющиеся своим научным руководителям, курируют здесь аспирантов, которые, в свою очередь, руководят работой магистрантов, а те — бакалавров. Когда университет выстраивает в ЦЕРНе такую вертикаль, приход сюда его студентов на стажировки и практики становится естественным и постоянным. И вступление студентов ТПУ в работу научных групп по физическому анализу — это как раз и есть первые ласточки, которые помогут в дальнейшем выстроить такую систему, которая поможет вузу наращивать компетенции своих студентов и молодых ученых.

Александр Вагнер, проректор по образовательной деятельности ТПУ

Столь же масштабного, грандиозного и амбициозного проекта, как ЦЕРН, сегодня просто не существует. Нигде больше вы не встретите такого количества ведущих ученых со всего мира. Все эксперименты и технологии ЦЕРНа существуют в единственном экземпляре, и для нас это уникальная возможность почерпнуть новейшие знания и навыки. Это позволит повысить компетенции не только сотрудников нашего вуза, но и уровень технологического развития региона и всей страны. Сейчас, к примеру, наши молодые ученые занимаются в ЦЕРНе физическим анализом данных, получаемых на БАК.

Поскольку у нас вуз преимущественно практический, сейчас в ТПУ нет таких компетенций в области физанализа, и мы хотим, чтобы у нас они появились, сформировались научные группы, которые будут в дальнейшем на обновленной установке заниматься такой работой. Также сейчас идет обсуждение других крупных физических экспериментов. Например, это проект Международного линейного коллайдера (англ. International Linear Collider, ILC), который планируют построить в Японии. В нем на очень больших скоростях будут сталкиваться уже не протоны, как в ЦЕРНе, а позитроны и электроны, вся кинетическая энергия которых при столкновении идет на зарождение новых частиц. Этот эксперимент более сложен технически, и мы надеемся, что приобретенные в ЦЕРНе компетенции позволят ученым ТПУ быть в авангарде таких передовых международных исследований.