Поймать темную материю: как российские ученые сэкономили ЦЕРН более $1 млн
Российские специалисты научно-исследовательской лаборатории больших данных LAMBDA НИУ ВШЭ и Школы анализа данных «Яндекса» с помощью методов машинного обучения оптимизировали конструкцию магнита для строящегося детектора SHiP, с помощью которого в ЦЕРН планируют ловить частицы темной материи. Об этом представители ВШЭ сообщили Forbes.
В результате стоимость всей установки оказалась на 25% ниже ожидаемой изначально. По предварительной оценке, в результате российского изобретения детектор SHiP позволит ЦЕРН сэкономить более $1 млн, утверждает старший научный сотрудник лаборатории больших данных НИУ ВШЭ Федор Ратников. Он оговаривается, что точную выгоду можно будет подсчитать только после создания финальной сметы. Первые результаты ожидаются лишь к 2025 году, сейчас же эксперимент находится стадии разработки.
Чем, кроме финансовой выгоды, важна российская разработка и как она повлияет на отношения России и ЦЕРН?
Без оглядки на политику
Недавно Россия отозвала заявку на членство в ЦЕРН, но почти тут же Минобрнауки сообщило, что готовится новое соглашение, которое «будет иметь гораздо больший статус и значительно повысит уровень взаимодействия, чем ассоциированное членство в организации». Согласно условиям этого соглашения Россия будет принимать активное участие во второй фазе сооружения большого адронного коллайдера и всех экспериментов на этой установке, несмотря на то, что больше не будет иметь статус ассоциированного члена ЦЕРН.
Пока Россия и ЦЕРН разбираются, в каком статусе наша страна продолжит свое сотрудничество с европейской организацией, ученые изучают Вселенную и работают на вечность, не обращая внимания на страну происхождения. Алгоритмы «Яндекса» используются для поиска важных событий среди всех происходящих в Большом адронном коллайдере, университеты МИСиС и МИФИ также работают над созданием и апгрейдом его компонентов, ученые МГУ и других вузов работают над интерпретацией полученных экспериментальных данных и т. д.
Магниты для темной материи
Существующие детекторы не удовлетворяли потребностям ученых, с их помощью не удавалось обнаружить частицы темной материи, поэтому был задуман SHiP. Темной эта материя называется потому, что ее ученые никак не могут ее увидеть, даже несмотря на то, что фиксируют ее воздействия при взаимодействии галактик и объясняют ее существованием относительно быструю эволюцию Вселенной (например, наша Солнечная система начала образовываться через 9 млрд лет после Большого взрыва). Казалось бы, гигантский срок, но частиц, описываемых так называемой Стандартной моделью — протонов, фотонов, нейтрино и других, — не хватило бы для столь быстрого формирования первичного газопылевого облака.
Возможно, эксперимент также объяснит причины барионной асимметрии Вселенной, то есть причины, по которым видимая часть Вселенной преобладает над антивеществом, а на самом базовом уровне поможет понять, как Вселенная развивалась после Большого взрыва.
Выделяя главное
На данный момент большинство ученых пришли к заключению, что помимо известных частиц Вселенную наполняет темная материя, которая почти не взаимодействует с известными частицами, не испускает электромагнитного излучения, а потому ее почти невозможно зафиксировать. Одной из популярных гипотез, обосновывающей существование скрытого сектора элементарных частиц Вселенной, является модель «скрытой долины», говорится в сообщении ВШЭ. Согласно этой модели, мы не можем заметить скрытые там частицы в обычной жизни из-за существования энергетического барьера, который препятствует их взаимодействию с обычными элементарными частицами.
Однако если пучок протонов разогнать до колоссальной скорости (для этих целей и строился Большой адронный коллайдер), то столкнувшись с неподвижной мишенью, пучок разлетится на множество различных частиц, в том числе и частицы скрытого сектора. Ученых интересует только один тип таких частиц — vWIMP (очень слабо взаимодействующие массивные частицы). А все остальные — обычные нейтрино и мюоны — им мешают. Российские ученые придумали, как с этим бороться.
Новый детектор будет весить около 1000 т и создавать мощнейшее энергетическое поле, которое сможет отклонить 99,9999% мюонов, также он имеет камеру для фиксации нейтрино. Таким образом, сквозь него пройдут только необходимые исследователям частицы vWIMP, которые помогут заложить основы новой физики.
«Есть долина параметров — наша Стандартная модель, согласно которой у нас обеспечивается минимум энергии, необходимой для стабильности Вселенной, — поясняет старший научный сотрудник лаборатории больших данных НИУ ВШЭ Денис Деркач. — 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. Нам нужно собрать много таких частиц, и тогда мы сможем их экспериментально зарегистрировать».
Последней обнаруженной частицей, предсказанной Стандартной моделью, был бозон Хиггса, который был открыт в 2012 году, а в 2013-м Нобелевскую премию получили ученые, предсказавшие его свойства: Питер Хиггс и Франсуа Энглер. Однако Стандартная модель не способна объяснить все наблюдаемые экспериментальные факты, ученые рассчитывают найти темную материю и создать более полную теорию, которая сейчас условно называет новая физика. И как знать, кто будет среди лауреатов Нобелевской премии за ее открытие.