Яндекс в новом эксперименте ЦЕРНа: как найти тёмную материю всего за 13 лет

Несмотря на то, что физиков иногда пытаются представить консервативными, на деле они только и ждут того, чтобы найти что-то, что выходит за пределы нынешнего понимания природы. Но у них давно такого не получалось.

В очередной раз надежды на обновление Стандартной модели разрушились после того, как в ЦЕРНе нашли бозон Хиггса. И несмотря на то, что, по мнению Стивена Хокинга, это открытие сделало физику скучнее, проблемы, которые Стандартная модель объяснить не может, всё еще остаются. Одна из них — какая частица может стать кандидатом на тёмную материю? Как вы знаете, она содержится во Вселенной, но увидеть её мы не можем.

И вот учёные в ЦЕРНе начинают новый эксперимент — SHiP (Search for Hidden Particles). Если такие частицы обнаружат, то Стандартную модель можно расширить. Это будет означать, что наше представление о структуре и эволюции Вселенной может поменяться. А учёные вполне могут претендовать на Нобелевскую премию. Проводить астрофизические исследования для SHiP будет космический телескоп Astro-H. Яндекс для этого эксперимента не только предоставит ЦЕРНу свои технологии машинного обучения: студенты и исследователи Школы анализа данных Яндекса будут работать совместно с его учёными.

Сотрудничество Яндекса и ЦЕРНа началось в 2011 году, когда мы предоставили ему свои сервера. В 2012 году мы разработали для организации поисковый сервис, который использовался в рамках одного из четырех основных экспериментов ЦЕРНа на Большом адронном коллайдере — Large Hadron Collider beauty experiment (LHCb). В 2013 году ученые-физики получили возможность использовать нашу собственную технологию машинного обучения — Матрикснет. Тогда же Яндекс стал ассоциированным членом европейского Центра ядерных исследований в рамках проекта CERN openlab.



Два года назад в Яндексе выступал Андрей Голутвин, научный консультант директора ЦЕРНа. Это было ровно за день до того, как было официально объявлено об обнаружении бозона Хиггса. А на прошлой неделе Андрей на специальном семинаре рассказал о новом эксперименте SHiP, в котором уже на этапе планирования предполагается использование технологий и знаний Яндекса. Лекция состоит из пяти частей:

• зачем нужен эксперимент SHiP,
• проблемы Стандартной модели,
• как устроен детектор и что он должен измерить,
• как создаётся международная коллаборация для создания и проведения большого эксперимента,
• основные этапы эксперимента,
• что коллаборация SHiP ожидает от Яндекса.

Подробная расшифровка — под катом.

Зачем нужен эксперимент SHiP

Любой физик-экспериментатор пытался в жизни что-то открыть. И идея поиска частиц такого сорта не нова. Вы видите на этом распределении результаты большого количества экспериментов, которые уже пытались их обнаружить. Обычно эти результаты представляются в виде двумерного распределения. По одной оси расположена некая величина, которая характеризует, с какой силой эти новые частицы взаимодействуют с известными частицами, а по другой шкале отложена масса этих частиц. И вот здесь виден результат очень большого количества экспериментов, которые поставили довольно впечатляющие пределы на отсутствие таких частиц.





Оказалось, что Стандартная модель очень хорошо работает и описывает фактически все явления в микромире, физике частиц. И оказывается, этот микромир не очень-то и сложный, несмотря на огромное количество разных экспериментальных частиц. Вы, конечно, все слышали о протонах, нейтронах, электронах, мюонах. На самом деле фундаментальных частиц очень мало. Это так называемые фермионы (всего известно шесть фундаментальных фермионов лептонов и шесть кварков).



Из этих кварков можно построить все остальные мезоны, которые мы сегодня знаем. Взаимодействие между этими фундаментальными фермионами описываются с помощью трех сил:

• Электромагнитные взаимодействия. Описывают взаимодействия заряженных частиц.
• Слабые взаимодействия. В них участвуют лептоны ( например, нейтрино, электроны, мюоны. Но электроны и мюоны участвуют еще и в электромагнитных взаимодействиях, потому что они — заряженные), кварки.
• Сильные взаимодействия. В них участвую кварки. Они нужны, чтобы можно было создать протон и нейтрон.

Итак, есть шесть фундаментальных лептонов – электрон, мюон, тау-лептон и три соответствующих нейтрино. Нейтрино — это частицы с очень маленькой массой. Они участвуют только в слабых взаимодействиях, потому что нейтрино электрически нейтральны.

И есть шесть кварков: up, down, charm, strange, top и bottom. Оказывается, что между свойствами лептонов и кварков очень много общего, и принято говорить, что есть три поколения лептонов и кварков: первое, второе и третье. На самом деле, свойства электрона и нейтрино, свойства мюона и нейтрино, свойства тау-лептона и тау-нейтрино абсолютно одинаковые. Чем они различаются? Только своей массой. Масса мюона примерно в 200 раз больше, чем электрона, а масса тау-лептона в 20 раз больше, чем масса мюона. Почему это так, мы не знаем. То же самое происходит и с кварками. Кварки первого, второго и третьего поколения имеют абсолютно одинаковые свойства, — разные только массы. И почему их масса тоже совершенно разная, мы тоже не знаем.

Взаимодействия, которые испытывают эти фундаментальные фермионы, в физике частиц принято ассоциировать с носителями взаимодействий. Электромагнитные взаимодействия переносятся фотоном, слабые взаимодействия — вот этими тремя бозонами. Фотон — безмассовый, масса этих бозонов — порядка 100г GeV. Безмассовые глюоны переносят сильные взаимодействия.

Фактически все физические процессы, предсказанные стандартной моделью, были подтверждены экспериментально. Единственная частица, которая отсутствовала, но была ею предсказана, — хиггсовский бозон. Дело в том, что уравнения стандартной модели были написаны для безмассовых частиц, а затем Хиггс и еще несколько теоретиков придумали очень элегантный механизм, как с помощью хиггсовского бозона сделать частицы массивными.



Это очень интересное распределение, которое показывает массу распределения хиггсовского бозона, — как она набиралась во время обработки данных. И сначала никакого пика не видно. Сегодня-то мы знаем, что хиггсовский бозон есть, и его масса соотвествует вот этому пику и равна примерно 125 GeV. И сегодня мы точно можем утверждать, что эти начальные сообщения о массе Хиггса были правильные.

Оказывается, эта масса очень удивительна. Если хиггс находится в очень узком массовом диапазоне, то может оказаться, что кроме стандартной модели ничего больше и не нужно, что её можно правомерно классифицировать как законченную квантовую теорию поля, которая работает вплоть до планковской шкалы, т.е. она описывает все процессы в микромире. Более того, имея хиггс с этой массой, можно даже описать расширение Вселенной, не прибегая ни к каким другим новым частицам.

Проблемы Стандартной модели

Тем не менее физики продолжают искать то, что принято называть beyond standard model physics или new physics. Почему они это делают? Есть три большие проблемы, которые Стандартная модель не объясняет.

Первая проблема связана с экспериментами в микромире. В начале считалось, что три фундаментальных фермиона безмассовые. Стандартная модель с помощью хиггсовского механизма может дать массу всем остальным фермионам и бозонам, но не нейтрино. Сегодня мы абсолютно точно знаем, что нейтрино имеет массу. Мы не знаем, чему она равна, но мы точно знаем, что между тремя поколениями нейтрино есть разница в массе, и точно измерили разницу двух масс между тремя поколениями нейтрино. Нам нужно придумать механизм того, как дополнить стандартную модель так, чтобы нейтрино получило массу. Учитывая то, с какой массой нашёлся бозон Хиггса, Стандартная модель претендует на звание законченной теории квантового поля. Не хочется изменять её уравнение, придумав дополнительный механизм, как сделать нейтрино массивными.

Вторые две большие проблемы возникают в основном из очень детальных исследований в космологии и астрономии, которые успешно проходили последние 10-20 лет. Сегодня мы точно знаем о наличии тёмной материи. Дело в том, что подавляющая гравитационная масса нашей Вселенной не поглощает и не излучает свет — она невидима. В то же время у нас нет кандидата на частицу тёмной материи среди известных частиц. Поскольку тёмную материю нельзя обнаружить, её частица должна быть электрически нейтральна, — иначе мы бы могли ее увидеть по электромагнитным взаимодействиям, и взаимодействовать она должна очень-очень слабо. В принципе обычное нейтрино могло бы претендовать на роль кандидата в тёмную материю, но мы знаем что она распределена во Вселенной очень неравномерно. Те неоднородности, которые мы наблюдаем во Вселенной, можно связать с очень небольшими неоднородностями в первые моменты после Большого взрыва. Если бы тёмная материя состояла из нейтрино, то из-за того что нейтрино очень-очень легкое, частицы бы разлетались с одинаковой скоростью света и никаких неоднородностей бы не возникло.

Может быть более сложное объяснение. Мы примерно знаем, в каких местах сконцентрирована тёмная материя. Используя язык классической физики, вы можете посчитать массу фермиона. Помните, что это частицы, которы должны удовлетворять принципу Паули — нельзя в одном месте пространства иметь два одинковых фермиона. И вы можете посчитать массу этого фермиона так, чтобы гравитационная сила, которая стремиться сжать кластеры тёмной материи, чем-то скомпенсировалась. А компенсируется она давлением Ферми. И отсюда вы можете посчитать нижний предел на массу такого фермиона. Он должен быть порядка 1 кэВ, что во много раз больше массы нейтрино. То есть масса нейтрино не может быть тёмной материей, а значит, должно быть что-то еще, что объясняло бы этот огромный космологический эффект.

И, наконец, третья большая проблема стандартной модели. Мы знаем, что когда на ускорителях происходит столкновение, рождается примерно одинаковое количество частиц и античастиц. Это произошло и во время Большого взрыва. Но есть небольшое нарушение симметрии между развитием во времени материи и антиматерии. Мы очень хорошо его измерили в кварках. Это хорошо известное явление, за изучение которого были присуждены две Нобелевские премии. Проблема только в том, что тот эффект, который мы наблюдаем с нейтральными мезонами в кварковом секторе, в 10¹⁰ раз меньше того механизма, который необходим, чтобы объяснить отсутствие антиматерии во Вселенной. А сегодня мы знаем, что нижний предел на примесь антиматерии во вселенной очень–очень маленький. Были даже специальные эксперименты на космических кораблях, которые пытались найти следы антиматерии во Вселенной. В общем, нужно что-то делать с этими тремя проблемами.

Фундаментальные фермионы, которые известны стандартной модели, — это три поколения кварков, три поколения лептонов, переносчики взаимодействий и бозон Хиггса.



Одна из очень интересных вещей, которые можно будет сделать в рамках SHiP,– попытаться найти еще три фундаментальных фермиона, так называемые массивные майорановские нейтрино. Они обозначены на этой схеме как N₁, N₂, N₃. И оказывается, что с помощью этих фундаментальных майорановских нейтрино можно объяснить и тёмную материю. Роль кандидата на тёмную материю играла бы N₁, масса которой должна быть порядка нескольких килоэлектронвольт. У более тяжёлых N₂ и N₃ она в диапозоне от 0,5 GeV до 40-50 GeV. И они могут объяснить, как сделать обычное нейтрино массивными, не нарушая уравнение стандартной модели, и очень сильно усилить механизм нарушения симметрии между материей и антиматерией. В создании такой модели, которая называется Neutrino Minimum Standard Model приняло участие довольно большое количество и российских физиков, и иностранных ученых.

Как будет устроен детектор и что он должен измерить?

Как их найти? Для того чтобы найти N1, планируется программа экспериментов в космосе. Если у вас N₁ — кандидат на тёмную материю, а масса у нее довольно-таки большая, несколько килоэлектронвольт, она может распадаться на обычные нейтрино, может — на нейтрино и фотон. Важно, чтобы этот распад протекал очень-очень медленно — так, чтобы время жизни было намного больше времени жизни Вселенной. В противном случае все распадется, и это не объяснит тёмной материи. Распад на три нейтрино – это основной распад, но экспериментально его очень трудно обнаружить. А вот распад такого стерильного нейтрино на фотон и обычные электрон и нейтрино можно увидеть в космосе. Поскольку тёмная материя холодная, у вас просто есть двухчастичный распад и нужно искать монолинию в галактическом спектре фотонов. При этом энергетическое разрешение должно быть очень хорошим. Дело в том, что килоэлектровольты — это область рентгеновского спектра. Он очень сильно наполнен линиями от известных элементов, поэтому очень хорошо нам известен. Поэтому чтобы сказать, что новая линия не совпадает ни с одной из известных линий, разрешение вашего прибора должно быть очень хорошим.

Сейчас обсуждается четыре астромиссии, причем запуск Astro-H запланирован на 2015 год. Детектор фотонов, который будет расположен на Astro–H, имеет нужное разрешение. Поскольку тёмная материя окружает нас со всех сторон, идеально было, чтобы он располагался на космическом спутнике и мог сканировать 4π — все области Вселенной. Но, как правило, астрофизические эксперименты нацелены на изучение определенного интервала углов и апертура у них очень узкая. Но у трёх астромиссий, запуск которых обсуждается на 2019 -2020 году, должен быть гораздо более широкий угол обзора.

Чтобы найти частицы N₂ и N₃, нужны эксперименты на ускорителях. Ожидается, что масса этих частиц находится в районе от 0,5 GeV до 30-40 GeV. Их поиск — это одна из задач эксперимента SHiP. Поскольку вероятность появления таких частиц — очень-очень редкий процесс, нужно обеспечить, чтобы массив данных, где такие частицы могут появляться, был тоже очень-очень большой. Где это можно получить на ускорителях ЦЕРНa? Это цепочка всех ускорителей, которая существует. Эксперимент SHiP предлагается проводить на ускорителе SPS.



Дело в том, что время жизни пучка протонов в большом адроном коллайдере примерно 20 часов. То есть после того как прошла закачка протонов из SPS в большой адронный коллайдер, у вас, грубо говоря, есть 20 часов, чтобы использовать протоны-ускорители SPS для чего-то еще. На самом деле, до недавнего времени эти протоны использовались для рождения обычных нейтрино, и эти нейтрино выводились вот по этой линии и дальше направлялись в специальную подземную лабораторию, которая находится в Италии на расстоянии примерно 750 км от ЦЕРНa. Эти эксперименты закончены, и сегодня реально 70% протонов, которые можно использовать и которые производятся на ускорителе SPS, свободны. И одна из мотиваций эксперимента SHiP — понять, как использовать эти протоны.



Это место где планируется эксперимент SHiP. Он потребует довольно дорогой линии вывода протонов из SPS и довольно большого зала (примерно 20Х20 метров и в длину порядка 100 метров). Создание такой дополнительной инфраструктуры в ЦЕРНe стоит порядка 100-120 млн швейцарских франков. Сейчас будет опубликована первая инженерная проработка такой специальной пучковой линии.



Как должен выглядеть эксперимент SHiP? За каждую секунду можно производить сгусток 5x10¹³ протонов. И такой вывод можно делать раз в семь секунд. Если эксперимент в такой моде будет работать 3-4 года, то можно набрать, примерно в 2x10²⁰ протонных взаимодействий. Их все надо проанализировать, и найти среди них несколько сигнальных событий. Искаться эти события будут в этой экспериментальной установке, но между местом удара протонов о мишень и установкой должна быть расположена специальная защита, которая позволит поглотить ненужные частицы, чтобы оставить только те, которые очень слабо взаимодействуют и которые пройдут через эту защиту.



Это очень схематичный вид этой установки. Сейчас планируется что длина этого цилиндра будет примерно 50 метров, диаметр — 5 метров. Таким образом, тяжелое майорановское нейтрино, которая родится в результате взаимодействий 2x10²⁰ протонов, с мишенью пролетит через эту защиту, попадет в вакуумный объём и распадется на две другие частицы, например, пион и мюон. Нужно каким-то образом измерить массу этой распадной вершины на пион и мюон и идентифицировать частицы, на которые распалась эта тяжелая нейтрино. Установка не очень сложная, потому что все технологии, которые нужны для ее создания, существуют. Самое сложное в планировании этого эксперимента – очень хорошо понять, как мы сможем убрать фоны от этого огромного числа начальных взаимодействий 2x10²⁰ таким образом, чтобы конечный фон был ноль. Но ноль не бывает, скажем, 0,1 с точностью 1%. Если мы это точно знаем, то каждое сигнальное событие, зарегистрированное в таком эксперименте, будет говорить о том, что это сигнал, а не флуктуация фона.

Чтобы сравнить, что может сделать эксперимент SHiP по сравнению с предыдущими экспериментами опять давайте посмотрим на эту картинку: «Сила взаимодействия этих тяжелых нейтральных нейтрино с обычными нейтрино и масса».



Видно, что область, которую может перекрыть эксперимент SHiP, она перекрывает результаты достигнутые предыдущими экспериментами на несколько порядков. Что в общем-то внушает оптимизм.

Как создаётся международная коллаборация

В октябре 2013 года мы опубликовали предложение этого эксперимента. Там было 12 или 14 авторов. Оно сразу привлекло внимание в ЦЕРНе, и нас пригласили выступить на семинаре перед соответствующим комитетом, который ответственен за то оценку нашей идеи: сколько она стоит, возможно ли ее реализовать. От его рекомендаций все наши дальнейшие шаги ибудут зависеть. Мгновенно после этого семинара, который состоялся 23 октяюря, этот комитет SPS (это аббревиатруа ускорителя, на котором будет делаться этот эксперимент) назначил команду рефери, которые задали нам довольно много вопросов. Мы ответили на эти вопросы 3 января. А 15 января нам порекомендовали то, что написано на этом слайде. Обратите внимание: существенная часть обведена в рамочку. От нас потребовали написать техническое предложение и показать, насколько большой интерес ко этому проекту существует в мире.



Мы создали веб-сайт с деталями эксперимента. Дальше мы провели первый двухдневный митинг коллаборации SHiP. Это было 10-12 июня в Цюрихе. В первый день мы обсуждали физическую программу (какие еще эксперименты, помимо поиска майорановского нейтрино можно еще спровести). И второй день был посвящен различным технологиям и вопросам компьютинга, на которые нужно обратить внимание, чтобы написать техническое предложение.

Это был довольно успешный митинг, потому что после него и до сегоняшнего дня к нам поступили предложения от 41-й группы из 15 стран. Из России, Швейцарии, Великобритании, Италии, Франции и от Школы анализа данных Яндекса.



Это примерные этапы этого эксперимента. Сразу скажу, что следующий этап возможен только при одобрении предыдущего этапа соответствующим церновским комитетом. Сейчас мы заняты тем, чтобы рассмотреть все эти предложения от 41 группы, и ответить, кто нам нужен для того, чтобы написать техническое предложение.

Техническое предложение надо написать быстро. Нас попросили сделать это к следующему году. И наш план — опубликовать его в марте 2015 года. Затем нам нужны будут деньги, чтобы начать производство детектора. Мы планируем собрать его и начать набор данных в 2023 году. И тогда, проработав четыре года, можно набрать 2 на 10²⁰ взаимодействий, и, когда мне исполнится 70 в 2027 году, публиковать результаты.

Что нужно отразить в техническом предложении? Нам, конечно, нужно показать, какую еще физику можно сделать помимо поиска вот таких майорановских нейтрино. Нам нужно показать, что этот детектор можно сделать на технологиях, которые сегодня известны. Либо предложить какие-то новые технологии.

И нам нужно предложить некую модель обработки данных. И собственно, почему я сегодня здесь. Сейчас мы находимся на начальном этапе создания проекта, и поэтому, если есть какие-то идеи о новых технологиях, то, конечно, самое время, начать их обсуждать. Потому что когда происходит присоединение группы к эксперименту, который уже находится в зрелом возрасте, убедить людей в правоте или неправоте своих концепций фактически невозможно.

Что коллаборация SHiP ожидает от Яндекса

В чем собственно состоит сложность модели обработки данных эксперимента SHiP? Я не думаю, что когда всё будет сделано и начнется набор данных, этот проект будет связан с требованиями анализа очень большого количества данных. По сравнению с большим адронным коллайдером это будет очень легкий проект. Но для того чтобы спроектировать этот эксперимент, требуется очень грамотная инфраструктура. Потому что мы хотим стартовать с 10²⁰ взаимодействий, среди которых, если нам улыбнется удача, будет 5-10 событий от сигнала. Нам нужно эти 2x10²⁰ взаимодействий превратить в ноль. Используя hardware и software. И для этого очень важна очень дружественная инфраструктура, которая позволит отслеживать, как какой фон был подавлен. И поскольку эта работа будет проводиться большим количеством исследователей из разных стран, то основной запрос состоит в развитии такой модели. И мы очень надеемся на то, что у нас будут все основания принять Школу анализа данных Яндекса в нашу коллаборацию.

Источник: habrahabr.ru/company/yandex/blog/229821/