Голос науки: Семён Хохлов о мюонах, ливнях и «зашкалах»

Пока одни физики строят ИТЭР, где можно будет изучать термоядерную реакцию синтеза для получения практически неограниченного количества энергии, другие физики пытаются понять механизм ядро-ядерных взаимодействий, изучая частицы высоких энергий, прилетающие на Землю из космоса. В МИФИ этим занимаются в Научно-образовательном центре НЕВОД. О проблемах изучения частиц высоких энергий пресс-служба побеседовала с доцентом НОЦ НЕВОД  Института ядерной физики и технологии Семёном Хохловым.

Семён Сергеевич, как бы вы описали сферу ваших научных интересов?

Моя работа связана с исследованиями частиц сверхвысоких энергий, прилетающих из космоса, то есть космических лучей. В нашем университете создан ряд установок для регистрации таких частиц. Установки объединены между собой и образуют Экспериментальный комплекс НЕВОД.

Часть моих исследований связана с черенковским водным детектором НЕВОД и анализом энерговыделений частиц в воде. Также я со студентами и аспирантами изучаю широкие атмосферные ливни, которые возникают при столкновении протонов и ядер высоких энергий с верхними слоями атмосферы. В этом случае от одной, пришедшей из космоса, частицы в результате каскадных процессов образуются миллионы вторичных частиц, которые накрывают территорию радиусом примерно 80 метров. Для регистрации широких атмосферных ливней вокруг здания НЕВОДа расставлены детектирующие станции, похожие на небольшие домики.

Помимо работ, связанных с анализом данных, я участвую в техническом обеспечении работы «железа» черенковского водного детектора, вхожу в группу, которая обслуживает установку.

В чем заключается обслуживание?

Черенковское излучение в воде улавливается с помощью квазисферических модулей, в состав каждого из которых входят по шесть фотоприемников. Фотоприемники смотрят в воду через окна-иллюминаторы, поэтому квазисферические модули по виду напоминают глубоководные батискафы. Примерно раз в сутки мы просматриваем параметры работы всех фотоприемников, всего их в воде сейчас 576 штук. Если параметры перестают нас устраивать, мы с помощью кран-балки меняем «расшалившийся» квазисферический модуль на запасной. Тот модуль, который был извлечен из бассейна, ремонтируется и, в свою очередь, становится запасным.

Каковы главные задачи исследований на НЕВОДе?

Работы идут по нескольким направлениям. Одна часть исследований посвящена изучению потока мюонов относительно невысоких энергий. Измерения этого потока с помощью мюонных годоскопов позволяют проводить исследования активных процессов в атмосфере и гелиосфере.

Другая часть исследований посвящена частицам высоких энергий. Здесь наши главные достижения связаны с изучением групп мюонов. Группы мюонов являются частью широких атмосферных ливней, одной из их компонент. Если прилетевшая из космоса первичная частица вошла в атмосферу под большим углом к вертикали, то частицам образовавшегося ливня нужно пройти более длинный путь. Таким образом, почти все вторичные частицы поглощаются в толще атмосферы и до поверхности Земли доходят только самая проникающая компонента в виде летящих почти параллельно друг другу мюонов. Такой остаток ливня называется группой мюонов, для его регистрации нужно отбирать события, приходящие в наши установки под большим углом к вертикали. Иногда  группы мюонов прилетают почти горизонтально.

Для регистрации групп мюонов вокруг бассейна развернуты трековые детекторы. Когда к нам «приходит» группа мюонов, мы с помощью трековых детекторов пересчитываем, сколько в ней было частиц, а в бассейне измеряем их энерговыделение. Энергия измеряется по количеству света – чем больше выделилось света, тем больше выделилось энергии. Если же мы регистрируем событие не под большим углом, а почти вертикально, то есть шанс, что к нам прилетит очень богатое на частицы событие, которое называется «стволом широкого атмосферного ливня». Когда стволы падают в воду нашего бассейна, на приборах происходит просто «зашкал» – так много света!

На крыше бассейна в НЕВОДе
 

У детектора ничего не «взрывается»?

Не взрывается, просто он дает предельный отклик. В каждом квазисферическом модуле есть 6 фотоприемников. Это, грубо говоря, глаза прибора, которые способны засечь от 1 до 100 тысяч фотонов света. И если приходит больше 100 тысяч, прибор говорит: «Я вижу 100 тысяч». И всё, это максимум.  Бывают такие события, когда все 576 фотоприемников говорят: «Всё, мы на пределе».

Кто-то еще в мире проводят такие измерения?

Такие, как у нас, не проводит никто. Во-первых, у нас рекордные параметры аппаратуры. Разница между минимальным и максимальным регистрируемым сигналом называется динамическим диапазоном. Наши фотоприемники способны различать сигналы в диапазоне от 1 до 100 тысяч фотонов. Оптические модули других черенковских детекторов обычно имеют гораздо меньшие динамические диапазоны – от  1 до 1000 фотонов или вообще всего от 1 до 100. Это как в музыке: кто-то не слышит низкие частоты, а люди с хорошим слухом способны различать большой диапазон. То же самое с приборами, поэтому нашу установку можно сравнить с абсолютным меломаном. Во-вторых, мы используем особо аккуратный подход при анализе событий с группами мюонов. В большинстве мировых экспериментов просто измеряют энерговыделение в событиях и по нему делают вывод о том, сколько в группе было мюонов: чем больше энерговыделение, тем больше мюонов. На первый взгляд всё получается логично, но эта логика ломается, если в прилетевшей группе по каким-либо причинам окажется один или несколько мюонов, у которых энергия будет выше ожидаемой. В этом случае энерговыделение тоже будет выше ожидаемого и в дальнейшем анализе возникнет ошибка. Как раз для того, чтобы исключить такую ошибку, мы для пересчета мюонов в группах  используем трековые детекторы.

До недавнего времени при определении количества мюонов в группе мы использовали только координатный детектор ДЕКОР. Его площадь составляет около 70 кв. м., что позволяло нам отлавливать только часть мюонов, проходящих через водный объем. Чтобы оценить, сколько всего мюонов прошло при этом через бассейн, мы пользовались аппроксимациями. Кроме того, ДЕКОР не может «разглядеть» треки мюонов, если расстояние между ними было меньше 2-3 сантиметров. Все вместе эти факторы добавляют неопределенностей при анализе экспериментальных событий. Для того, чтобы избавиться от подобных неопределенностей, в нашем экспериментальном комплексе создан детектор ТРЕК. Его площадь составляет 250 кв. м. и он перекрывает всю боковую стенку бассейна. Таким образом, у нас уже не будет необходимости использовать аппроксимацию при определении множественности группы, поскольку детектор будет видеть все мюоны. Кроме того, ТРЕК обладает более высоким пространственным разрешением и позволяет «рассматривать» мюоны, летящие на расстоянии 2-3 миллиметра друг от друга.

И для чего нужна вся эта машинерия?

Пришедшая из космоса частица очень сильно ускорена. Она «стукается» об ядро атома азота или кислорода в верхних слоях атмосферы, и от этого рождаются новые частицы. Они летят по атмосфере и взаимодействуют с другими ядрами, рождаются новые частицы, от них – частицы следующего поколение и так далее. Если на поверхности Земли регистрировать все ливни подряд, то приходится анализировать то, что уже много раз провзаимодействовало.

Рядом с ТРЕКом
 

Остаточки?

Да, своего рода остаточки. Часто это уже десятое поколение частиц, Но нас интересует, что произошло при первом взаимодействии, а вместо этого до нас доходит только своего рода «слухи». При этом мюоны возникают от распада частиц первого-второго поколений. По сути, они являются очевидцами главного взаимодействия. Чтобы получить информацию «из первых рук», мы отбираем ливни под большими зенитными углами, в которых все «остаточки» поглощаются и до нас доходят носители неискаженной информации. Такой подход позволяет проводить исследования в области физики сверхвысоких энергий, которую не могут нормально рассмотреть на ускорителях.

Почему?

Во-первых, потому что ускорители ограничены по энергии. А во-вторых, когда событие очень большое по количеству частиц, детекторы ускорителя запутываются в нем, грубо говоря, уходят в «зашкал». Все дело в том, что в ускорителях расстояние от точки взаимодействия до детекторов не превышает десяти метров, а в наших экспериментах с космическими лучами это расстояния может достигать несколько сотен километров. Рожденные во взаимодействии частицы успевают дальше разлететься друг от друга и их проще пересчитывать в детекторах. Кроме того, сама атмосфера служит своеобразным фильтром и до нас доходят мюоны более высоких энергий. Таким образом, если в наши установки пришла группа мюонов, мы определяем, сколько в ней было частиц и под каким углом к вертикали они к нам прилетели. Чем больше угол и множественность, тем выше была энергия соударения протона или ядра из космоса с ядром в атмосфере, а чем выше энергия такого взаимодействия, тем больше у нас информации о том, что происходит на микроядерном уровне.

Ну, что там происходит, вы уже знаете…

Частично знаем, но до конца не понимаем всех процессов, которые идут при сверхвысоких энергиях. А именно они и интересны. Возможно, там образуются новые состояния вещества. Для его обнаружения нужно иметь разнотипные детекторы. Смысл в том, что когда к нам прилетают «остаточки» от первичного взаимодействия, то они очень разные. Среди них есть мюоны, электроны, гамма-кванты, нейтроны и другие частицы. В идеале хорошо бы их разделить и сказать: мюонов было столько-то, и они были таких-то энергий, электронов было столько-то и еще вот столько было нейтронов.

Разве это возможно?

Полностью невозможно, но частично их можно делить. Мы уже научились при больших углах считать в таких событиях мюоны, а при малых углах считать нейтроны. При этом почти при всех углах можем анализировать электроны и гамма-кванты ливня. Все это вместе называется мультикомпонентным анализом. Если привести аналогию с медициной, то мы пытаемся получить одновременно рентгеновский снимок, томографию и УЗИ. Только в роли пациента у нас выступает взаимодействие при сверхвысоких энергиях.

Наши старшие коллеги около 20 лет назад придумали, как работать с группами мюонов под большими углами и почти сразу обнаружили, что экспериментальные результаты не совпадают с расчетами.

Почему?

Расчеты проводятся по общепринятым моделям. Скорее всего, эти модели неправильные или неполные. Открытый в МИФИ эффект получил название «мюонной загадки». Она является индикатором того, что при сверхвысоких энергиях сидит какая-то другая физика, которую мы не понимаем. Пока не понимаем.

«При сверхвысоких энергиях сидит какая-то другая физика, которую мы не понимаем. Пока не понимаем».

А она будет включена в общую физику?

Должна быть включена, после того, как все в ней разберутся. Сейчас, чтобы эту новую физику объяснить, пытаются построить новые модели. Многим это не нравится, часть теоретиков упрямится. Говорят, что ничего нового в этой области не предсказано, а раз не предсказано, значит и не должно быть.

Они считают, что вы неправильно померили?

Поначалу почти все так считали, но сейчас ситуация понемногу меняется, все больше скептиков убеждаются в том, что в экспериментах действительно проявляется новая физика.

Есть такая притча про мудрецов, которые в темноте ощупывают слона. Одному достался хвост, второму хобот, третий ощупывает ногу, четвертый спину. Каждый из мудрецов описывает свои ощущения, но объекта целиком не видит никто, поэтому описания получаются очень противоречивыми. Физика высоких энергий сейчас напоминает этих мудрецов, мы никак не можем понять, что за зверь попался нам в руки. То мы одну часть его посмотрели, то другую посмотрели, а надо эту картинку сложить воедино. Для этого нужны хитрые методы измерений.

Вы придумываете новые методы анализа полученной информации?

Не только методы анализа, но и методы детектирования. Мы хотим сейчас разделить три компоненты, чтобы в широких атмосферных ливнях можно было отдельно видеть мюоны, отдельно – электромагнитную компоненту, и отдельно – адронную компоненту. Нужно создать такой комплекс, который бы позволял регистрировать это всё одновременно.

Еще что-то построить?

Многое уже построено. У нас сейчас уже есть 7 установок, но электронику детекторов, их «железо» еще предстоит до конца синхронизовать друг с другом, чтобы все эти инструменты могли звучать, как единый оркестр. Я надеюсь, что в следующем году мы начнем совместную измерительную серию всех наших установок. Под эту задачу нам еще предстоит доработать софт и создать специальную базу данных. В современном эксперименте нужна не только лабораторная база, но и программное обеспечение для обработки, и этот софт очень специфичный, он не бывает универсальным, каждая коллаборация, каждый эксперимент разрабатывает такой софт под свою специфику.

Вы это только своими силами делаете?

Да, делаем своими силами. В этом активное участие принимают аспиранты и студенты магистратуры, даже некоторые бакалавры подтягиваются. Мы здесь вообще очень заинтересованы в молодых исследователях, увлекающихся всеми видами электроники, детекторов и обработки данных. Методы анализа быстро шагают вперед, развиваются новые языки программирования и методы машинного обучения. Уже сейчас очень часто бывает, что не только мы чему-то учим студентов, но и студенты учат нас. Так что, если есть желание сделать вклад в современную физику частиц – приходите к нам, мы вас ждем!