Эксперимент CMS
Общее описание направления исследования эксперимента CMS
Основным научным результатом эксперимента CMS (http://cms.web.cern.ch) является обнаружение бозона Хиггса и измерение его характеристик. При максимальных доступных энергиях исследованы характеристики многих процессов Стандартной Модели. Ведется поиск новых частиц и явлений за пределами Стандартной Модели. которые помогут прояснить природу "темной" материи или ответить на вопрос о существовании дополнительных пространственных измерений.
Современная теория взаимодействий фундаментальных частиц - Стандартная Модель с высокой точностью описывает процессы рассеяния, образования и распадов различных частиц. В основе Стандартной Модели лежат 3 поколения фермионов (кварков и лептонов) и 4 калибровочных бозона – фотон, глюон, W- и Z- бозоны, отвечающие за электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия частиц. Единственной фундаментальной частицей Стандартной Модели, которую пока не удалось зарегистрировать является бозон Хиггса, который необходим для для генерации масс фундаментальных частиц. Эксперименты на электрон-позитронном коллайдере LEP показали, что масса бозона Хиггса в Стандартной Модели не может быть менее 114.5 ГэВ, а эксперименты на колладере Тэватрон позволили ислючить область масс около 170 ГэВ. Одной из задач эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН является регистрация бозона Хиггса, либо установления факта отсутсвия бозона Хиггса в Стандартной Модели.
Однако, даже при обнаружении бозона Хиггса, Стандартная Модель сталкивается с трудностями при описании процессов при более высоких энергиях. Чтобы преодолеть трудности Стандартной Модели при высоких энергиях была выдвинута гипотеза Суперсимметрии, предполагающая наличия нового класса фундаментальных частиц, в котором каждому известному фендаментальному фермиону соответсвует бозон, а каждому бозону – фермион. Попутно гипотеза Суперсимметрии позволяет решить проблему Великого Объединения сильных. электромагнитных и слабых взаимодействий, а также объяснить причину наличия в Космосе “темной” материи, необходимой для объяснения ряда астрофизических наблюдений. Если гипотеза Суперсимметрии верна, то при энергиях Большого адронного коллайдера в эксперименте CMS должно наблюдаться образование новых тяжелых частиц и суперсимметричных партнеров известных фендаментальных частиц.
Для того, чтобы наиболее эффективно вести поиск бозона Хиггса и суперсимметричных частиц в детекторе CMS регистрируются события с образованием различных фундаментальных частиц с большими поперечными ипульсами. Мюоны, электроны и фотоны регистрируются непосредственно, тау-лептоны, W и Z бозоны – регистрируются по продектам распада, кварки и глюоны регистрируются по образованию струй адронов, а нейтрино – по недостающей поперечной энергиии.
Кроме решения указанных выше задач, эксперимент CMS позволит вести поиск новых калибровочных бозонов, новых поколений кварков и лептонов, а также дополнительных измерений пространства, которые предсказываются в ряде теоретических моделей.
Успешная работа Большого адронного коллайдера в 2010 году при энергиях пучков сталкивающихся протонов по 3.5 ТэВ позволила продемонстрировать высокое качество получаемых данных, однако накопленного количества данных было недостаточно для решения поставленных задач. В 2011-12 годах предполагается увеличить накопленныю светимость на 2 порядка по сравнению с 2010 годом, а после модернизации Большого адронного коллайдера в 2013-14 гг довести энергии сталкивающихся протонов до 7 ТэВ.
Описание вклада команды из ИТЭФ в данный эксперимент.
Физики ИТЭФ работают в эксперименте CMS на Большом Адронном Коллайдере (БАК) в ЦЕРН с самого начала этого проекта.
В подготовке и проведении эксперимента CMS на разных этапах принимали участие: С.Абдуллин, А.Алехин, А.Арефьев, А.Балдов, Е.Власов, В.Гаврилов, Ю.Герштейн, Е.Дорошкевич, М.Ерофеева, А.Жокин, В.Зайцев, В.Карпишин, В.Кафтанов, И.Киселевич, В.Колосов, А.Коноплянников, М.Косов, А. Кропивницкая, А.Крохотин, С.Кулешов, Д.Литвинцев, Н.Лычковская, А.Никитенко, А.Никитин, И.Поздняков, В.Попов, Г.Сафронов, С.Семенов, А.Спиридонов, А.Стародумов, Н.Степанов, А.Степеннов, В.Столин, М.Томс, А.Ульянов, А.Ханов, И.Шрейбер, В.Эпштейн.
Сотрудники ИТЭФ участвовали в разработке конструкции магнита CMS, в организации изготовления ярма магнита на "Ижорских заводах", а затем в монтаже установки CMS.
Основной материальный вклад ИТЭФ в CMS был сделан в создание Передних калориметров, расположенных под малыми углами по отношению к сталкивающимся пучкам протонов. В этой области достигаются наибольшие потоки энергии вторичных частиц и сосредоточены наибольшие радиационные дозы. Группа ИТЭФ провела исследования радиационной стойкости оптических кварцевых волокон и продемонстрировала возможность использования калориметра на кварцевых волокнах в области малых углов установки CMS. Была проведена оптимизация конструкции передних калориметров. Совместно с сотрудниками РФЯЦ ВНИИТФ (г.Снежинск) была освоена уникальная технология производства модулей калориметров. 36 модулей, весом около 4 т каждый, были изготовлены во ВНИИТФ по договору с ИТЭФ. Эти модули были доставлены в ЦЕРН, оснащены кварцевыми волокнами и фотоэлектронными умножителями.
Часть собранных модулей была проверена и откалибрована на пучках частиц высоких энергий в ЦЕРН. Калибровка остальных модулей была проведена с помощью радиоактивных источников Со-60. Передние калориметры показали надежность работы и высокую радиационную стойкость в процессе их многолетней эксплуатации.
Материальный и интеллектуальный вклад группы ИТЭФ в создание установки CMS
- Инженер-конструктор ИТЭФ А.Н.Никитин предложил закрепить сверхпроводящий соленоид внитри центрального стального ярма магнита, что легло в основу всей конструкции детектора CMS;
- Группа ИТЭФ предложила использовать радиационно-стойкие черенковские калориметры в области малых углов, где ожидается максимальный уровень радиационных доз;
- Измерение радиационной стойкости кварцевых волокон, изготовление полномасштабного прототипа и его испытание на пучках частиц высоких энергий.
- Разработка, оптимизация, создание и испытания передних калориметров.
- Разработка, создание и ввод в эксплуатацию светодидной системы для калибровки и мониторирования калориметра CASTOR.
В 2000 году мы впервые предложили постановку эксперимента по поиску рождения бозонов Хиггса в дифракционных процессах. Уникальность такого эксперимента состоит в том, что в результате дифракционного рассеяния протонов в реакции образуется только одна частица – бозон Хиггса, массу которого можно будет точно определить, измеряя импульсы рассеянных протонов. На основе этой идеи возник новый проект HPS (High Precision Spectrometer), который в настоящее время объединяет десятки ученых из разных стран. Подготовка постановки эксперимента HPS проводится в рамках большого проекта модернизации детектора CMS.
Направления физического анализа данных.
Сотрудники ИТЭФ принимают активное участие в наборе, обработке и анализе экспериментальных данных. Для контроля работы элементов адронных калориметров разработано программное обеспечение, позволяющее проводить удаленный мониторинг получаемых данных. Была развита методика реконструкции адронных струй и анализа различных процессов, сопровождающихся образованием этих струй.
В ИТЭФ успешно функционирует информационно-вычислительный комплекс T2-CMS-ITEP, интегрированный во всемирную сеть ГРИД. Этот комплекс позволяет сотрудникам ИТЭФ и других российских институтов эффективно участвовать контроле качества, обработке и анализе данных эксперимента.
Участие группы в усовершенствовании детектора CMS
- Разработка, оптимизация и изготовление системы считывания для прецизионных протонных спектрометров
- Калибровка модернизированных адронных калориметров
Cостав группы ИТЭФ в эксперименте CMS
Гаврилов В. Руководитель группы, начальник лаборатории, дфмн
Жокин А. СНС, кфмн
Лычковская Н. СНС, кфмн
Попов В. СНС, кфмн
Сафронов Г. СНС, кфмн
Спиридонов А. СНС, кфмн
Эпштейн В. СНС, кфмн
Власов Е. Инженер, кфмн
Томс М. Инженер
Поздняков И. Аспирант
Степеннов А. Аспирант
По результатам работы в эксперименте CMS было защищено более 10 дипломных работ студентами МФТИ, МИФИ и МГУ, проходившими практику в ИТЭФ. В.Колосов, А.Ульянов, А.Крохотин, Н.Лычковская и Г.Сафронов защитили в ИТЭФ кандидатские диссертации на основе их участия в эксперименте CMS.
Статус современных работ в коллаборации и планы
Более подробную информацию о детекторе, эксперименте и сотрудничестве можно получить на домашней странице CMS.
