В июне в Цюрихе состоялась первая встреча ученых по проекту ShiP. На этой встрече начато формирование команды, которая займется его практической разработкой.

Открытие последней из предсказанных Стандартной Моделью (СМ)  фундаментальных частиц – бозона Хиггса подтвердило успешность СМ как основной теории физики микромира и завершило ее построение. Авторы предсказания получили Нобелевскую премию за 2013 год, ставшую очередной в ряду премий основателям СМ.

Профессор Михаил Шапошников автор теории, лежащей в основе проекта SHiP.

Выступление одного из инициаторов проекта SHiP Андрея Голутвина на семинаре в московском офисе Яндекса 2 июля 2014 года.

Дмитрий Горбунов – доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН один из инициаторов проекта SHiP.

Функциональная схема ускорительного комплекса ЦЕРН. Комплекс проекта SHiP показан пунктирным прямоугольником.

Планируемое местоположение зданий будущего комплекса проекта SHiP в северной части ЦЕРН (они закрашены желтым и зеленым цветом).

Схематический предварительный вид детектора SHiP с распадом нейтрино. Справа изображены магнитный спектрометр, мюонный детектор, электромагнитный калориметр и трековые камеры.

Схема эксперимента. Красным изображена вольфрамовая мишень, серым – поглощающая защита. Дальше показаны мюонный фильтр и вакуумная камера детектора с распадом нейтрино.

Тем не менее, существует несколько крупных проблем, надежно установленных экспериментально, которые теория пока объяснить не может. Это наличие масс у нейтрино и их взаимные превращения (осцилляции); существование темной материи (в СМ нет подходящего кандидата на роль частицы темной материи); и отсутствие антиматерии во Вселенной, в то время как в экспериментах на ускорителях, например, при столкновении протонов, рождается примерно равное число частиц материи и антиматерии. Решение этих задач принято называть поиском новой физики или физики за пределами СМ (Beyond the standard model, BMS).

Один из вариантов решения этих проблем, не нарушающий подхода СМ, это введение еще трех фундаментальных элементарных частиц – тяжелых нейтральных лептонов (Heavy Neutral Leptons, HNL), называемых также майорановскими нейтрино. Теорию, обосновывающую этот подход, опубликовал в 2005 году  российский физик Михаил Шапошников с коллегами. В настоящее время он профессор Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) и руководитель лаборатории физики элементарных частиц и космологии. За то, что эта теория требует минимальных по сравнению с другими теориями дополнений к СМ она получила название нейтринной минимальной стандартной модели (the neutrino minimal Standard Model, νMSM).

Первый вид новых нейтрино (N₁) с массой в несколько КэВ позволит объяснить  темную материю. На их обнаружение нацелены программы экспериментов в космосе, первая из которых  Astro-H будет запущена в 2015.  Еще три программы находятся на стадии обсуждения, их старт намечен на 2019-2020 годы. Два других новых нейтрино (N_2,3) с массами в интервале 0,5-40 ГэВ позволят разобраться с проблемами обычных нейтрино и антиматерии. Эксперименты по их поиску планируется проводить на ускорителях.  

Именно на поиск этих еще не открытых частиц на ускорителе и нацелен новый проект SHiP (Search for Hidden Particles – «поиск скрытых частиц»), предложенный коллективом физиков в октябре 2013 года. Среди 16 авторов предложения трое россиян. Помимо Шапошникова это доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН Дмитрий Горбунов и Андрей Голутвин, профессор Имперского колледжа Лондона, научный консультант директора ЦЕРН. Последний выступил 2 июля на семинаре в московском офисе Яндекса, где рассказал о проекте (Яндекс будет помогать ЦЕРН искать новую физику).

Проект вызвал большой интерес в ЦЕРН, где был проведен семинар в комитете  SPSC, после чего авторам было предложено разработать к марту 2015 года детальное техническое предложение, на основании которого будет принято решение о возможности его реализации. Если проект будет одобрен, то к 2018 году будет разработан проект и начнется строительство, которое планируется закончить в 2022 году. Сам эксперимент планируется провести в 2023-2027 годах.  

Это не первый эксперимент по поиску подобных частиц, но предлагаемый подход перекрывает достигнутую в других экспериментах область исследуемых масс и величин взаимодействий  на несколько порядков, что вселяет определенный оптимизм.

В июне в Цюрихе состоялась первая встреча ученых по проекту SHiP.  На ней обсуждалась физическая программа проекта – какие еще задачи можно в нем  решить. Этот вопрос важен для обоснования проекта. Ведь HNL могут быть и не обнаружены, поэтому в проект должна быть заложена «гарантированная физика», то есть исследования, которые заведомо будут успешны. В данном случае ими могут стать, например,  исследования тау-нейтрино. Любопытно, что при их открытии в Фермилаб было зарегистрировано всего  9 событий, причем 2 из них были отнесены к фоновым, а здесь ожидается около 3500 событий, что позволит в частности уверенно разделить нейтрино от антинейтрино (этого по существу еще никто не делал). Обсуждались также технологии эксперимента и обработки данных.  

  На встрече начато формирование команды-коллаборации, которая займется практической разработкой технического предложения. Желание участвовать в коллаборации SHiP изъявили 41 группа ученых из 15 стран, включая ЦЕРН и институты из России, Швейцарии, Великобритании, Италии, Франции, Германии, Голландии, Японии, США и др., а также Яндекс. Формирование коллаборации предполагается завершить в сентябре 2014 года.

 В проекте SHiP  планируется использовать уже существующий в ЦЕРН ускоритель SPS (Super Proton Synchrotron, Протонный суперсинхротрон с длиной кольца 6.9 км), который в настоящее время служит для предварительного разгона протонов до энергии 400 ГэВ для последующей инжекции в Большой адронный коллайдер (LHC). Время жизни пучка в LHC в среднем 20 часов. В течение этого времени, пока пучок «бегает» в  LHC, SPS простаивает и его можно использовать для других экспериментов.

До недавнего времени он использовался для рождения обычных нейтрино, которые по специальной линии выводились в подземную лабораторию Гран-Сассо в Италии на расстоянии 750 км от ЦЕРН. Но эти эксперименты уже закончены. Использование существующего ускорителя значительно удешевляет проект. Он потребует 100-120 млн швейцарских франков на линию вывода протонов и большого зала (размерами порядка 20х20х100 м) с исследовательской установкой. Буквально через несколько дней будет опубликована первая инженерная проработка пучковой линии.    

  Сгусток из 5х10¹³ протонов каждые 7 секунд будет подаваться на мишень. За 4 года работы это позволит набрать порядка 2х10²⁰ протонных взаимодействий. Ожидается, что в эксперименте события, связанные с этими частицами,  будут крайне редкими. Как отметил Голутвин, если повезет, то из 10²⁰ событий будет 5-10 искомых. Такое малое количество полезных событий предъявляет очень большие требования к организации эксперимента и обработке данных.

Поскольку искомые частицы очень слабо взаимодействуют с веществом, между местом попадания протонов в вольфрамовую мишень и детектором предполагается установить специальную  защиту из железа или свинца, поглощающую большинство ненужных частиц. Таким образом, анализироваться будут только очень слабо взаимодействующие частицы, способные преодолеть эту защиту. Это позволит избавиться от большого числа фоновых событий.

Сама установка будет выглядеть как огромный вакуумный цилиндр длиной 50 м и диаметром 5 м.  Майорановские нейтрино, пройдя защиту, распадутся здесь на две частицы, например, пи-мезон и мюон. Исследователи должны будут идентифицировать частицы, на которые распалось нейтрино, и найти его массу.

Для этого детектор будет содержать магнитный спектрометр, мюонный детектор, электромагнитный калориметр и трековые камеры. Принципиально установка не очень сложная, поскольку все необходимые технологии уже существуют. Сложность заключается в нахождении очень редких событий, для чего предполагается использовать компьютерные технологии обработки данных Яндекса.  

По материалам официального сайта проекта и видеоконференции научно-технического семинара с докладом А. Голутвина.