Эксперимент 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.

наверх