«УДК 539.1.07 ОТЧЁТ Учреждения Российской академии наук Института ядерных исследований РАН по направлению Участие в глобальных мегапроектах фундаментальной физики за 2011 год тема 01201050400 Научный руководитель: ...»

За последние 25 лет успехи эксперимента и теории привели к созданию СМ – современной теории элементарных частиц. Эта модель прекрасно описывает физику всех известных взаимодействий: слабых, электромагнитных и сильных во всем диапазоне энергий, достижимых на современных ускорителях. Несмотря на такой успех, модель, тем не менее, нуждается в дальнейшем расширении и обобщении. Например, модель в ее нынешнем виде не в состоянии предсказать массы фермионов, объяснить происхождение и состав темной материи, установить источник происхождения семейств фермионов и т.д.

Исследование свойств нейтрино является одним из путей, которые могут привести к пониманию новой физики и, тем самым, к необходимой модификации СМ. Эти исследования в значительной мере были стимулированы недавним открытием явления нейтринных осцилляций. Эксперименты с атмосферными (SuperK в Японии), солнечными (SAGE на Баксане, SNO в Канаде и GALLEX в Италии) и реакторными (KamLand в Японии) нейтрино получили яркие и надежные указания на то, что нейтрино имеет малую массу, и, следовательно, на необходимость расширения СМ до более полной теории, включающей массу нейтрино. В рамках минимальной СМ нейтрино является строго безмассовой частицей.

Одна из новых глубоких проблем, возникших в связи с открытием массивности нейтрино, связана с загадкой: почему нейтрино является настолько легким, почему оно гораздо легче заряженных фермионов? Для ответа на этот вопрос можно, например, попытаться расширить СМ и ввести массу нейтрино на электрослабом уровне. Однако все такие попытки не очень привлекательны. Например, введение правого нейтрино, являющегося синглетом группы SU(2)U(1), позволяет ввести массу нейтрино «руками», аналогично тому, как это сделано для заряженных лептонов и кварков. Однако при этом трудно понять, почему эта масса настолько меньше других масс.

Наиболее привлекательными являются модели, которые содержат массивные нейтрино. Так, например, тяжелые нейтрино с массами MN > MZ возникают в теориях великого объединения, в моделях с дополнительными измерениями и моделях типа Little Higgs, a также в лево–право симметричных моделях. Например, в моделях Little Higgs лептонные дублеты расширены путем добавления к каждому семейству одного дираковского нейтрино, могущего иметь массу вплоть до MD 1 ТэВ при условии, что оно связано с правым нейтрино, преобразующимся как синглет относительно SU(3). Таким образом, в моделях этого класса массы обычных нейтрино генерируются естественным образом за счет смешивания легких и тяжелых лептонов порядка V/MD, где V = 246 ГэВ.

Малая масса нейтрино может также генерироваться, например, с помощью механизма «see-saw». Этот механизм основан на майорановской массе - в нем тяжелое майорановское нейтрино смешивается с обычным нейтрино или, другими словами, проводит очень малое время в виде легкого нейтрино. Такой механизм генерирует массы порядка Y2V2/MN, где Y – юкавская константа связи, и позволяет объяснить, почему нейтрино имеет столь малую массу, существенно отличающуюся от масс заряженных лептонов. Однако в минимальной «see-saw» схеме Y 1, поэтому для генерации малых масс тяжелое нейтрино должно быть ультратяжелым, MN 1013 ГэВ, что исключает экспериментальную проверку таких моделей. Тем не менее, расширенные модели «seesaw» могут включать MN 1 ТэВ или легче, если существует скрытая симметрия, подавляющая вклад Y2V2/MN.

Тяжелые нейтрино с массами порядка электрослабых могли бы рождаться на современных ускорителях, если их константы связи с фермионами и калибровочными бозонами СМ не очень малы, или, например, за счет нестандартных взаимодействий.

Обычно полагается, что тяжелые нейтрино являются синглетами СМ и не имеют новых взаимодействий. С другой стороны, в моделях с расширенной калибровочной группой, например, SU(2)LSU(2)RU(1)B-L, рождение тяжелых нейтрино становится возможным за счет распадов новых калибровочных бозонов.

Таким образом, поиск тяжелых нейтрино является одним из актуальных и, возможно, оптимальных путей, которые могут привести к созданию новой, более полной, теории.

Поиск тяжёлых нейтрино в эксперименте CMS Лево-право симметричная модель и сигнатуры процессов Эксперимент CMS на БАК в ЦЕРНе является одним из основных экспериментов, использующим крупномасштабный многоцелевой детектор и открывающим новые перспективы для исследования широкого круга фундаментальных проблем и поиска новых явлений, лежащих за пределами СМ. Среди нескольких расширений СМ, которые могут быть исследованы на CMS, ЛПСМ определенно является одной из наиболее привлекательных. Действительно, эта модель включает СМ на масштабе энергий порядка одного тераэлектронвольта и дает естественное объяснение нарушению четности в слабых взаимодействиях при низких энергиях как результат ее спонтанного нарушения при более высоких энергиях. Модель включает дополнительно три тяжелых калибровочных бозона, WR и Z', а также три правых тяжелых майорановских нейтрино, Nl. Эти нейтрино могут быть партнерами легких нейтринных ароматов, т.е. соответственно электронного, мюонного и тауонного нейтрино, и могут генерировать их массы посредством механизма типа «see-saw». Это делает поиски тяжелых нейтрино в эксперименте CMS чрезвычайно важными и актуальными.

ЛПСМ была предложена для объяснения несохранения четности в слабых взаимодействиях. Хорошо известно, что в СМ калибровочная симметрия нарушена спонтанно. С другой стороны, несохранение четности вводится в лагранжиан непосредственно, так сказать, руками. В противоположность этому, в ЛПСМ четность первоначально сохраняется на уровне лагранжиана и нарушается спонтанно, вместе с калибровочной симметрией.

Возникает естественный важный вопрос: на каком масштабе энергии происходит это нарушение? В течение долгого времени полагалось, что ЛПСМ не является экспериментально интересной, т.к. массы новых калибровочных бозонов WR и Z' существенно превышают тераэлектронвольт, т.е. находятся далеко за пределами достижимой на ускорителях энергии. Недавнее открытие явлений нейтринных осцилляций снова привлекло внимание к этому классу моделей, в основном по двум причинам: во–первых, правые тяжелые нейтрино, могущие быть партнерами легких нейтрино, являются составной частью моделей, во–вторых, локальная B-L- симметрия, не позволяющая тяжелым нейтрино иметь массы порядка планковских, также является калибровочной симметрией моделей. Это позволяет надеяться, что W R, Z' и N могут рождаться уже при энергиях БАК.

В т.н. минимальной SU(2)LSU(2)RU(1) ЛПСМ обычные левые калибровочные бозоны, их правые партнеры WR и калибровочный бозон группы U(1) смешиваются, образуя физические заряженные W и W', нейтральные Z и Z’ калибровочные бозоны и фотон. Взаимодействия этих бозонов описываются константами gR, gL и g соответственно.

Существующие экспериментальные данные накладывают ограничения на допустимые значения углов смешивания и масс этих частиц. Так, например, угол смешивания нейтральных бозонов составляет величину меньше, чем О(10–4), а масса Z’ превышает О(1) ТэВ. Довольно сильное ограничение на нижний предел для массы W', M(W’) > 1,6 ТэВ, получается из анализа разницы масс KL–KS, хотя и с довольно сильной неопределенностью из–за низкоэнергетических КХД-поправок в анализе каонной системы. Верхнее ограничение на угол смешивания при этом составляет величину порядка 0,013.

Результаты прямых поисков W' на Тэватроне дают ограничение на массу бозона M(W') > 786 ГэВ в предположении, что массы N лежат в кэвной области, и M(W') > 650 ГэВ в предположении, что массы M(N) < M(W')/2. Эти ограничения являются более сильными в обобщенных ЛПСМ. Отметим, что тяжелое майорановское нейтрино приводит к процессам с нарушением лептонного числа, ненаблюдаемость которых также позволяет получить некоторые новые ограничения.

Среди нескольких возможных реакций генерации WR и N в рр–столкновениях наибольший интерес представляют реакции p+p 2l + X через процесс слияния WR (а), а также две реакции p+p WR + X Nl + l + X (б) и p+p 2Nl + X (в) с последующим распадом тяжелого нейтрино на заряженные лептоны и струи. Реакция типа (а), аналогичная процессу двойного бета-распада, идущему, как известно, с нарушением лептонного числа, имеет преимущество в виде четкой экспериментальной сигнатуры – наличия двух лептонов в конечном состоянии. Однако, как показывают вычисления, сечение этой реакции существенно меньше по сравнению с процессами (б) и (в).

Соответствующие диаграммы для этих процессов показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 - Диаграммы процесса рождения тяжелого нейтрино через Z'-бозон (слева) и WR-бозон (справа).

Сечения этих реакций зависят от следующих параметров ЛПСМ: значений констант связи gR, величин масс MW и MN, значений CKM-матрицы смешивания для правого сектора, углов смешивания WR-WL и Z-Z', и значений масс тяжелых нейтрино Nl. В дальнейшем будут использоваться общепринятые предположения относительно этих параметров: значения констант связи gR и gL равны, значения CKM-матрицы смешивания для левого и правого секторов идентичны друг другу, углы смешивания W R-WL и Z-Z' равны. В рамках этих предположений Z' приблизительно в 1,7 раза тяжелее, чем WR и, следовательно, процессы, идущие через обмен Z', имеют меньшее сечение. Поэтому в дальнейшем основное внимание уделено изучению процесса p+p WR + X Nl+l + X, идущего через прямое рождение WR. Для простоты предполагается, что только нейтрино Nе, связанное с электронным ароматом, может рождаться при энергиях БАК, тогда как другие нейтрино являются более тяжелыми и не доступны на БАК.

Как показано на рисунке 1, правое майорановское нейтрино распадается главным образом на заряженный лептон и на виртуальный бозон WR, который, в свою очередь, после процесса адронизации кварков распадается на две струи, что приводит к появлению lljj-сигнатуры в конечном состоянии. В предположении, что доминирующим является электронный канал распада нейтрино Nе eWR e+2jets, конечное состояние, очевидно, представляет собой комбинацию двух пар e1e2 и j1j2. В случае, когда массы Nl вырождены, в конечном состоянии появляются также мюоны и тау–лептоны. Кроме того, сечение реакции p+p WR + X Nе+e + X отличается от невырожденного случая на фактор порядка 20% ввиду небольшого отличия в парциальной ширине распада WR.

Таким образом, пренебрегая этим небольшим различием сечений, можно рассматривать в конечном итоге для процесса p+p WR + X Nе+e +X только две независимые переменные, а именно, массы MW и MN.

Моделирование сигнальных и фоновых событий Моделирование сигнальных событий и вычисление сечений было выполнено с помощью пакета PYTHIA 6.2, в котором использовались функции распределения партонов программы CTEQ5L. На рисунке 2 показана зависимость полного сечения рождения правого бозона от его массы. Доля положительно заряженных бозонов, рожденных в рр– столкновениях, зависит от его массы и изменяется от 70% при MW 1 ТэВ до 95% при MW 10 ТэВ. Таким образом, при больших массах рождаются преимущественно W R+. На рисунке 3 показана зависимость произведения полного сечения рождения W R и доли распадов WR на электрон и нейтрино Nе в зависимости от массы MN для различных значений масс WR. Полное сечение процесса p+p WR + X Nе+e + X более чем на порядок превосходит сечение реакции p+p Z' + X 2Nе+ X, делая его, таким образом, наиболее предпочтительным для поиска тяжелых нейтрино.

Рисунок 2 - Зависимость полного сечения от массы WR-бозона для разных энергий пучка.

Рисунок 3 - Зависимость произведения полного сечения рождения WR и доли распадов WR на электрон и нейтрино в зависимости от массы тяжелого нейтрино для различных значений масс WR.

Моделирование сигнальных событий от распадов WR и Nе было выполнено с использованием программы полного моделирования и реконструкции событий в детекторе CMS CMSSW. Основные особенности предварительного отбора и анализа событий были следующими:

для электронного канала предварительно отбирались и реконструировались события, удовлетворяющие условиям отбора по триггеру L1, т.е. наличие в событии одного или двух электронов. Эффективность отбора событий по триггеру L1, соответствующих регистрации в электромагнитном калориметре одновременно двух электронов с поперечной энергией Et > 20 ГэВ, была близка к 100%. При этом эффективность регистрации этих событий по триггеру более высокого уровня HLT была также близка к 100%. Для мюонного канала отбирались события с хотя бы одним мюоном. Эффективность этого отбора также около 100%.

величина поперечной энергии электронов (позитронов) и мюонов Et > ГэВ.

требование условия наблюдения изолированных электронов в трековом детекторе оказалось очень важным. Согласно этому критерию отбирались только электронные события, сопровождающиеся не более одной частицей с поперечным импульсом более 2 ГэВ, локализованные в конусе радиусом 0,3 вокруг электронного трека. Полное моделирование событий показало, что отказ от этого критерия отбора существенно затрудняет правильную реконструкцию электронов при наличии в событии адронных струй. Для мюонов применялось аналогичное условие на изолированность треков.

После реконструкции событий, на первом этапе отбора событий–кандидатов требовалось наличие, по крайней мере, четырех реконструированных объектов, а именно, двух или более изолированных электронов (мюонов) и двух или более струй.

Характеристики двух струй (j1j2), имеющих максимальный поперечный импульс, использовались в дальнейшем для определения кинематики и вычисления эффективных масс в событии. Эффективность отбора истинных сигнальных событий составила при этом около 90%. На следующем этапе анализа отбирались события, удовлетворяющие следующим критериям:

наличие в конечном состоянии только двух изолированных электронов (мюонов) с инвариантной массой более чем 200 ГэВ;

инвариантная масса обеих комбинаций e1e2j1j2 (12j1j2) находится в определенном энергетическом диапазоне.

При реконструкции инвариантной массы MNcand использовалась комбинация со вторым по энергии лептоном e2j1j2(2j1j2).

Источником фона для сигнальных событий являются процессы СМ с парой лептонов и, по крайней мере, двумя струями в конечном состоянии. Для оценки величины фона эти события были смоделированы, реконструированы и отобраны с помощью тех же программ и критериев, что и сигнальные события. Первоначальное число смоделированных событий фона в детекторе CMS соответствовало их ожидаемому числу для полной светимости Lt = 30 фб-1.

В качестве источников фона рассматривались следующие процессы.

Фон от КХД, который важен только для событий с двумя электронами, так как при реконструкции высокоэнергетичных струй существует вероятность восстановить их как электрон. Для событий с мюонами этот фон не важен. Так как сечение такого процесса на девять порядков превышает сечение сигнального процесса, то полное прямое моделирование этого процесса связано с огромными затратами компьютерного времени и, таким образом, практически невозможно. Изучение фона от КХД проводилось при помощи метода «fake-rate». Суть метода состоит в следующем: сначала изучается вероятность для детектора CMS и его программного обеспечения реконструировать струю как электрон, а затем в сгенерированных КХД-событиях произвольным образом две струи заменяются электроном. Зависимость вероятности восстановления струи как электрона от энергии в событиях с двумя противоположно направленными струями рассчитана при помощи генератора PYTHIA 8. Данный фон хорошо описывается экспоненциальной функцией.

Процесс рождения двух t-кварков является одним из наиболее важных фоновых процессов. Сечение этого процесса примерно на три порядка превосходит сечение сигнального процесса при MW = 1,2 ТэВ и MN = 0,5 ТэВ. Оценка числа фоновых событий была проведена двумя методами: моделированием с помощью программы PYTHIA и с использованием программы FASTSIM. Этот пакет дополнительно учитывает спиновые корреляции между t-кварками, а также использует код TAUOLA для генерации распадов тау–лептонов. Согласие результатов позволяет надеяться на то, что оценка этого фона получена корректно. Этот фон также хорошо описывается экспоненциальной функцией.

Кроме того, данный фон можно независимо оценить из электрон-мюонного канала.

Сечение реакций с рождением ZH и WH достаточно мало и этот тип фона сравнительно легко подавляется с использованием описанных выше критериев. Значение массы бозона Хиггса, используемое при моделировании, составляло 190 ГэВ.

Другой важный источник фона связан с процессом ppZ+jets+... Так как сечение этого процесса примерно на пять порядков превосходит сечение сигнального процесса при MW = 1,2 ТэВ и MN = 0,5 ТэВ, полное моделирование этого процесса практически невозможно в связи с большими затратами компьютерного времени. Для уменьшения этого времени моделирование было проведено при помощи генератора Alpgen с использованием дополнительного отбора по минимальному поперечному импульсу на уровне генерирования событий, который не оказывал существенного влияния на оценку числа событий этого фона для данной полной светимости. Было показано, что этот тип фона эффективно подавляется с помощью критериев, аналогичных используемым для подавления фона ZW. Например, требование Mее > 200 ГэВ существенно подавляет этот фоновый процесс.

Процесс рождения ZW, сечение которого по порядку величины совпадает с сечением сигнального процесса при значениях масс MW = 1,2 ТэВ и MN = 0,5 ТэВ, тоже является фоновым. Ввиду того, что лептонные пары от сигнальных событий имеют существенно большие значения инвариантной массы, требование Mее > 200 ГэВ также существенно подавляет этот фоновый процесс.

В результате анализа было показано, что совокупный фон после прохождения условий отбора также может быть хорошо описан экспоненциальной функцией. Несмотря на то, что фон в области масс в несколько сотен гигаэлектронвольт достаточно велик, пик от распадов нейтрино хорошо идентифицируется. Если потребовать, чтобы реконструированная инвариантная масса комбинации e1e2j1j2 в этом же событии была больше, чем 1 ТэВ, уровень фона под пиком существенно уменьшается. Распределение масс для WR-событий в присутствии фона показывает, что пик WR проявляется отчетливо.

Отметим, что поиски пика в распределении эффективных масс для событий - кандидатов на распад нейтрино следует проводить после отбора этих событий по эффективной массе M(e1e2j1j2) > 1 ТэВ. Для области масс MW < 1,5 ТэВ следует отбирать события, удовлетворяющие условию M(e1e2j1j2) > 0,5 ТэВ. На рисунке 4 показано двумерное распределение инвариантных масс в плоскости (Mе1,е2j1j 2; Mе1е2j1j2) для реконструированных фоновых событий при условии, что электрон е1 имеет наибольшее значение Et. Видно, что уровень фона возрастает при сближении масс MN и MW.

Рисунок 4 Двумерное распределение инвариантных масс для реконструированных фоновых событий.

Уровень подавления фона на примере WR с массой 1,2 ТэВ и Ne с массой 500 ГэВ в зависимости от используемых условий отбора показан в таблице 1 для электронного канала и в таблице 2 - для мюонного. Данные соответствуют начальной стадии работы детектора CMS и полной светимости Lt = 100 фб-1. Эволюция числа фоновых событий в электрон-мюонном канале для оценки фона от двух t-кварков показана в таблице 3.

Таблица 1 - Эволюция числа сигнальных и фоновых событий в зависимости от примененных критериев отбора событий для электронного канала.

Таблица 2 – Эволюция числа сигнальных и фоновых событий в зависимости от примененных критериев отбора событий для мюонного канала.

Таблица 3 - Эволюция числа сигнальных и фоновых событий в зависимости от примененных критериев отбора событий для электрон-мюонного канала.

Благодаря своей природе майорановская частица может распадаться либо как дираковская частица, либо как дираковская античастица. Так как эти два конечных состояния различны, интерференция между ними отсутствует. Предположим, что тяжелое нейтрино Nl предпочтительно связано с заряженным лептоном, несущим l-аромат. Тогда, если Nl является дираковским нейтрино, оно всегда будет распадаться в состояние с заряженным лептоном противоположного знака, тогда как если оно является майорановским нейтрино, половина его распадов будет сопровождаться лептонами одинакового знака. Такие лептоны обладают четкой экспериментальной сигнатурой, которая представляет большой интерес для поиска тяжелого нейтрино майорановского типа, так как обеспечивает эффективную перекрестную проверку в случае обнаружения сигнала. Единственным источником фона в этом случае являются лептоны одинакового знака от событий типа ZH и WH. Однако сечения рождения таких событий довольно небольшие, что делает поиски тяжелого майорановского нейтрино в канале с двумя лептонами одинакового знака практически свободным от фона. Проблему может представлять неправильная реконструкция знака заряженного лептона. Предварительное изучение этого вопроса показало, что события с неправильным знаком могут быть эффективно подавлены при использовании дополнительного отбора на число «хитов» в треке. Так, например, требование наличия более чем 6 «хитов» дает подавление более чем в три раза, оставляя эффективность событий с правильным знаком на уровне 90%.

Результаты первого этапа эксперимента За 2010-2011 гг. детектором CMS было набрано 5 фб-1 удовлетворяющих триггеру экспериментальных данных, из них 240 пб-1 обработаны, остальные данные находятся в стадии обработки. В электрон-мюонном канале экспериментально обнаружены события, удовлетворяющие всем критериям отбора, которые хорошо согласуются с предсказаниями СМ. Распределение таких событий показано на рисунке 5. В электронном и мюонном каналах зарегистрирован пик от распада Z-бозона. Рисунки 6 и демонстрируют его для электронного и мюонного распадов соответственно. Наблюдается хорошее согласие с моделированием методом Монте-Карло. Количество КХД-струй, реконструированных как электроны, также хорошо согласуется с результатами моделирования (рисунок 8).

Рисунок 5 – Распределение событий в электрон-мюонном канале.

Рисунок 6 - Реконструированная масса Z-бозона в электронном канале.

Рисунок 7 - Реконструированная масса Z-бозона в мюонном канале.

Рисунок 8 – Распределение по инвариантной массе четырех объектов для электронов одинакового знака с целью проверки фона от КХД.

Распределение по количеству первичных взаимодействий и распределение по инвариантной массе четырех объектов на предварительной стадии отбора представлены на рисунке 9. Хорошее согласие между теоретическими предсказаниями и наблюдаемыми данными говорит о правильном понимании всех важных процессов, происходящих при высоких энергиях.

Рисунок 9 – Распределения по количеству первичных взаимодействий (слева) и по инвариантной массе четырех объектов (справа) в электронном канале.

События, прошедшие через все стадии отбора, представляют собой интересную картину, представленную на рисунке 10. Для мюонного канала видно небольшое превышение количества наблюдаемых данных над предсказываемым фоном, что дает надежду на обнаружение новой физики в ближайшее время. Одно из таких событий продемонстрировано на рисунке 11.

Рисунок 10 - Распределение событий по инвариантной массе четырех объектов после всех стадий отбора в электронном (слева) и мюонном (справа) каналах.

На рисунке 12 показаны графики наблюдаемого предела сечения рождения тяжелого нейтрино и правого W-бозона в зависимости от их масс. На рисунке 13 показаны области, где существование новых частиц в рамках ЛПСМ уже исключено. Достигнуто существенное улучшение (примерно в 3 раза) поставленных Теватроном пределов на массы тяжелых новых частиц. Поведение соответствующих этим массам сечений приведено на рисунке 14.

Рисунок 11 - Одно из событий, наблюдаемых в детекторе CMS, которое, возможно, указывает на физику вне рамок СМ.

Рисунок 12 - Верхний наблюдаемый (черная сплошная кривая) и ожидаемый (черная пунктирная кривая) пределы на сечение рождения тяжелого правого нейтрино и Wбозона в электронном (слева) и мюонном канале (справа) в зависимости от значений масс майорановского нейтрино N.

Рисунок 13 - Границы уже исключенных значений масс WR и майорановского нейтрино N в электронном (слева) и мюонном (справа) каналах.

Рисунок 14 - Зависимость сечения от масс нейтрино для различных масс W-бозона.

Значимость S открытия событий, содержащих новые частицы WR и Ne, можно определить, используя следующее соотношение: S = 2((Ns +Nb) - Nb) > 5, где Ns и Nb есть, соответственно, число сигнальных и фоновых событий, которые удовлетворяют условиям отбора, представленным в таблице 1 для обеих переменных Mе1,е2j1j2 и Mе1е2j1j2.

Соответствующая граница возможных значений масс W R и Ne показана на рисунке 15.

Видно, что при полной светимости Lt = 30 фб-1, соответствующей приблизительно трем годам набора данных при низкой интенсивности, на установке CMS возможно открытие распадов Ne и WR с массами вплоть до 2,3 и 3,5 ТэВ соответственно.

Рисунок 15 - Границы возможных значений масс WR и майорановского нейтрино Ne для разной интегральной светимости БАК.

Неопределенности в оценках уровня фона достаточно малы ввиду того, что мал уровень самого фона. Граница возможных значений масс WR и Ne на рисунке определяется, с одной стороны, быстрым падением сечения при сближении масс W R и Ne и, с другой стороны, падением эффективности реконструкции событий для малых масс N e.

Неточности в энергетической шкале струй порядка 3% приводят к неопределенности фона 5…10%, что уменьшает значимость на 3…10%. Верхняя граница сдвигается при этом на 0,5…3%, тогда как нижняя граница изменяется на 2…4%. Неопределенности в сечениях рождения WR и Ne были оценены с использованием различных функций распределения плотности партонов. Изменение сечения составило при этом около 6% для всех возможных значений масс WR и Ne.

Разработка и использование инструмента MCPLOTS Все современные эксперименты по физике высоких энергий разрабатывают и используют пакеты программного обеспечения для математического моделирования.

Необходимость появления таких пакетов была продиктована увеличением сложности экспериментальных задач и структуры экспериментальных установкок. Моделирование необходимо для планирования эксперимента и интерпретации его результатов.

Моделирование эксперимента в установке CMS состоит из двух основных частей: расчет взаимодействия первичных частиц и расчет отклика детектора на продукты распада первичных частиц.

Программы, которые выполняют моделирование отклика, уникальны для каждого эксперимента, поскольку учитывают именно его особенности. Программы, которые выполняют моделирование столкновения частиц взаимодействия, называются генераторами событий (генераторами Монте-Карло) и являются общими для всех типов экспериментов. Существует множество генераторов событий, которые используют разные подходы для расчета столкновения частиц. Наиболее известные и широко используемые это Pythia 6, Pythia 8, Herwig++, Sherpa, Alpgen. Поскольку генераторы событий совместно используются всеми экспериментами и от их работы напрямую зависят результаты работы эксперимента, то становится исключительно важным и необходимым их правильная настройка и проверка результатов расчета, что особенно существенно в свете обработки данных установки CMS.

Для того, чтобы выполнить задачи настройки и проверки генераторов событий, был разработан новый инструмент под названием MCPLOTS. Инструмент представляет собой каталог графиков, сравнивающих результаты работы генераторов событий с большим множеством доступных экспериментальных данных, базу данных результатов экспериментов и моделирования и программное обеспечение для запуска генераторов http://mcplots.cern.ch. Сайт содержит меню, организованное по процессам и наблюдаемым величинам. После выбора наблюдаемой величины можно просмотреть рисунки, где сравниваются результаты работы различных генераторов событий с экспериментальными данными. Для удобства использования инструмента MCPLOTS под рисунком находятся ссылки на соответствующие управляющие файлы для генераторов событий и ссылки на экспериментальные данные. Это позволяет пользователям каталога легко воспроизвести результаты, представленные на сайте.

Модернизация электромагнитного калориметра ECAL В 2011 г. была проведена модернизация экспериментальной установки для исследования процессов восстановления прозрачности кристаллов, облученных протонными пучками до уровня доз, соответствующих радиационным условиям на БАК.

Модернизированная экспериментальная установка, которая располагается на канале H экспериментального зала ЦЕРНа, представлена на рисунке 16.

Рисунок 16 - Модернизированная установка для исследования радиационных свойств кристаллов, облученных на канале Н4.

Внутреннее устройство матрицы показано на рисунке 17. Конструкция обеспечивает доступ к каждому каналу независимо, что позволяет проводить измерения с различными комбинациями облученных и необлученных кристаллов, приемников света и электронных устройств для регистрации сигнала.

Рисунок 17 - Устройство бокса для размещения экспериментальной сборки.

В течение 2011 г. было проведено три сеанса на канале Н4 экспериментального комплекса. Исследуемые кристаллы в количестве 31 шт. предварительно облучались пучками протонов на ускорителях SPS в ЦЕРНе и ETH в Цюрихе (энергия 24 ГэВ, поток частиц 1010 протон/см2). Дозы облучения изменялись в широких пределах вплоть до 50% от дозы за 10 лет работы БАК. Далее с данными кристаллами проводились исследования по влиянию различных способов светового (350…750 нм) и термического (30…100C) воздействия на восстановление их прозрачности.

В результате исследований было установлено влияние различных способов воздействия на кристаллы для ускорения восстановления их оптической прозрачности (рисунок 18) и показано, что применение теплового и оптического отжига одновременно позволяет значительно ускорить восстановление прозрачности кристаллов даже при невысоких температурах порядка 40…50C. Обработка результатов проведенных испытаний показала, что существует реальная возможность ускорить восстановление оптической прозрачности кристаллов электромагнитного калориметра в процессе его работы.

Рисунок 18 – Влияние различных способов воздействия на кристалл для восстановления его оптической прозрачности после облучения протонами.

Контроль работы детекторных систем и качества данных Группа ECAL DPG (Detector Performance Group – группа характеристик детектора ECAL) ответственна за работу электромагнитного калориметра CMS. В задачи группы входит разработка, оптимизация и поддержка аппаратной части калориметра и соответствующего программного обеспечения. Участие ИЯИ РАН заключается в поддержке одного из модулей программного обеспечения (распаковщик первичных данных) для первичной обработки данных, поступающих с калориметра. Эти данные с калориметра ECAL поступают в так называемом «сыром» формате и требуют распаковки, контроля целостности и нормировки для последующего использования.

Контроль целостности поступающих данных необходим для того, чтобы избежать использования некорректных данных в случае аппаратных проблем электроники детектора. Одной из таких проблем, обнаруженных в этом году, была потеря синхронизации данных в некоторых сеансах работы детектора. Калориметр состоит из нескольких модулей и при каждом столкновении из каждого модуля поступает отдельный блок данных, который маркируется в соответствии с номером столкновения.

Далее при сборе информации блоки, соответствующие одному и тому же номеру столкновения, группируются в одно событие. При потере синхронизации блок получает случайный номер, и событие оказывается неполным. Проблема осложняется тем, что в последующем событиях синхронизация не восстанавливается (рисунок 19) и требуется ручной сброс электроники калориметра для восстановления работы. Поэтому, чтобы предотвратить набор некорректных данных, программный код распаковщика был модифицирован таким образом, чтобы автоматически прерывать сеанс работы детектора, как только пришло первое событие со сбоем синхронизации. Таким образом, была улучшена эффективность набора данных — разница между доставленными и отобранными данными. В частности, были решены проблемы, связанные с обработкой некорректных пакетов данных (с нарушенной синхронизацией):

- корректно обработаны события с пометкой "de-sync" в блоках FED;

- исправлены ошибки TT31 в блоке FED 601;

- добавлен новый код в блок EventFilter/EcalRawToDigi для очередного выпуска CMSSW;

- исправлены исключения InvalidDetId распаковщика ECAL.

Рисунок 19 - Распределение загрузки ячеек электромагнитного калориметра в двух последовательных частях сеанса 146511 работы детектора CMS. Сбой синхронизации привел к отсутствию данных одного из модулей детектора (рисунки справа).

Калибровка адронного калориметра HCAL Одной из основных задач, связанных с участием ИЯИ РАН в работе детектора CMS, является обеспечение безотказного функционирования адронного калориметра HCAL, который является поддетектором CMS. В связи с этим выполнялись работы по тематике группы DQM (Data Quality Monitor – контроль качества данных), обеспечивающей детальное слежение за работой отдельных компонентов HCAL.

Важнейшей задачей, связанной с правильной работой HCAL, является его калибровка. Она может быть выполнена при помощи изолированных треков от заряженных частиц, которые после рождения проходят через трековую часть установки, где с хорошей точностью определяются импульсы этих частиц. Далее эти частицы должны проходить без заметных потерь энергии через электромагнитный калориметр, расположенный непосредственно перед адронным калориметром, и выделять свою энергию в HCAL в виде адронных ливней. Из распределения отношения этой энергии к импульсу заряженной частицы (E/p) можно определить коррекцию к величине энергии, выделенной в HCAL. При этом подразумевается, что импульс частиц определяется с хорошей точностью. В качестве таких частиц используются заряженные пионы. Треки от пионов должны быть изолированными, т.е. в некотором конусе вдоль направления движения пиона не должны присутствовать треки других заряженных частиц с импульсами выше некоторого порога. В ECAL также не должно быть заметного энерговыделения в этом же конусе. Этим проверяются так называемые заряженная и нейтральная изоляции.

Вместе с тем, в рассматриваемом конусе могут проходить нейтральные частицы, которые могут не выделить заметной энергии в ECAL и давать адронные ливни в HCAL, например, нейтроны, нейтральные каоны и т.д. Критерий изолированности окажется нечувствительным к таким частицам, они могут вносить погрешность в определение энерговыделения в HCAL от изолированных треков.

Кроме того, в HCAL, в области, используемой для калибровки, могут присутствовать энерговыделения от заряженных треков, которые либо не были реконструированы в трекере, либо прошли мимо изоляционного конуса (косые треки). Подобные треки также могут вносить погрешность в определение энерговыделения в HCAL от изолированных треков.

Группой ИЯИ РАН была выполнена работа по оценке величины подобной погрешности. Такая оценка может быть сделана, в частности, из изучения смоделированных событий, где наряду с реконструированной информацией сохранялась первичная информация о смоделированном процессе, которая позволяет оценить присутствие фоновой энергии в составе реконструированной энергии. Другим методом оценки может быть оценка непосредственно из экспериментальных данных. Наряду с заряженными пионами образуются нейтральные пионы, распадающиеся на два фотона, которые, в основном, неразделимы на уровне электромагнитного калориметра. Поэтому, если отбирать в ECAL изолированные электромагнитные кластеры, через которые не проходят заряженные треки, то в проекции такого кластера в HCAL не должно быть никакого энерговыделения, т.к. фотоны от распадов нейтральных пионов при выбранном импульсе калибрующих частиц не могут пройти через ECAL. В HCAL могут присутствовать только энерговыделения от фоновых процессов.

Предварительный результат показывает, что смещение среднего значения в распределении E/p, связанного с возможным фоном от нейтральных и заряженных частиц, имеет величину порядка 1,5%. В качестве иллюстрации на рисунках 20 и приведены распределения отношений E/p для всех событий, отобранных для калибровки (рисунок 20), и для событий, в которых нет энерговыделения от фоновых процессов (рисунок 21). Из сравнения этих распределений видно, что в результате присутствия фоновой энергии среднее в распределении E/p смещено в область больших значения примерно на 1,5%.

Использовалось полное моделирование КХД-событий с импульсом в диапазоне 80…120 ГэВ с суммарным количеством смоделированных событий 9,2x106. Для калибровки отбираются изолированные треки с импульсом 40…60 ГэВ. Данная работа будет продолжена, т.к. моделирование подобных процессов вызывает технические сложности, связанные со значительным размером событий и необходимостью хранить исходную смоделированную информацию наряду с реконструированной.

Рисунок 20 - Распределение E/p для всех событий, отобранных для калибровки.

Рисунок 21 - Распределение E/p для событий, в которых отсутствует фоновая энергия.

Ведется разработка дополнительных модулей системы DQM (Data Quality Monitor – контроль качества данных) для обнаружения и контроля “горячих” ячеек в адронном калориметре. Под этим подразумевается своевременное обнаружение и мониторинг изолированных ячеек адронного калориметра, энерговыделение в которых существенно превышает ожидаемое. Первая версия модулей уже входит в систему DQM.

Рисунок 22 - Иллюстрация работы обновленной системы DQM по обнаружению горячих ячеек HCAL.

На рисунке 22 показан пример работы обновленной системы DQM по обнаружению горячих ячеек. Дополнительно ведется подготовка для работы системы при увеличенной светимости, планируемой в следующем году.

В 2011 году сотрудниками ИЯИ РАН был также выполнен ряд работ по анализу данных с калориметра CASTOR. Для получения интеркалибровочных коэффициентов отдельных секций калориметра выбирались данные по т. н. сплэш-мюонам. Специальный режим работы БАК позволял получать пучки, состоящие только из мюонов, сигналы от которых и использовались для калибровки. Были проанализированы данные калориметра за 2010-2011 гг. Получены коэффициенты калибровки, а также рассмотрено влияние магнитного поля на отклик детектора. Результаты работы представлены на собрании группы CASTOR. В данный момент ведется подготовка калориметра к работе с пучками тяжелых ионов, набор статистики по которым будет произведен в ноябре – декабре 2011 года. В 2012 году планируется проводить анализ полученных данных в рамках поиска событий типа «кентавр».

Модернизация адронного калориметра HCAL В 2009 г. коллаборацией CMS было принято решение о начале работ по модернизации адронного калориметра HCAL детектора CMS для работы в условиях высокой светимости ускорителя SLHC (3х1034 см-2сек-1). Одной из важнейших задач этой модернизации является разработка новых фотоприемников для HCAL и замена ранее установленных фотоприемников - гибридных фотодиодов HPD (Hybrid Photo Diods) - на микропиксельные лавинные фотодиоды (МЛФД), также известные как кремниевые фотоумножители.

Причины, по которым необходима такая модернизация, заключаются в следующем:

оказалось, что при напряженности магнитного поля порядка 1…2 Тл в гибридных фотодиодах возникают электрические разряды, приводящие к увеличению шума фотодиодов и выходу их из строя;

в условиях высокой светимости калориметр "перегружен" сигналами от частиц с низкими энергиями (т.н. эффект наложений или "pile up"). Для лучшего выделения частиц с высокими энергиями в баррельной и торцевой частях HCAL было предложено увеличить продольную гранулярность калориметра.

Считывание сигналов с разных слоев калориметра должно также помочь компенсировать эффект радиационных повреждений в сцинтилляторах и спектросмещающих волокнах.

нечувствительности к магнитному полю, компактности и сравнительно низкой стоимости.

Однако тесты коммерчески доступных МЛФД (фирм Hamamatsu, Zecotek и др.), проведенные в 2010 г., показали, что не все их параметры удовлетворяют условиям работы в HCAL и что МЛФД нуждаются в существенной доработке (рисунок 23). Была принята программа по улучшению параметров МЛФД, которая установила основные цели разработки:

- уменьшение времени восстановление ячеек МЛФД до 5…15 нс;

- увеличение динамического диапазона МЛФД до 10000…15000 ячеек/мм2;

- сохранение высокой квантовой эффективности МЛФД (больше 15%) при высокой плотности ячеек (10000…15000 ячеек/мм2);

- улучшение радиационной стойкости МЛФД (устойчивая работа в потоках нейтронов вплоть до 3х1012 н/см2);

- уменьшение чувствительности МЛФД к быстрым нейтронам (вероятность сигналов, вызванных нейтронами, должна быть меньше 10-4, при пороге регистрации фотоэлектронов).

Рисунок 23 - Фотографии ячеек МЛФД фирмы Hamamatsu: коммерческие МЛФД (размер ячейки 50 и 25 микрон) и МЛФД, разработанные для HCAL (размер ячейки 20 и микрон).

Участие группы ИЯИ РАН в модернизации HCAL в основном сконцентрировано на разработке и внедрении нового типа фотодетекторов для регистрации сцинтилляционных сигналов с адронного калориметра. Основной интерес здесь представляет замена ранее использовавшихся гибридных фотодиодов на МЛФД. Основное направление работ группы состоит в следующем:

– разработка и запуск автоматизированной установки для получения основных характеристик МЛФД, таких как спектральная чувствительность, усиление, линейность, время восстановления, радиационная стойкость и др.;

– участие в тестировании МЛФД разных фирм;

– участие в изучении радиационной стойкости приборов под действием радиационного облучения нейтронами, протонами и гамма-квантами;

– исследование чувствительности МЛФД к облучению нейтронами;

– участие в разработке электроники съема сигналов МЛФД и их последующей обработке;

– участие в тестовых измерениях адронного калориметра на пучках частиц SPS в ЦЕРНе;

– участие в анализе и обработке данных, полученных в тестовых измерениях.

Для осуществления этой программы и полноценного участия в модернизации адронного калориметра требуется финансирование в течение 2012-2014 гг. в размере около 7 млн. руб.

В 2011 году группа сотрудников ИЯИ РАН приняла активное участие в работах по исследованию новых МЛФД, разработанных фирмами Hamamatsu (Япония), Zecotek (Сингапур), FBK (Италия), NDL (Китай), KETEK (Германия) в рамках программы модернизации HCAL. Были построены измерительные стенды и проведены исследования таких параметров МЛФД, как квантовая эффективность и ее зависимость от напряжения и длины волны света, время восстановления ячеек МЛФД, коэффициент оптической связи между ячейками МЛФД, шум-фактор и его зависимость от напряжения смещения.

Некоторые из результатов измерений параметров МЛФД Hamamatsu, разработанных для HCAL, показаны на рисунках 24 - 25.

Рисунок 24 - Квантовая эффективность МЛФД фирмы Hamamatsu, измеренная для зеленого света, в зависимости от напряжения смещения.

Рисунок 25 - Восстановление ячеек МЛФД фирмы Hamamatsu при разных гасящих сопротивлениях.

Был создан специальный стенд и проведены исследования радиационной стойкости различных МЛФД при их облучении быстрыми нейтронами с энергией 1 МэВ на установке IRRAD-6 в ЦЕРНе. Зависимость амплитуды сигналов светодиода, измеренных разными МЛФД, от дозы облучения показана на рисунке 26.

Рисунок 26 - Зависимость амплитуды сигналов светодиода, измеренных разными МЛФД, от дозы облучения.

Из лучших МЛФД, разработанных фирмами Hamamatsu, Zecotek, FBK и KETEK, были изготовлены матрицы МЛФД (рисунок 27) и проведены их испытания в составе модуля адронного калориметра на тестовых пучках ускорителя SPS в ЦЕРНе. Группа ИЯИ РАН приняла активное участие в подготовке и проведении этих тестов.

Рисунок 27 - Матрица МЛФД фирмы КЕТЕК, использовавшаяся в тестах на пучках пионов ускорителя SPS.

Получены данные по облучению детектора электронами, пионами и мюонами при различных энергиях. В процессе проведения облучения было необходимо контролировать параметры тестового стенда, такие как температура в рабочей области, низкое и высокое напряжения, параметры пучка, а также менять положение стенда, изменять конфигурацию тестируемого пучка, включать на запись данные с электроники, контролировать качество получаемых данных. Эти обязанности возложены на дежурных, находящихся на смене. Сотрудники ИЯИ РАН в летнем и осеннем сеансах 2011 года отдежурили 24 смены на тестовых пучках. Проводится анализ полученных в тестовом сеансе экспериментальных данных.

Одной из основных целей проведения тестового облучения баррельной части адронного калориметра было проведение измерений радиационной устойчивости новых МЛФД, так как было замечено, что после двух лет работы на CMS многие HPD, установленные там, начали заметно шуметь из-за облучения различным ионизирующим излучением. Это сильно уменьшило разрешающую способность адронного калориметра, что создает серьезную проблему для нормального функционирования детектора в будущем. Именно поэтому измерению радиационной стойкости приборов уделялось особое внимание. Исследования проводились с тремя идентичными по характеристикам МЛФД, первый из которых подвергался предварительному облучению со светимостью аб-1, что соответствует троекратной планируемой светимости коллайдера SLHC, второй аб-1, а третий МЛФД использовался без предварительного облучения. На рисунках 28 и 29 представлены полученные данные для этих трех приборов при температурах 5 и 20C соответственно. Основной характеристикой МЛФД является отношение сигнал/шум, которое можно оценить, взяв наиболее вероятные значения распределений для сигнала и шума. Как видно из рисунков, несмотря на высокую дозу облучения, способность МЛФД реагировать на фотоны уменьшилась незначительно. Другой важной характеристикой для калибровки детектора и определения энергии частиц, от которой напрямую зависит разрешение детектора, является дисперсия распределений, показанных на рисунках 28 и 29. Этот параметр, безусловно, увеличивается по мере радиационной деградации модулей МЛФД, тем не менее, даже с облученными модулями МЛФД адронный калориметр способен сохранять работоспособность. Кроме того, как и ожидалось, при температуре 5C дисперсия немного меньше, чем при 20C.

Рисунок 28 – Распределение событий в зависимости от суммы заряда (слева – два бина, справа – три) для сигнала (черная кривая) и шума (красная кривая) для разной светимости облучения МЛФД (9 аб-1 - верхний ряд; 4,5 аб-1 - средний ряд; необлученный модуль – нижний ряд) при температуре 5C.

Полученные результаты позволяют сделать предварительный вывод о том, что замена HPD на МЛФД позволит в будущем избежать проблем, связанных с радиационным старением фотоприемников, и сохранять высокие характеристики адронного калориметра на протяжении всего периода работы коллайдера БАК. Работа по обработке данных, полученных в процессе тестовых сеансов, продолжается.

Рисунок 16 - Распределение событий в зависимости от суммы заряда (слева – два бина, справа – три) для сигнала (черная кривая) и шума (красная кривая) для разной светимости облучения МЛФД (9 аб-1 - верхний ряд; 4,5 аб-1 - средний ряд; необлученный модуль – нижний ряд) при температуре 20C.

Были также выполнены работы по созданию программного обеспечения для стенда по изучению характеристик новых образцов APD (Avalanche Photo Diode – лавинных фотодиодов), планируемых для установки в HCAL. Разработка программного обеспечения для сбора и обработки данных измерений характеристик APD должна обеспечить максимальную автоматизацию процесса измерения для достижения высокой скорости паспортизации и отбраковки образцов фотосенсоров ввиду их большого количества. Блок-схема стенда и его основные функциональные характеристики изображены на рисунке 30, пример характеристик фотоприемника, считанных с помощью разработанной программы, показан на рисунке 31.

Рисунок 30 - Блок-схема стенда по измерению основных функциональных характеристик образцов фотоприемников для модернизации HCAL.

Рисунок 31 - Форма импульса фотоприемника, считанного с помощью программы по измерению основных функциональных характеристик.

Планы работ на 2012 г.

План работ ИЯИ РАН на 2012 г. предусматривает:

- вклад в физическую программу CMS: участие группы ИЯИ РАН в моделировании и анализе экспериментальных данных БАК с целью поиска нового калибровочного правого бозона WR и майорановского нейтрино, публикация статьи в реферируемом журнале;

- участие в работе групп электромагнитного и адронного калориметров установки CMS: дальнейшее развитие алгоритмов и методов отбора и реконструкции энергии и координат частиц в детекторах, улучшение методов и точности калибровки детекторов, мониторинг стабильности работы в течение времени набора данных;

- участие в модернизации электромагнитного и адронного калориметров установки CMS: проектировка и изготовление стенда для измерения характеристик радиационного повреждения новых образцов кристаллов для электромагнитного калориметра, проектировка стенда для измерения различных типов образцов фотоприемников для адронного калориметра, участие в совещаниях и рабочих собраниях коллаборации CMS;

- участие в сервисных работах по качественному набору данных на установке CMS:

дежурство в сменах, участие в обновлении и усовершенствовании программы сбора данных и реконструкции событий.

План работ по модернизации ECAL в 2012 г. включает в себя:

- создание модели электромагнитного калориметра для изучения влияния стимулированного восстановления оптической прозрачности кристаллов на характеристики детектора;

- разработку технического обоснования для применения стимулированного восстановления оптической прозрачности кристаллов на торцевом электромагнитном калориметре CMS.

План работ по модернизации HCAL в 2012 г. включает в себя:

- исследования базовых характеристик новых образцов МЛФД фирм Hamamatsu, KETEK, Zecotek, ФБK и NDL, обладающих улучшенными параметрами: квантовой эффективности, шумов, времени восстановления ячеек, быстродействия, динамического диапазона, температурной чувствительности;

- дополнительные испытания новых МЛФД на пучках протонов, нейтронов и гамма-квантов, требующие существенного улучшения измерительных стендов и их программного обеспечения, что планируется осуществить силами группы ИЯИ РАН;

разработанными в рамках программы модернизации CMS HCAL, на тестовых пучках SPS летом и осенью 2012 г.;

- анализ данных, поступающих с установки CMS, с целью изучения поведения характеристик в реальных условиях эксперимента установленных в 2009 г. 144 МЛФД, изготовленных фирмами Hamamatsu и Zecotek.

ВЫВОДЫ

В результате проделанной работы исследован потенциал и возможности обнаружения на установке CMS тяжелого нейтрино майорановского типа Ne и нового калибровочного бозона WR. Тяжелые нейтрино могут быть партнерами легких нейтринных ароматов и могут обеспечивать их массивность. Показано, что необходимое подавление фона от процессов, описываемых Стандартной моделью, достигается за счет требования наблюдения в конечном состоянии двух изолированных электронов и, по крайней мере, двух струй. В 2011 г. группа ИЯИ РАН в сотрудничестве с группой из Университета Минессоты (США) получила первые результаты по проверке лево-право симметричной модели на БАК. В результате анализа данных, полученных коллаборацией CMS в течение 2010-2011 гг. и соответствующих полной светимости БАК 240 пб-1, были получены ограничения на массу WR около 1700 ГэВ, при ограничении на массу тяжелого нейтрино 600 ГэВ. Новый нижний предел на массу правого W-бозона превышает аналогичный параметр, установленный на Тэватроне, в 2,3 раза. Полученные результаты одобрены коллаборацией CMS к публикации в печати.

За 2009-2011 гг. детектором CMS набрано 5 фб-1 данных, из них 0,24 фб- обработано, остальные находятся в стадии обработки. Показано хорошее соответствие между наблюдаемыми данными и предсказаниями Стандартной модели в области масс порядка 100 ГэВ. Тем не менее, наблюдается небольшое превышение числа событий в полученных данных в мюонном канале для областей масс порядка 1 ТэВ, что может являться прямым указанием на существование новой физики, связанной с открытием нейтринных осцилляций, а также позволяет надеяться на проявление в ближайшем будущем связанных с ней эффектов при энергиях БАК в ЦЕРНе.

Наряду с участием в физической программе на установке CMS, группа ИЯИ РАН в 2011 г. участвовала в сменах, обеспечивая высокую эффективность набора данных, участвовала в сервисных работах групп электромагнитного и адронного калориметров, участвовала в работах по модернизации электромагнитного и адронного калориметров и принимала активное участие в разработке и совершенствовании генераторов МонтеКарло для моделирования физических событий на установке CMS.

Изучение фундаментальных свойств антиматерии в гравмтационном поле в эксперименте AEGIS в ЦЕРН В эксперименте AEGIS – Antimatter Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy, по изучению гравитационных свойств антиматерии и спектроскопии антиводорода в ЦЕРН предполагается впервые провести измерения ускорения свободного падения свободных атомов антиводорода, а также получить данные по спектроскопии возбужденных состояний этих атомов с целью проверки CPT-теоремы об эквивалентности свойств материи и антиматерии. Эксперимент имеет небольшую историю т.к. был одобрен комитетом SPSC ЦЕРН в начале 2009 года. Планируется провести широкомасштабные исследования в области физики позитрония, которые включают в себя поиски новой физики в распадах или реакциях позитрония. Программа этих исследований была теоретически обоснована и предложена в ИЯИ РАН.

В 2011 г. основные усилия коллаборации были сосредоточены на более детальной технической разработке основных узлов установки, проведении ряда тестовых испытаний и расчетов по методу Монте Карло основных процессов, связанных с получением большого количества атомов антиводорода и формированием суперхолодного пучка этих атомов в вакууме, а также на проведении начальных работ по монтажу установки в экспериментальном зале. Следующий этап эксперимента (2012– гг.) связан с изготовлением и приобретением необходимого оборудования, началом его монтажа и сборкой основных подсистем и узлов установки, проведением первых измерений с пучками позитронов и антипротонов.

Метод исследования основывается на формировании пучка суперхолодных атомов антиводорода в реакциях перезарядки атомов позитрония в высоковозбужденных состояниях и холодных антипротонов, регистрации свободного падения пучка атомов антиводорода в гравитационном поле Земли с помощью атомного интерференционного дефлектометра в диапазоне энергий атомов антиводорода, соответствующего эффективной температуре порядка 100 мК. Мотивация для данных исследований следующая.

Известно, что бльшая часть вещества нашей Вселенной находится в виде материи (еще большая часть находится в неизвестном виде – это так называемая «темная материя»). Предполагается, что гравитационные свойства антиматерии в теории гравитации Ньютона-Эйнштейна являются идентичными гравитационным свойствам материи. Это следует из CPT- теоремы, хотя квантовая теория гравитации на сегодняшний день еще не создана. А вот как будет вести себя антивещество в гравитационном поле материи (не антиматерии!)? Будет ли отличаться величина ускорения свободного падения атома водорода и атома антиводорода? Уверенно ответить на эти вопросы затруднительно.

Регистрация отличия в величинах ускорения свободного падения атома водорода и атома антиводорода было бы важнейшим открытием в фундаментальных исследованиях в области физики элементарных частиц. Отметим, что аналогичными исследованиями занимаются коллективы исследователей в США (ФНАЛ), Японии, но центр исследований в области антиматерии, безусловно, находится в ЦЕРН.

Установка AEGIS состоит из накопителя позитронов, большого сверхпроводящего магнита, создающего мощное магнитное поле для удержания холодных антипротонов, поставляемых антипротонным декселератором, и формирования холодных атомов антиводорода в реакциях перезарядки холодных антипротонов с возбужденными атомами позитрония. Установка работает при криогенных температурах порядка 100 мК и включает в себя интерференционный дефлектометр и ряд детекторов, расположенных на торце магнита для эффективной регистрации продуктов аннигиляции антиатомов при столкновениях с веществом. Метод, используемый в установке AEGIS, позволяет достичь уникальной чувствительности при определении величины ускорения свободного падения атомов антиводорода.

Установка AEGIS будет создаваться в ЦЕРН в течение 2012-2014 гг. коллективом, состоящим из группы более чем 50 ученых и инженеров ЦЕРН и научных институтов России, Германии, США, Франции, Италии, Чехии, Швеции и Швейцарии.

Цель первого этапа работ на данной установке (2007-2011 гг.):

- разработка методики измерения величины гравитационного ускорения свободного падения атомов антиводорода;

- разработка методики формирования атомов антиводорода;

- разработка методики формирования направленного пучка холодных атомов - разработка методики формирования холодных атомов позитрония;

- создание детекторов для регистрации гамма-квантов в кэвной области энергий с низким порогом регистрации и высоким разрешением;

- разработка большого криогенного сверхпроводящего магнита;

- разработка прецизионного теплого магнитного соленоида для накопи теля позитронов;

- разработка методики накопления атомов позитрония;

- разработка методики возбуждения и получения большого количества атомов позитрония в ридберговском состоянии;

- создание системы блокировки установки, позволяющей обеспечить надежную работу вакуумной и криогенной систем установки;

- определение пространственных и временных характеристик уровня фона, а также естественной радиоактивности;

- моделирование узлов установки и получение результатов.

На втором этапе проведения работ в 2012-2014 гг. планируется:

- изготовление криогенной системы;

- запуск и наладка первой очереди позитронного накопителя: высоко интенсивного источника позитронов и ловушки позитронов;

- разработка, изготовление соленоида для позитронного накопителя - испытание позитронного накопителя в сочетании с высокоинтенсивным источником позитронов и ловушкой позитронов;

- проведение тестовых измерений и установление возможности эффективного формирования холодных атомов позитрония в ридберговском состоянии методами двухступенчатого лазерного возбуждения.

На третьем этапе проведения работ планируется проведение промежуточных экспериментов и получение физических результатов по наиболее эффективным методам формирования холодных позитрониев в высоковозбужденных (ридберговских) состояниях и поиску редких распадов и процессов с позитронием, предложенных физиками ИЯИ РАН. Этот этап будет подробно описан в последующих отчетах по программе AEGIS. Создание полномасштабной установки, проведение тестовых измерений по набору данных и обеспечение ее нормального функционирования планируется в 2014 г.

В результате работ, проведенных на первом этапе:

- предложена схема формирования холодных атомов позитрония, которая взята за основу в эксперименте для метода формирования ато мов антиводорода;

- предложена схема формирования направленного пучка холодных атомов антиводорода, которая отмечена коллаборацией как одна из перспективных;

- проведены расчеты и на их основе выполнено конструирование прецизионного магнитного соленоида для накопителя позитронов уста новки AEGIS;

- предложена схема накопления позитронов;

- проведены оценки интенсивности потоков позитронов в накопителе;

- предложены эксперименты по поиску новой физики в распадах позитрония.

Результаты исследований опубликованы в ряде ведущих физических журналов.

предназначенной для изучения гравитационных свойств и спектроскопии антиводорода.

В эксперименте AEGIS предполагается впервые в мире провести измерения ускорения свободного падения свободных атомов антиводорода и получить данные по спектроскопии возбужденных состояний этих атомов с целью проверки CPT-теоремы об эквивалентности свойств материи и антиматерии *1-3+. Эксперимент имеет небольшую историю, так как был одобрен комитетом SPSC в ЦЕРН в начале 2009 г. Планируется провести широкомасштабные исследования в области физики позитрония, которые включают в себя поиски новой физики в распадах или реакциях позитрония *4+.

Программа этих исследований была теоретически обоснована и предложена ИЯИ РАН. В 2011 г. основные усилия сотрудничества были сосредоточены на более детальной технической разработке основных узлов установки, проведении ряда тестовых испытаний и расчетов по методу Монте Карло основных процессов, связанных с получением большого количества атомов антиводорода и формированием суперхолодного пучка этих атомов в вакууме. Следующий этап эксперимента связан с созданием основных подсистем установки в 2012 г.

Метод исследования основывается на формировании пучка сверх-холодных атомов антиводорода в реакциях перезарядки атомов позитрония и холодных антипротонов и регистрации свободного падения пучка атомов антиводорода в гравитационном поле Земли с помощью атомного интерференционного дефлектометра в диапазоне энергий атомов антиводорода соответствующего эффективной температуре порядка 100 мК. Мотивация для данных исследований следующая.

Известно, что большая часть вещества нашей Вселенной находится в виде материи (еще большая часть находится в неизвестном виде – это так называемая «темная материя»). Гравитационные свойства материи описываются в теории гравитации Ньютона-Эйнштейна. Предполагается, что гравитационные свойства антиматерии в теории Ньютона-Эйнштейна являются идентичными гравитационным свойствам материи.

Это также следует из CPT-теоремы (хотя квантовая теория гравитации на сегодняшний день еще не создана и условия применимости этой теоремы пока не ясны). А вот как будет вести себя антивещество в гравитационном поле материи (не антиматерии!)? Будет ли отличаться величина ускорения свободного падения атома водорода и атома антиводорода? Уверенно ответить на эти вопросы затруднительно.

Регистрация отличия в величинах ускорения свободного падения атома водорода и атома антиводорода было бы важнейшим открытием в фундаментальных исследованиях физики элементарных частиц. Такое открытие было бы краеугольным камнем в построении квантовой теории гравитации. Отметим, что аналогичными поисками занимаются коллективы исследователей в США (ФНАЛ), Японии и других странах. Однако, безусловно, центр исследований в области антиматерии находится в ЦЕРН.

Установка AEGIS состоит из накопителя позитронов, большого сверхпроводящего магнита, создающего мощное магнитное поле для удержания холодных антипротонов, поставляемых антипротонным декселератором, и формирования холодных атомов антиводорода в реакциях перезарядки холодных антипротонов с возбужденными атомами позитрония *1+. Установка работает при криогенных температурах порядка мК и включает в себя интерференционный дефлектометр и ряд детекторов, расположенных на торце магнита для эффективной регистрации продуктов аннигиляции антиатомов при столкновениях с веществом. Метод, используемый в установке AEGIS, позволяет достичь уникальной чувствительности при определении величины ускорения свободного падения атомов антиводорода.

Установка AEGIS будет создаваться в ЦЕРН в течение 2012-2014 гг. коллективом, состоящим из группы более чем 50 ученых и инженеров ЦЕРН и научных институтов России, Германии, США, Франции, Италии, Чехии, Швеции и Швейцарии.

Задачи первого этапа работ на данной установке (2007-2011 гг.):

- разработка методики измерения величины гравитационного ускорения свободного падения атомов антиводорода;

- разработка методики формирования атомов антиводорода;

- разработка методики формирования направленного пучка холодных атомов антиводорода;

- разработка методики формирования холодных атомов позитрония;

- создание детекторов для регистрации гамма-квантов в кэвной области энергий с низким порогом регистрации и высоким разрешением;

- разработка большого криогенного сверхпроводящего магнита;

- разработка прецизионного «теплого» магнитного соленоида для накопителя позитронов;

- разработка методики накопления атомов позитрония ;

- разработка методики возбуждения и получения большого количества атомов позитрония в ридберговском состоянии;

- создание системы блокировки установки, для обеспечения надежной работы вакуумной и криогенной систем установки;

- моделирование узлов установки и получение результатов.

Запуск установки AEGIS, общий вид которой показан на рисунке 2.1, планируется в 2014 г. с набором данных в 2014-2017 гг. Основной целью эк-сперимента на первом этапе является получение точности измерения ускорения свободного падения атомов антиводорода на уровне порядка 1% *1+. Отметим, что прямых экспериментальных ограничений, полученных на таком уровне точности, на сегодняшний день нет.

Установка AEGIS является уникальной прежде всего потому, что в ней впервые планируется проводить синтез антивещества в больших количествах, необходимых для проведения прецизионных измерений. Экспериментальная база установки AEGIS создается интернациональной коллаборацией из сотрудников 14 лабораторий и научных институтов России, Германии, США и ряда других стран.

Рисунок 2.1 – Общий проектный вид установки AEGIS.

Статус эксперимента AEGIS в 2011 2012 гг.

2011 год:

- проводка пучка холодных антипротонов в экспериментальный зал установки AEGIS (рисунок 2.2);

- начало монтажных и пусконаладочных работ в экспериментальном зале;

- формирование и разработка программы первоочередных экспериментов по измерению эффективности образования холодных позитрониев, их распределения по температуре;

- предварительная программа по измерению выхода позитрониев при возбуждении высоколежащих (ридберговских) уровней;

- разработка методов генерации ультрахолодных атомов триплетного позитрония, формирования атомов антиводорода и детектирующей аппаратуры;

- разработка методов генерации ультрахолодных пучков антиводорода и детектирующей аппаратуры;

– разработка основных подсистем детектора AEGIS: накопителя позитронов, главного сверхпроводящего соленоида и атомного дефлектометра.

2012 год:

- разработка и тестирование методов генерации ультрахолодного триплетного позитрония, формирования атомов антиводорода;

- сборка и запуск детектирующей аппаратуры;

– монтажные и пусконаладочные работы в экспериментальной зоне в ЦЕРН.

Рисунок 2.2 – Первый сгусток антипротонов в установке AEGIS, полученный в 2011 г.

Предложение ИЯИ РАН по поиску новой физики в распадах позитрония на установке AEGIS.

Поиск осцилляций ортопозитрония.

Для получения пучков атомов антиводорода необходимо синтезировать в установке большое количество атомов позитрония, который служит источником формирования холодных атомов антиводорода. Получение большого количества атомов позитрония дает возможность осуществить в эксперименте поиск редких процессов, таких, например, как исчезновение позитрония за счет осцилляций в т.н. скрытый сектор.

Этот эффект был предсказан С.Глэшоу в 1985 г. В недавней работе сотрудников ИЯИ РАН С. Демидова, Д. Горбунова и А. Токаревой был проведен подробный анализ осцилляций в реальных экспериментальных условиях с учетом столкновений позитрония с молекулами остаточного газа, стенками вакуумной камеры, наличия внешних электрических и магнитных полей и т.д. Получено выражение для вероятности осцилляций при наличии внешних возмущений. Проведен анализ осцилляций позитрония, находящегося в ридберговском состоянии в установке AEGIS и получена оценка вероятности перехода в скрытый позитроний.

Поиск двухфотонного распада ортопозитрония.

Получение большого количества атомов позитрония позволяет осуществить в эксперименте AEGIS также поиск других редких процессов, таких, например, как распад позитрония в два фотона за счет нового типа взаимодействия, нарушающего бозесимметрию и известную теорему Ландау-Янга. В недавней работе сотрудников ИЯИ РАН С.Н. Гниненко, А.Ю. Игнатьева и В.А. Матвеева, был проведен анализ такого типа взаимодействия. Получено выражение для вероятности двухфотонного распада. На основе этого анализа можно приступить к проектированию нового эксперимента по поиску этого интересного распада на установке AEGIS. Ожидаемая чувствительность эксперимента AEGIS сравнима с ожидаемой на LHC, полученной из ограничений по поиску двухфотонного распада калибровочного бозона Z и /или нового тяжелого калибровочного бозона Z.

Один из этапов эксперимента, одобренный коллаборацией AEGIS, связан с использованием большого числа атомов позитрония для получения новых «побочных»

физических результатов по поиску новой физики. Мотивация и обоснование этих экспериментов были предложены сотрудниками ИЯИ РАН и включают:

- поиск легких частиц;

- поиск процессов с «исчезновением» позитрония;

- поиск пространственной анизотропии;

- поиск запрещенных распадов и ряд других процессов.

В случае отсутствия этих эффектов использование установки AEGIS позволит существенно улучшить верхние пределы на существование этих процессов.

Рисунок 2.3 – Начало монтажных работ в зоне эксперимента AEGIS.

Накопитель медленных позитронов установки AEGIS.

Для получения пучков атомов антиводорода необходимо синтезировать в установке большое количество атомов позитрония, который служит источником формирования холодных атомов антиводорода. Для решения этой задачи был сконструирован при участии сотрудников ИЯИ РАН так называемый накопитель позитронов, состоящий из высокоинтенсивного радиоактивного источника позитронов, ловушки медленных позитронов и собственно накопителя, показанных на рисунке (объекты фиолетового цвета). Создание накопителя выделено в отдельный подпроект создания установки AEGIS. Изготовление прецизионного соленоида накопителя осуществляется в России.