Физиците от ЦЕРН търсят най-редките събития във Вселената

Физиците от Европейската организация за ядрени изследвания (ЦЕРН) представиха резултатите от експерименти за търсене на „нова физика“ в Големия адронен колайдер (LHC). Въпреки че все още нямаме доказателства за явления извън стандартния модел, резултатите ще помогнат при планирането на бъдещи експерименти след модернизацията на съоръжението.

LHC е пръстеновиден ускорител на частици с дължина 27 километра, разположен на 175 метра под земята. Вътре в пръстена частиците се ускоряват почти до скоростта на светлината и се сблъскват помежду си при температура, 100 000 пъти по-висока от тази в центъра на Слънцето.

LHC е един от най-амбициозните научни проекти в историята на човечеството. Повече от 10 000 учени от стотици държави работят по него в продължение на 10 години. Общата стойност на проекта надхвърля 9 милиарда долара, но разходите се изплащат със знаменателното откритие на Хигс бозона през 2012 година. Четири гигантски детектора (ATLAS, CMS, ALICE и LHCb) се използват за регистриране на частици, родени при протонни сблъсъци. Детекторът ATLAS, чиито данни са анализирани в новото изследване, е дълъг 46 метра висок е 25 метра и тежи около 7000 тона.

Хигс бозонът дълго време оставаше последният липсващ елемент от Стандартния модел на физиката. Според съвременните представи в момента на възникване на Вселената частиците не са имали маса и са се движили със скоростта на светлината. Едва чрез взаимодействие с полето на Хигс те придобиват маса, което прави възможно образуването на звезди, планети и възникването на живота.

Откриването на Хигс бозона изискваше анализ на данните от около 500 трилиона протонни сблъсъка. Масата на откритата частица е около 125 гигаелектронволта, което е около 133 пъти повече от масата на протона. За това откритие Питър Хигс и Франсоа Енглер са удостоени с Нобелова награда за физика през 2013 година.

Научната общност възлагаше големи надежди на откриването на нови физични явления отвъд Стандартния модел. Многогодишните наблюдения обаче досега не са разкрили никакви отклонения от съществуващата теория.

Сред явленията, които физиците се надяват да открият са суперсиметрични частици, допълнителни измерения на пространство-времето и частици тъмна материя. Последната представлява особен интерес за учените, тъй като съставлява около 27% от масата и енергията на Вселената, но досега не е била пряко наблюдавана.

Изследователите, работещи с детектора ATLAS предложиха нова техника за откриване на изключително рядко явление – едновременната поява на два Хигс бозона в едно събитие. Според Стандартния модел това е изключително рядко явление, но редица съвременни теоретични модели предполагат, че такива събития би трябвало да се случват много по-често. За цялото си съществуване обаче LHC не е успял да регистрира нито един такъв случай.

Според теоретичните изчисления вероятността за раждане на двойка Хигс бозони в един сблъсък на протони е около един случай на 100 000 трилиона сблъсъка, a регистрирането на такива събития се усложнява допълнително от факта, че бозоните са изключително нестабилни и се разпадат за време от около 10^(-22) секунди.

За да се реши проблемът е разработен специален софтуер, който симулира процеса на раждане на частици. Симулациите включват както единични Хигс бозони, така и техни двойки. Сигналите от симулираните събития са нормализирани, за да съответстват на очакваните показания на детектора.

След като компютърното моделиране е завършено, изследователите се заемат да сравнят резултатите с реалните данни от LHC. Предвид огромното количество данни и рядкостта на търсените събития бяха използвани алгоритми за машинно обучение с персонализирани дървета за вземане на решения.

Системата за обработка на данни на LHC представлява разпределена компютърна мрежа от повече от 170 изчислителни центъра в 42 държави. Всяка година детекторите на колайдера генерират около 90 петабайта данни, което се равнява на 90 милиона гигабайта.

Изкуственият интелект е обработил милиони точки данни – задача, която би изисквала години упорита работа от страна на хората. Въпреки това дори този внимателен анализ не разкри сигнали, които да отговарят на теоретичните прогнози.

Според д-р Забински детекторите на LHC все още не са регистрирали нито едно отклонение от Стандартния модел. Въпреки това извършената работа е установила важни ограничения за по-нататъшни експерименти.
Липсата на доказателства за „нова физика“ не означава, че теориите са окончателно опровергани. Може би влиянието на неизвестни явления върху образуването на двойки Хигс бозони е толкова слабо, че не може да бъде засечено при сегашната чувствителност на инструментите.

През следващите години LHC ще претърпи сериозна модернизация. Планира се значително да се увеличи интензивността на протонните снопове, което ще доведе до увеличаване на броя на сблъсъците във всеки експеримент. При търсенето на такива редки събития като раждането на двойка Хигс бозони броят на сблъсъците е от решаващо значение. Успоредно с това учените от ЦЕРН продължават да изследват свойствата на единичните частици. От особен интерес е естеството на взаимодействието на Хигс бозона с тежките кварки и лептони.