Директор ЛИТ рассказал о путях поиска новой физики С 17 по 24 февраля 2025 г. в здании Президиума РАН состоялась сессия-конференции «Физика фундаментальных взаимодействий», посвященной 70-летию со дня рождения выдающегося российского физика-теоретика академика Валерия Рубакова. Организаторы мероприятия, прошедшего в Москве в здании Президиума РАН, выступили Российская академия наук, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» и Институт ядерных исследований РАН. Программа конференции «Физика фундаментальных взаимодействий» была рассчитана на пять дней и включала восемь тематических секций. Тематика секций конференции была посвящена, основным теоретическим и экспериментальным аспектам физики фундаментальных взаимодействий — от астрофизики частиц и космических лучей, гравитации и космологии до физики нейтрино и фундаментальной ядерной физики. Всего от ОИЯИ на конференции прозвучало более 50 докладов их 330 представленных на конференции. Одним из ведущих секции «Физика за пределами Стандартной модели» в один из дней выступил директор Лаборатории информационных технологий им. М. Г. Мещерякова ОИЯИ Сергей Шматов. В своем докладе он рассказал о новых подходах при поиске новой физики в эксперименте CMS (Compact Muon Solenoid) на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН: «В экспериментах на LHC столкновение сгустков пучков протонов происходит с частотой до 30 МГц, более того эффект наложения событий, когда при одном пересечении двух сгустков происходит несколько протон-протонных столкновений увеличивает частоту взаимодействий протонов до 50 раз (в третьем этапе набора данных LHC). Подобная интенсивность взаимодействий порождает потоки данных до нескольких петабайт в секунду, даже с учетом того, что не вся информация попадает в аксептанс физических установок, полный годовой объем данных может превысить несколько эксабайт. Хранением, обработка и анализ такого объема данных в настоящее, конечно же, не осуществимы. Для понижения потока информации до приемлемого значения при наборе данных в режиме реального времени осуществляется фильтрация данных. Отбор событий осуществляется с помощью системы триггера, имеющего последовательную структуру из нескольких уровней, на каждом из которых происходит оценка параметров физических объектов и события в целом и сверка их значений с заранее определенными пороговыми значениями. Это позволяет уменьшить частоту потока данных до 100 Hz -1 кHz, что соответствует ~100-1000 MB/c. При таком традиционном подходе часто возникает вопрос, не вносит ли само существование предопределенных пороговых значений параметров некоторую неопределенность, когда интересная нам физика остается вне поля зрения ученых, находясь за пределами зауженного пространства параметров? Конечно же, эту проблему можно решить уменьшением (или занулением) этих пороговых значений, но это привело бы к критическому росту объема поступающих данных до эксабайт в год и невозможности дальнейших операций с данными. По этой причине предложены два системных подхода (рис. 1) по поиску новой физики при уменьшенных пороговых значениях триггера (relaxed trigger). В первом случае данные обрабатываются в «на лету» с помощью онлайн-алгоритмов и достаточно грубой оценкой характеристик, обычная последующая оффлайн реконструкция при этом не проводится. Тем не менее при этом можно зафиксировать какие-то указания на необычные явления, и после этого настроить детальный анализ именно на эту область. В этом случае поток данных (scouting data stream) возрастает до ~5 кГц вместо традиционных ~0.2-1 кГц, а объем записываемых данных даже падает до ~40 MB/c из-за сокращенного формата событий, записываемых на диск. Второй режим предусматривает запись данных, но набор данных осуществляется в какой-то небольшой промежуток времени (parking data). Позже данные анализируется с помощью более аккуратной оффлайн реконструкции. Данная стратегия позволяет повысить точность измерения физических процессов в области малых масс. Однако обработка подобных потоков данных (~3 кГц, ~2000 MB/c) требует огромной производительности вычислительных систем, потенциально выходя за пределы возможностей компьютерной инфраструктуры эксперимента. Поэтому такие наборы дынных передаются в необработанном виде на ленточные накопители и хранятся в необработанном “сыром” виде (raw data) до освобождения необходимых дополнительных ресурсов, например, между периодами набора данных. Рис.1. Сценарии набора данных эксперимента CMS Другим интересным направлением развития поисковых анализов в экспериментах на LHC является регистрация событий с нетрадиционными для коллайдерных экспериментов топологиями. С самого начала своего существования эксперимент CMS был ориентирован на регистрацию событий, в которых в качестве исходной точки треков заряженных частиц или струй адронов (вершины взаимодействий) рассматривается область пересечения пучков сталкивающихся протонов – вся реконструкция строится на привязке треков к этой номинальной точке взаимодействия (interaction point, IP). Вместе с этим, существует ряд физических сценариев (теории с темной материей аксионами, расширенные суперсимметричные сценарии, модели бариогенезиса и пр.), которые предсказывают рождение долгоживущих частиц (Long-Lived Particles, LLP), которые после своего рождения в точке пересечения пучков могут длительное время лететь не распадаясь. Таким образом точка распада, вершина, очень сильно смещена от точки взаимодействия протонов. Это смещение может составлять и несколько миллиметров, и сотни метров. Если вершина распада лежит в объеме установке, то можно попытаться реконструировать такое событие, но уже без привязки к IP и даже без привлечения информации из детекторных систем, расположенных наиболее близко к IP, например, LLP может не распадаясь пролететь весь трекер и, таким образом, ее реконструкция может полагаться только на сигналы из системы калориметров и/или мюонной системы. Конфигураций подобных топологий насчитывается более десятка, физические объекты, формирующие события, могут быть лептонами, фотонами, струями, образовывать различные комбинации, а распадные вершины лежать практически в любой детекторной системе. Рис.2. Топологии событий при рождении долгоживущих частиц LLP Возможны случаи, когда времена жизни LLP настолько большие, что они распадается за пределами физических установок ATLAS или CMS. Для поиска таких явлений предлагаются так называемых сателлитные эксперименты, когда крупные установки окружают новыми детекторами, расположенными от IP на расстоянии до нескольких сотен метров. Вследствие такого расположения значительно увеличивается длина распадной базы и, как следствие, для изучения становятся доступными LLP с большими временами жизни. Один из примеров таких установок – проект FASER (ForwArd Search ExpeRiment), уже реализуется около эксперимента ATLAS. Данная установка расположена почти в 500 м от IP и нацелена на поиск темных фотонов и аксионов и других гипотетических частиц, предсказываемых теориями за рамками СМ. Этот эксперимент уже получил новые интересные экспериментальные результаты – впервые в коллайдерных экспериментах наблюдал высокоэнергичные электронные нейтрино. Также обсуждается новый проект MATHUSLA (Massive Timing Hodoscope for Ultra Stable neutraL pArticles), предусматривающий строительство целого поля сцинтилляторных детекторов размером с футбольное возле точки SX5 в ЦЕРН, где под землей расположена установка CMS. В плане возможности регистрации совершенно новых сигналов это очень перспективно направление, представляющее большой интерес для группы ОИЯИ в CMS. Третье новое направление в поисках сигналов физики за рамками СМ, возникшее уже в ходе реализации программы исследований экспериментов на LHC, связано с бозоном Хиггса. Как известно, одной из главных задач этих экспериментов являлось обнаружение бозона Хиггса и дальнейшее изучение его свойств. После эпохального открытия 2012 г. прошло уже более 10 лет, за которые физики собрали достаточную статистику, позволившую произвести довольно прецизионные измерения характеристик этого объекта – масса измерена с точностью 0.1%, произведены измерения ширины и констант связи, определены спин и четность, экспериментально подтверждены большинство каналов распада и механизмов рождения бозоном Хиггса. Подобное систематическое накопление знаний позволило физикам превратить бозон Хиггса в инструмент поиска новой физики. Рис.3. Возможные пути поиска новой физики с использование бозона Хиггса Прежде всего новая физика ожидаемо должна проявлять себя как вклады в процессы редких или экзотических распадов бозона Хиггса, таких как распады на легкие лептоны (мюоны и электроны), невидимые распады, то есть распад на частицы, которые не регистрируются в детекторе (например, нейтрино в СМ или частицы-кандидаты в темную материю), распады, идущие с нарушением лептонного числа (Lepton-Flavor Violation, LFV) и другие. Причем можно пытаться обнаружить подобные распады как уже открытого бозона Хиггса СМ, так и скалярных состояний из расширенного хиггсовского сектора. Другим путем является использование бозона Хиггса для прямого поиска экзотических частиц, предсказываемых самыми разнообразными теоретическими сценариями. В случае, если масса бозона Хиггса больше ожидаемых масс гипотетических частиц, то ведутся поиски распада бозона Хиггса на эти гипотетические частицы, по их распадам на частицы СМ. Массивные гипотетические частицы сами могу распадаться на бозоны Хиггса, который потом регистрируется стандартным способом. Таким образом к традиционным направлениям в поиске сигналов физики за рамками СМ, таким как исследования суперсимметрии (SUSY), поиск несуперсимметричных сигналов физики за рамками стандартной модели (Beyond the Standard Model, BSM) и поиск сигналов SUSY и BSM в каналах с кварками третьего поколения (Beyond two Generations, B2G), добавились исследования с бозоном Хиггса». Как отметил Сергей Шматов, ученые Лаборатории информационных технологий активно участвуют в этих работах по поиску новой физики, совместно с коллегами из Лаборатории физики высоких энергий и Лаборатории теоретической физики ОИЯИ, а также с коллегами по объединению RDMS CMS (сотрудничество CMS России и стран-участниц ОИЯИ).
