06 января 2020
Коллаборация одного из экспериментов Большого адронного коллайдера, LHCb, отчиталась о том, что в их детектор попали частицы, которых физики прежде не получали экспериментально — возбужденные омега-барионы Ω-b. Детекция таких частиц еще несколько лет назад в БАКе считалась невозможной. Возбужденные «прелестные омеги» среди осколков протонов разглядел алгоритм, созданный сотрудниками Лаборатории методов анализа больших данных Вышки. IQ.HSE поговорил с Денисом Деркачем и Федором Ратниковым о свежем «улове» их коллаборации и том, зачем вообще «рыбачат» на LHCb.
Столкновения частиц на Большом адронном коллайдере закончились чуть больше года назад. Крупнейший ускоритель на планете сейчас обновляют: заменяют оборудование, расширяют экспериментальные площадки. В строй БАК вернется лишь в 2021 году.
Но открытия, тем не менее, продолжаются. Один из экспериментов БАКа, LHCb, и после остановки коллайдера производит научные результаты.
В отличие от CMS и ATLAS (эксперименты коллайдера, на которых был открыт бозон Хиггса — прим. IQ), LHCb обрабатывает данные сразу за весь период наблюдений, и поэтому большую часть своих результатов получает после того, как экспериментальная фаза коллайдера закончилась, объясняет Денис Деркач. «Сейчас [публикуемых] анализов у LHCb больше, чем у ATLAS и CMS, — говорит он в беседе с IQ.HSE. — Причем мы убираем шум с данных за оба периода набора данных, начиная с 2011 года и заканчивая 2018-м».
Визуализация типичного события на LHCb / LHCb Collaboration / CERN
Весной 2019-го коллаборация LHCb сообщила о том, что их эксперимент зарегистрировал отклонения от СР-симметрии, фундаментального закона физики частиц. Летом отчиталась, что в их «невод» попал прежде неизвестный тип пентакварка. Теперь же в данных LHCb впервые обнаружили возбужденный омега-барион.
Что это вообще такое
Вообще барионы — это элементарные частицы привычной нам материи, той самой, что состоит из атомов и молекул. На барионную материю во Вселенной приходится около 5 процентов: все остальное — это темная материя (~25%) и темная энергия (~70%), в существовании которых современная физика уже не особенно сомневается, но природу которых до сих пор не выяснила.
Барионы состоят из кварков, как правило, из трех — за исключением тетра- и пентакварков (четырех- и пятикварковые барионы, соответственно), которые также получали в Большом адронном коллайдере.
Элементарные частицы, взаимодействия и теории, их описывающие. Headbomb / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0
Омега-барион Ω-b (его еще называют bottom omega) это прелестный и дважды странный барион — потому что состоит одного b- (beauty или bottom) и двух s-кварков (strange).
Впервые прелестную омегу поймали в 2008 году на американском ускорителе Тэватрон. Поначалу ее масса казалась ученым значительно отличной от предсказанного теоретиками значения, и парадокс имел шанс наконец-то «сломать» Стандартную модель, но — повторные анализы на данных другого эксперимента и получение частицы в конце нулевых в Большом адронном коллайдере показали, что со Стандартной моделью все (увы!) в порядке, и окно в новую физику прелестная омега не прорубила.
Структура и масса возбужденных состояний прелестной омеги соответствует теоретическим предсказаниям. Все четыре частицы, которые были обнаружены на коллайдере, соответствуют массам примерно в шесть раз тяжелее протона: 6316, 6330, 6340 и 6350 мегаэлектронвольт.
Пики в данных LHCb, соответствующие регистрации возбужденной прелестной омеги / LHCb Collaboration / CERN / CC-BY-4.0
«Долгое время считалось, что БАК не предназначен для подобных открытий, — говорит Деркач. — Что эти частицы будут погребены под большим количеством шума, который будет зарегистрирован детектором, и это, с учётом малой вероятности рождения [таких частиц], не позволит совершить открытие. И вот эксперимент LHCb, использовав прецизионную систему триггеров, смог с этим предрассудком справиться».
Для того, чтобы разобраться в том, из чего сделана материя, физики сталкивают ее «кирпичики» друг с другом. В Большом адронном коллайдере ученые разбивают протоны друг об друга (а еще — ионы свинца, но это совсем другая история). Пучки протонов разгоняют до 0,999999991 от скорости света, их энергия в этот момент в тысячи раз превышает их собственную массу, и при столкновениях образуется сгусток энергии с температурой намного больше звездной, из которого образуются тысячи новых частиц.
Подобные столкновения, объясняют ученые, это очень «зашумленные» события. Каждый протон состоит из трех кварков, окруженных облаком глюонов (безмассовыми частицами, что отвечают за сильное взаимодействие). При столкновении протонов образуются новые кварки, глюоны, все они, в свою очередь сталкиваются и друг с другом, иногда объединяются в другие частицы, те затем распадаются на третьи — и это только в одном столкновении, а таких — десятки миллионов в секунду.
Не удивительно, что изучать эти события в лучших традициях натуралистов — просто разглядывая их одно за другим — невозможно. Поэтому за происходящем в коллайдере наблюдают машины, и записывают увиденное.
Однако и тут есть свои нюансы. Помимо того, что эксперимент на коллайдере генерирует огромное количество данных в секунду, в них очень много совершенно обыкновенных событий, уже не имеющих для современной науки никакой познавательной ценности. Для того, чтобы отличить новое от уже известного, используются специальные алгоритмы — триггеры, которые срабатывают на определенные характеристики событий. И, по словам собеседников IQ.HSE, 99% анализов БАК сейчас использует в триггерах методы машинного обучения. Триггеры объединяются в цепочки, отбирая из первоначального потока событий (около десяти миллионов в секунду) только те, что могут представлять интерес для последующего анализа (порядка десяти тысяч в секунду).
LHCb в этом не только не исключение, а впереди остальных экспериментов. Для поимки прелестной омеги использовался т.н. топологический триггер, — алгоритм, который отбирает только те события, что приводят к появлению частиц с b-кварками.
LHCb Collaboration / CERN / CC-BY-4.0
«Этот триггер основан на машинном обучении, — говорит Деркач. — [Заведующий лабораторией] Андрей Устюжанин и его аспиранты взяли МатриксНет, на которой основан поиск Яндекса, и с его помощью предложили новое решение, которое дало возможность записывать эти данные более эффективно. Оно записывает не конкретные распады, не конкретную физику, а группу распадов, которая может быть [нам] интересна. Плюс этого подхода еще и в том, что мы эти распады можем искать широким поиском. Ведь если мы будем искать пентакварки, то найдем только пентакварки. А тут мы можем искать сразу множество разных новых частиц и явлений».
Необходимость оптимизировать триггер обусловлена попросту тем, что вычислительные ресурсы «невода» LHCb жестко ограничены. Детектор находится на глубине 80 метров под землей, и там же стоит «ферма» из 1500 компьютеров, и поставить сильно больше машин внизу попросту невозможно.
До 2019 года LHCb использовал комбинацию из аппаратных и программных реализаций триггеров. После запуска эксперимента в 2021 планируется целиком перейти на программную реализацию и расширить возможности проведения анализа физических событий онлайн до сохранения данных в центр хранения данных. Такие изменения позволят значительно повысить чувствительность и гибкость эксперимента.
В общем, техническое достижение — первая в истории регистрация возбужденной прелестной омеги — определенно есть. Но при этом об открытии физики говорят с легким вздохом сожаления: экспериментальные данные вновь сошлись с предсказаниями теоретиков.
«В первую очередь это проверка того, чем мы занимаемся все эти годы, — говорит Федор Ратников, старший научный сотрудник Научно-учебной лаборатории методов анализа больших данных Вышки. — Мы хотим найти что-то новое, но все время оказывается, что та модель, что у нас есть, достойно предсказывает результаты и этих, новых измерений».
При этом практически все «удочки» на LHCb, по словам физика, заброшены в местах, где возможно наблюсти именно отклонения от Стандартной модели. «Если бы нам не нужна была новая физика, — продолжает Ратников, — мы бы исследовали свойства неупругого рассеяния. Но та зона, в которой мы занимаемся исследованиями, выбрана так, чтобы оттуда можно было получить наиболее говорящий результат. Это и есть сравнение Стандартной модели с альтернативными. Все [наши] триггеры на это заточены».
Поиски странного с поимкой прекрасной дважды странной омеги не заканчиваются. Сегодняшняя публикация — не последняя в череде результатов, полученных коллаборацией LHCb за эти годы. По словам ученых, основной поток публикаций начинает идти «только сейчас».
И, значит, уже нашлось и что-то еще.
IQ
