Научно-исследовательская лаборатория Больших данных LAMBDA Высшей школы экономики и Школа анализа данных Яндекса смогли существенно снизить стоимость детектора SHiP (Search for Hidden Particles). Его планируют построить в Европейском центре ядерных исследований CERN для поиска частиц, ответственных за пока необъяснимые явления во Вселенной. Предполагается, что существуют элементарные частицы помимо уже известных учёным в рамках Стандартной модели (СМ). Но из-за слабости взаимодействия с частицами СМ они образуются очень редко, поэтому их пока невозможно наблюдать.

Бозон Хиггса, открытый в 2012 году, завершил Стандартную модель, описывающую строение и взаимодействие элементарных частиц во Вселенной (всего учёным сейчас известна 61 элементарная частица). Однако СМ ничего не сообщает об источнике тёмной материи, не может объяснить наблюдаемую барионную асимметрию Вселенной (преобладание вещества над антивеществом в видимой части Вселенной), не включает в себя гравитацию.

Поэтому после 2020 года в CERN решили запустить новый эксперимент SHiP (Search for Hidden Particles). С его помощью учёные надеются обнаружить очень слабовзаимодействующие массивные частицы (vWIMP — very Weakly Interacting Massive Particles). Физики-теоретики предполагают, что именно такими и должны быть частицы тёмной материи.

Одной из гипотез, объясняющих существование «незаметного» сектора элементарных частиц во Вселенной, стала модель «Скрытой долины» Hidden Valley. Согласно предсказаниям Hidden Valley, мы не замечаем некоторые частицы из-за существования некоего энергетического барьера, препятствующего их взаимодействию с уже известными элементарными частицами СМ. Статья на эту тему была опубликована ещё в 2006 году и называлась «Отголоски скрытой долины в адронных коллайдерах» (Echoes of a hidden valley at hadron colliders).

«Есть долина параметров, наша Стандартная модель, и в ней обеспечивается минимум энергии, необходимый для стабильности Вселенной, — разъяснил старший научный сотрудник лаборатории Больших данных НИУ ВШЭ Денис Деркач. — Раз Вселенная не распадается, значит, мы находимся в устойчивом состоянии, а устойчивое состояние возможно только в минимуме энергии. Частицы из другой долины, конечно, могут проникать в нашу: такое перемещение называется туннельным эффектом. Но это происходит так редко, что в существующих экспериментах мы этого не замечаем. Необходимо собрать достаточное количество подобных частиц, и только тогда мы сможем зарегистрировать их экспериментально».

Цель SHiP и заключается в том, чтобы найти подобные частицы. Собранные данные позволят получить новую информацию о возможном строении скрытого сектора Вселенной.

В эксперименте SHiP пучки протонов будут разгоняться в протонном суперсинхротроне CERN. При взаимодействии пучка с неподвижной мишенью станет образовываться множество разных частиц, в том числе и частицы скрытого сектора. Большинство их захватит поглотитель, установленный за мишенью. Но сквозь него пройдут только слабовзаимодействующие с веществом частицы: обычно это нейтрино и мюоны, а также ожидаемые для исследований vWIMP-частицы.

Наиболее опасным «шумовым» фоном для наблюдения vWIMP-частиц станут мюоны. Однако для подавления фона в SHiP впервые применена уникальная технология активной мюонной защиты. Очистка от потока мюонов будет осуществляться его отклонением в магнитном поле от чувствительной области детектора, а не за счёт поглощения, как это делали раньше.

Магниты для этой защиты будут произведены в России. Их общий вес составит около 1000 тонн, и они будут создавать рекордное для тёплых магнитов поле в 1,8 Тесла.

Для оптимизации формы и положения магнитов были применён метод машинного обучения. В его основе лежит использование Гауссовых процессов для стохастической оптимизации. Активная защита позволит увести от чувствительной области детектора 99,9999% мюонов.

«Мы оптимизировали полную массу магнита, а значит и стоимость магнитов, и количество мюонов, которые смогут просочиться сквозь или в обход защиты в чувствительную область детектора. На данный момент машинный алгоритм предложил решение, которое на 25% легче, при этом даже уменьшив количество мюонов в зоне детектора. Хотя детектор ещё не существует, мы можем предсказать, что в найденной конфигурации защита обойдётся на четверть дешевле, а это более миллиона швейцарских франков», — заявил старший научный сотрудник лаборатории Больших данных НИУ ВШЭ Фёдор Ратников.

Незаряженные частицы vWIMP пройдут через магнитный щит без отклонений и распадутся в вакуумной части непосредственно перед детектором, состоящим из трекеров, калориметров и мюонных камер. Кроме того, в детектор войдёт эмульсионная камера, нацеленная на поиск следов нейтрино. В перспективе такая конфигурация позволит исследовать наиболее недоступные части физики за рамками Стандартной модели.

Поиск отклонений от Стандартной модели (СМ) сейчас называют Новой физикой. В настоящее время эксперимент SHiP находится в стадии разработки, а первые результаты ожидаются к 2025 году.

Результаты исследования представлены в Journal of Physics: Conference Series.