Меридианы сотрудничества

Компактный мюонный соленоид, (CMS) - это универсальный многоцелевой экспериментальный комплекс для изучения фундаментальных свойств материи в протон - протонных и ядро - ядерных взаимодействиях при высоких энергиях на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН.

На восьмой ежегодной конференции коллаборации CMS России и стран-участниц ОИЯИ (RDMS), состоявшейся в декабре 2003 года в Дубне отмечалось, что подготовка к экспериментам на LHC в ЦЕРН вступает в завершающую фазу. Коллаборация RDMS в основном завершила выполнение своих напряженных обязательств. Вклад российских ученых и специалистов, их коллег из других стран-участниц Института чрезвычайно высоко оценен руководством ЦЕРН. Начат монтаж систем гигантского даже по самым современным меркам спектрометра в экспериментальном зале ЦЕРН.

М. Делла Негра (ЦЕРН) и А.В.Зарубин (ОИЯИ)

О проекте, коллаборации и целях конференции рассказывает ученый секретарь конференции и коллаборации RDMS CMS, начальник научно-экпериментального отдела CMS ЛФЧ ОИЯИ, Анатолий Вадимович Зарубин:

Грандиозный проект XXI века - LHC, был утвержден в 1994 году. Запуск коллайдера в Европейской лаборатории ядерных исследований в Женеве планируется в 2007 году. LHC должен ускорить каждый из встречных пучков протонов до рекордной энергии 7 ТэВ при высокой светимости и периоде взаимодействия пучков 25 наносекунд. Наряду с ускорителем проект предполагает создание двух многоцелевых установок ATLAS и CMS и двух специализированных установок, ALICE - для исследования взаимодействий тяжелых ионов и LHC B - для исследования в области физики В-мезонов.

В эру LHC физика частиц становится действительно интернациональной наукой. Около 20 процентов вклада в создание укорителя и экспериментов осуществляется странами-не-участницами ЦЕРН. Международная кооперация сотен и даже тысяч физиков является важнейшим условием для создания огромных экспериментальных комплексов и выводит ученых на планетарный масштаб беспрецедентной величины, редко достигаемых в других областях науки.

Группы ученых и специалистов из российских институтов и институтов стран-участниц ОИЯИ, организованные как коллаборация RDMS CMS, составляют важную и органичную часть большого сотрудничества, которое объединяет около двух тысяч физиков из ведущих научных центров мира. Коллаборация RDMS CMS сложилась в начале 90-х годов и формально была учреждена в сентябре 1994 года в Дубне задолго до подписания официальных протоколов между российским правительством, ОИЯИ и ЦЕРН. Проект коллаборации по созданию установки CMS и участию в исследования был подписан директорами ведущих институтов в июле - сентябре 1995 года. В октябре 1995 года комитет научной политики национальной российской программы по физике частиц и фундаментальной ядерной физике, проходивший в Арзамасе-16, определил участие российских лабораторий в проекте LHC как важнейшее направление национальной программы России. Участниками проекта RDMS CMS являются 292 ученых из 21 института из 8 стран. В том числе - 56 ученых из ОИЯИ, 106 - из 7 стран-участниц ОИЯИ и 130 - из 6 российских институтов. Кроме этого группы специалистов из 4 российских отраслевых институтов являются ассоциированными членами проекта CMS. Отдельные институты участвуют в проекте как независимые физические группы. В то же время технические и финансовые средства этих институтов объединяются как совместный вклад коллаборации в эксперимент. Стратегия такого сотрудничества основана на объединении усилий многих групп из различных стран, концентрации усилий на четко определенных проектах, широком привлечении промышленности участвующих стран. Коллаборация RDMS представляет собой объединение единомышленников, поставивших цель сохранить для России научные школы, уникальные коллективы инженеров и физиков, накопивших огромный опыт создания новых физических приборов, проведения исследований на переднем крае физики частиц. Все это создает благоприятные условия для привлечения одаренных молодых физиков и их быстрого профессионального роста.

Именно организация коллаборации RDMS позволила физикам России и стран-участниц ОИЯИ нести полную ответственность в торцевой области детектора CMS за торцевые адронные калориметры и передние мюонные станции ME1/1. А также, в кооперации с другими институтами CMS, принять участие в под-проектах предливневых детекторов, торцевых электромагнитных калориметрах, торцевой мюонной системе, передних адронных калориметрах и комплекса вращающейся передней радиационной защиты. Кроме этого физики RDMS естественно участвуют в разработке и развитии физической программы исследований, реконструкции и отборе событий, создании базового математического обеспечения и компьютинга. Физики коллаборации России и стран - участниц ОИЯИ вносят значительный вклад в создание экспериментального комплекса и развитие физической программы CMS. В частности задача RDMS "Развитие программного обеспечения и моделирование физических процессов применительно к торцевой и передней области детектора CMS" играет важную роль. Но огромные усилия и значительные достижения коллаборации России и стран - участниц ОИЯИ оправдаются, если будет обеспечено широкое участие физиков следующего поколения, из наших стран, в анализе физической информации и получения новых знаний. Наиболее важным шагом в этом направлении является подготовка адекватных условий для физического анализа. Поэтому важнейшей задачей RDMS является создание, развитие и подготовка компьютерных коммуникаций. Огромный объем информации и знаний генерируемый в протон - протонных взаимодействиях при самых высоких энергиях и светимостях потребует быстрой связи с экспериментальными данными установки CMS. Это требует создания многоярусных распределенных компьютерных кластеров и быстрых связей между ними. Коллаборация RDMS работает в этом направлении.

Как было отмечено на конференции - огромный потенциал фундаментальной национальной науки в сочетании с научно - техническим потенциалом прикладной науки и промышленности, и благодаря большой материальной поддержке Правительств участвующих стран, позволили ученым RDMS занять достойное место в одном из крупнейших проектов XXI века.

История ежегодных конференций коллаборации начинается с декабря 1995 года. Первые четыре конференции были проведены в ЦЕРН, далее география была расширена: ИТЭФ и МГУ (Москва), ИФВЭ (Протвино) и наконец ОИЯИ (Дубна). Кстати, в 2004-ом - юбилейном для RDMS году, конференция будет проведена в Минске. В дубненской конференции приняло участие около 130 ученых, в том числе 60 из ОИЯИ, 40 из институтов России и других стран-участниц ОИЯИ, 30 из ЦЕРН и американских институтов. Эта конференция в основном посвящена вопросам интеграции, монтажа и запуска в наземном зале CMS внутренней торцевой системы детекторов - самой сложной в инженерном отношении и явлющейся областью аппаратурной ответственности RDMS. В течении одного рабочего дня проведено регулярное совещание CMS по проекту адронной калориметрии, включая сессию по физическим процессам содержащим в конечном состоянии так называемые "струи частиц". Полдневная сессия посвящена избранным вопросам физической пограммы, развиваемой учеными RDMS.

И. А. Голутвин (ОИЯИ) и В. С. Кафтанов (ИТЭФ)

О том, почему так важно было детально обсудить планы монтажа и запуска детекторов установки на предстоящие два года, рассказывает один из руководителей коллаборации заместитель директора ИТЭФ профессор Виталий Сергеевич Кафтанов:

RDMS отличается тем, что вся группа институтов России и стран-участниц ОИЯИ, которая объединена в эту коллаборацию, организована по образу и подобию самого CMS. У нас есть, как мы называем на английский манер, споксмен - Игорь Анатольевич Голутвин, есть председатель коллаборации Виктор Анатольевич Матвеев, и есть представители всех институтов, как российских, так и белорусских, украинских, которые через Дубну участвуют в этой работе. Что делает эта организация? Она организует работы по проекту, планирует, подводит итоги, распределяет средства, которые выделяют и Дубна и Россия, стараясь правильно маневрировать ими. Но денег всегда не хватает. Поэтому на каждом этапе основной упор делается на те направления, которые в данный момент особенно нуждаются в поддержке.

Эта структура с самого начала оказалась очень удобной. И если в процессе самых первых обсуждений наблюдалась некоторая конкуренция, то сейчас мы работаем единым коллективом, помогаем друг другу. RDMS участвует в создании ряда больших систем или, как мы говорим, подсистем, в основном сосредоточенных в торцевых частях установки. Это электромагнитный калориметр - первый детектор, который стоит на пути частиц. Здесь большую роль играют и ИФВЭ в Серпухове, и ИЯИ в Троицке, и Дубна. Затем адронный калориметр - целиком работа RDMS. Сцинтилляционная часть калориметра создана в основном усилиями специалистов и Харькова и Протвино. Механика калоримтра включает поглотитель и систему "подвески" детектров с общим весом около 300 тон. Над этими конструкциями прекрасно поработали очень сложные по составу команды. Поглотитель сделан из латуни. А чтобы получить эту латунь, мы договорились переплавить на "Красном выборжце" в Петербурге орудийные гильзы со складов военно-морского флота, потом их откатать в пластины, а в Минске изготовить все элементы и провести комплексную сборку. Проект системы "подвески" выполнял один из московских институтов Минатома - НИКИЭТ. Общая координация работ осуществлялась Дубной, Протвино и Минском. То есть здесь работала целая группа институтов и организаций, и все они прекрасно справились с задачей. Он уже сделан, этот адронный калориметр, и сейчас заканчивается его монтаж.

Уникальные кристаллы для электромагнитного калориметра делаются на заводе в Богородицке Тульской области. Это единственное в мире предприятие, способное выполнить такой заказ. А предприятие это нашли физики из Протвино, и сейчас работа идет полным ходом.

Но самое главное, все это дает возможность физикам из ведущих институтов всей нашей страны, красиво выражаясь, работать на самом переднем крае. ЦЕРН - это уникальный центр, ускоритель тоже будет уникальным, нигде таких энергий тоже нет, и молодежь, которая сейчас только еще начинает работать, получит возможность вести исследования на установке CMS на большом адронном коллайдере. И условия для молодых специалистов намного легче, чем прежде. Раньше молодому человеку, чтобы поехать за границу, надо было пуд соли съесть, а сейчас это только вопрос его непосредственного руководства. Конечно, он должен быть уже сформировавшимся ученым. Но мы сейчас даже аспирантов посылаем в ЦЕРН, и они с самого начала включаются уже в активную работу.

Молодежь, которая участвует в коллаборации, на наших совещаниях имеет хорошую возможность выступить, показать свои результаты, и целый ряд докладов по физике делают как раз молодые сотрудники, которые получают оценку коллаборации.

Наше очередное научное заседание - это не просто парадный отчет, какие мы молодцы и как хорошо работаем, - оно посвящено самым злободневным вопросам быстрейшего и эффективного завершения работ по монтажу всего оборудования. Сейчас мы вступаем в такую фазу, когда многие подсистемы должны работать вместе. Их монтаж требует строгой очередности: сначала нужно прокладывать одни коммуникации, потом вторые, потом третьи... В то же время, например, только на общем обсуждении выяснилось: не все тактические решения еще приняты. Вот в этом плане роль совещания очень важна.

В. Б. Гаврилов (ИТЭФ)

Вторая и главная задача, которую решали участники совещания, - проработка физической программы экспериментов. В основу научной программы CMS положено исследование процессов, лежащих за пределами так называемой Стандартной модели. Эту часть программы прокомментировал ее руководитель профессор Владимир Борисович Гаврилов (ИТЭФ):

Подготовка физической программы экспериментов на CMS началась уже больше десяти лет назад. В целом эта программа, наряду с проектом ATLAS, и легла в основу решения создавать Большой адронный коллайдер. Программа должна ответить на наиболее актуальные вопросы современной физики. Во-первых, это вопрос о проблеме генерации масс частиц, о существовании Хиггсовских бозонов, вопрос иерархии масс, где важно решить вопрос, есть ли так называемые суперсимметричные частицы, насколько их массовая шкала, которая ожидается в области LHC, должна проявиться, если это модель верна. Есть и другие не менее важные проблемы. Например, так называемые дополнительные измерения, которые приобретают все большую популярность, вопрос о скрытой массе, который может быть решен как с помощью суперсимметрии, так и с помощью дополнительных измерений.

И часть задачи, решаемая коллаборацией RDMS, заключается в том, чтобы найти наше место в этой общей программе. Чтобы наши физики были заметны и не терялись в общем числе ученых, которых больше двух тысяч. Таких больших коллабораций в мире не существовало, и наша цель - найти интересные, актуальные физические задачи, которые были бы востребованы со стороны коллаборации. Руководством коллаборации по инициативе Игоря Анатольевича Голутвина было принято решение организовать рабочую группу, чтобы определить области и найти людей, которые займутся подготовкой физической программы. Было решено сосредоточить наши усилия в первую очередь на тех детекторах, за которые отвечает RDMS. Это область "энд кап" и передние калориметры.

Однако физика не заканчивается созданием детектора. После того, как детектор заработает, надо проанализировать, что же он регистрирует. И чтобы сделать это оптимальным образом, нужно хорошо знать, как эти части детектора работают. Безусловно, те люди, которые его создают и запускают, - самые большие специалисты. Поэтому: взаимодействие сотрудников, которые строят детектор и тех, кто анализирует данные имеет очень большое значение. И наша группа, прежде всего, ориентировалась на задачи, связанные с этими передними областями.

Сегодня программа физики на CMS делится на четыре основных направления. Перечислю их, как принято, в алфавитном порядке. Это программа взаимодействия тяжелых ионов, которая заключается в том, что сталкиваются тяжелые ионы, например, ионы золота, ускоренные до максимально возможных энергий, несколько ТэВ на нуклон. Если умножить на число нуклонов, получается огромная энергия. Цель такова, чтобы создать в лабораторном масштабе условия, близкие к тем, что были в начале образования нашей Вселенной, - большая плотность энергии, материи. Здесь предстоит увидеть, как будет меняться структура, чтобы изучать поведение вещества при таких условиях. Для этого нужно не только создать эти условия, но и зарегистрировать происходящие процессы.

Есть две стороны этого вопроса. Первая - так называемое измерение прицельного параметра, то есть исследование геометрии столкновения ядер. Как раз физики из RDMS показали, что наиболее удобно использовать калориметры, которые расположены под малыми углами, - передние калориметры. С другой стороны, если мы регистрируем такие столкновения, то надо понимать, что же происходит. И оказалось, - это было впервые замечено еще на опытах с фиксированной мишенью в ЦЕРН, потом на коллайдере RHIC, - что можно регистрировать так называемые жесткие объекты - либо димюонные пары и резонансы, которые при этом образуются, либо струи частиц с большими поперечными импульсами. Здесь тоже участвуют физики из RDMS, в первую очередь группа из Московского университета и из ОИЯИ.

Вторая большая группа занимается поиском Хиггсовского бозона. Здесь участвует много групп, и есть очень большой интерес, поскольку это одна из основных целей создания LHC. И здесь очень много молодежи, например, группа Андрея Крохотина с молодыми сотрудниками из нашего института (ИТЭФ). Активно участвует группа из Харьковского института. Очень важно отметить, что не только Россия, но и другие страны СНГ принимают участие. Взаимодействие идет через ОИЯИ. Участвует группа физиков из Московского университета, ИФВЭ. Можно отметить еще интересный способ поиска Хиггсовского бозона при дифракционном рождении. Протоны сталкиваются, но не разрушаются, а просто отклоняются на небольшой угол и выделяют очень мало энергии, которой хватает только на образование Хиггсовского бозона. В таких процессах по характеристикам рассеянных протонов можно будет довольно точно измерить его массу.

Еще одной из важных областей является поиск новой физики суперсимметричных явлений и физики вне Стандартной модели. Здесь активный вклад вносят сотрудники ОИЯИ. Сергей Шматов руководит группой молодых сотрудников, которые развивают теоретические модели. Речь идет о том, что могут образовываться резонансы в системе димюонов разных знаков с массами в несколько ТэВ. И ожидание таких резонансов связано с предсказаниями разных моделей.

Стандартная модель - это некая фундаментальная основа, а то, что лежит за ее пределами - это окно в будущее. И конечно, это самое привлекательное, особенно для молодежи. С одной стороны, надо много фантазии, с другой стороны, нужно детектор сделать такой, чтобы он опережал самые последние достижения науки и техники. И кроме всего прочего, довольно трудно анализировать эту новую научную информацию. Одна из интересных особенностей - если будут образовываться такие тяжелые резонансы, то мы должны знать их характеристики. Здесь важнейшую роль играют мюонные камеры в области энд-капа, которые изготавливаются в Дубне, Гатчине и будут использованы на CMS. И поэтому второй частью задачи этой физики является реконструкция характеристики мюонов огромных энергий, которые будут этими камерами регистрироваться. И я думаю, что наши молодые сотрудники, которые активную роль играют, найдут себе там подходящее место и будут активно участвовать в работе вплоть до запуска, и, надеюсь, в тех открытиях, которые должны последовать уже после того, как Большой адронный коллайдер заработает.

Это очень представительная коллаборация, и здесь нужен новый способ организации сотрудничества большого количества людей. Вы понимаете, физики - это не военное подразделение, которое можно построить, дать задачу... Так можно, конечно, организовать работу, но эффективность будет невысокая. Здесь у людей должна быть личная мотивация. В CMS, по-моему, руководство уделяет этому большое внимание, оказывает поддержку и создает атмосферу хорошего сотрудничества. Нельзя сказать, что все идет гладко. Возникают некоторые проблемы. Такие технические проблемы так или иначе решаются, поскольку руководство CMS находит возможности и средства руководить достаточно гибко, одновременно поддерживая людей и находя выходы из таких непростых ситуаций.

Материал подготовил
Евгений Молчанов