Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына
Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Лаборатория электрослабых и новых взаимодействий

Лаборатория создана в 1978 году в Отделе измерительной техники (с 1987 года переименован в Отдел экспериментальной физики высоких энергий (ОЭФВЭ). Первым руководителем лаборатории был доктор физико-математических наук, профессор Павел Федорович Ермолов. В настоящее время лабораторией заведует кандидат физико-математических наук Лев Владимирович Дудко.

В начале своей деятельности лаборатория решала следующие основные задачи: разработка новых методов детектирования элементарных частиц и создание экспериментальных установок, разработка и создание математического обеспечения для анализа экспериментальных данных, анализ экспериментальных данных с привлечением моделей и их сравнение с теоретическими предсказаниями.

В 70-80-е годы проводились работы по созданию автоматизированных комплексов для анализа информации с больших пузырьковых камер и гибридных спектрометров. В связи с созданием в 1981-1983 годах универсального измерительно-вычислительного комплекса, НИИЯФ МГУ предложили принять участие в исследованиях на Европейском гибридном спектрометре (ЕГС, EHS-RCBC) в ЦЕРН. ЕГС - широкоапертурный двухплечевой гибридный спектрометр с развитой калориметрией и системой идентификации заряженных частиц. ЕГС экспонировался в пучках ускорителя SPS CERN при энергиях протонов 250, 260 и 400 ГэВ (эксперименты NA-22, NA-23, NA-27). В работах на ЕГС участвовали около 20 университетов и научных центров Европы, Индии и Японии. В 80-90-х годах XX века ЕГС являлся одной из крупнейших в мире установкой по изучению различных аспектов множественного рождения частиц при высоких энергиях и одной из последних установок с пузырьковыми камерами, т.к. "эра пузырьковых камер" уже заканчивалась. В НИИЯФ начало обработки данных NA-23 совпало с запуском измерительных приборов ПУОС-4, работавших на линии ЭВМ ЕС-1045. Был проделан подробный анализ точности измерений и определения параметров треков и проведено сравнение с данными полученными в ИФВЭ (г. Протвино) и университетах Инсбрука и Токио. В результате проведенных исследований были измерены сечения и спектры очарованных частиц, впервые полученные при энергиях более 100 ГэВ. Был выполнен большой цикл работ по выделению странных частиц и резонансов, исследования корреляций частиц в множественном рождении. Данные полученные ЕГС были использованы при построении теоретических моделей и методов моделирования множественных процессов рождения частиц, как PYTHIA, FRITIOF, DTU, LUND, МКГС. К тому же полученные данные в эксперименте NA- 22 с использованием пучка К+-мезонов при 250 Гэв и сейчас остаются уникальными, т. к. К+-пучков с энергией более 250 Гэв до сих пор не получено.

В 1984 году в совместной работе ИФВЭ, ОИЯИ, НИИЯФ МГУ и ИФВЭ ТГУ был предложен и разработан проект крупной установки - спектрометра с вершинным детектором (СВД) - для измерения на ускорителе У-70 в ИФВЭ (г. Протвино), сечения околопорогового рождения очарованных частиц при энергии 70 ГэВ. В НИИЯФ МГУ была разработана конструкция пропорциональных камер размером до 1,5 м для координатных измерений траекторий частиц с точностью 1 мм и комплекс накамерной и регистрирующей электроники, а также система быстрого триггера. Установка смонтирована и работает на пучке протонов ускорителя У-70. Она включала быстроциклирующую пузырьковую камеру в качестве вершинного детектора, систему мониторирования и триггирования, магнитный спектрометр и детектор фотонов. Установка имеет более 20 тыс. каналов регистрации, работающих в линию с вычислительными машинами и спецпроцессором для управления отбором событий и сбора информации. За годы работы установки было опубликовано около 40 статей с описанием аппаратуры, методических разработок и физических результатов полученных коллаборацией СВД. Первый сеанс по набору статистики состоялся в 1992 году, было отснято 180 тыс. снимков, из которых только ~40% лежали в рабочем объеме камеры и около 30% событий не имели спектрометрической информации. Второй сеанс состоялся в 1994 году. В 1996 году начался 2-ой этап эксперимента СВД-2 с заменой пузырьковой камеры на активную мишень, состоящую из пластин углерода, кремния и свинца и прецизионного вершинного детектора (ПВД) с высоким быстродействием на основе микростриповых кремниевых детекторов с 10 000 каналами регистрации. Такой тип ПВД создавался тогда в России впервые. К 2011 году на установке СВД-2 были получены около 52 млн неупругих рА взаимодействий при энергии пучка протонов 70 Гэв и около 50 млн рА событий при энергии протонов 50 Гэв . За эти годы были изучены свойства очарованных D-мезонов и их А-зависимость, при выделении странных мезонов и барионов был выделен экзотический пятикварковый θ+(1530) барион с положительной четностью и странностью +1. В 2003 году по предложению физиков из Дубны на установке СВД-2 осуществляется проект "Термализация", в котором с использованием жидководородной мишени измерялись топологические сечения вплоть до 30 заряженных частиц в рр взаимодействиях при энергиях протонов 50-70 Гэв для изучения свойств адронной системы с высокой плотностью пионов.

Рубеж 90-х годов характеризуется переходом к следующему поколению экспериментов в физике высоких энергий, в которых участвуют сотрудники отдела. На смену экспериментам с большими пузырьковыми камерами («МИРАБЕЛЬ» на ускорителе У-70 ИФВЭ, EHS-RCBC на ускорителе SPS ЦЕРН) приходят эксперименты на основе электронных детекторов элементарных частиц.

Участие ряда сотрудников лаборатории в эксперименте ZEUS на электрон-протонном коллайдере HERA (г. Гамбург, ФРГ) было в известной степени предопределено. Работая в ИФВЭ (Протвино), П.Ф. Ермолов в ходе 2-го совместного эксперимента ЦЕРН-Серпухов (1970-1973) познакомился с молодым немецким физиком Робертом Кланнером. Позже (с 1973 по 1975 годы) их контакты продолжились во FNAL (США) в рамках эксперимента по поиску рождения чарма. П.Ф. Ермолов был руководителем одного из первых нейтринных экспериментов Е-180 (FNAL, США). Этим и обусловлен его неизменный интерес к глубоконеупругим процессам. На физическом факультете МГУ профессор П.Ф. Ермолов также читал курс лекций по лептонным взаимодействиям, послуживших основой для его книги "Лептонные взаимодействия при высоких энергиях" (Изд-во МГУ, 1-е изд. 1984 г.; 2-е изд. 1987 г. ).

Запуск первого в мире электрон-протонного коллайдера HERA был осуществлен в мае 1992 года. Научная программа исследований была обширной и включала детальное изучение лептон-кварковых взаимодействий, кварковой и глюонной структуры протона и виртуального фотона, механизмов рождения тяжелых кварков, поиск новых элементарных частиц, проверка Стандартной Модели (СМ) электрослабых взаимодействий и квантовой хромодинамики, поиск отклонений от СМ. К моменту начала набора данных на детекторе ZEUS, Р. Кланнер был вторым человеком в руководстве коллаборации, являвшимся основным идеологом и руководителем строительства центрального калориметра ZEUS из обедненного урана. Это облегчило контакты с DESY и переговоры об участии ОЭФВЭ НИИЯФ в эксперименте ZEUS. ОЭФВЭ НИИЯФ МГУ было что предложить в качестве материального вклада в ZEUS, а именно - создание адрон-электронного сепаратора HES. По этой причине уже в первую публикацию ZEUS в 1992 году об измерении полного сечения взаимодействия фотона с протоном были включены соавторами сотрудники НИИЯФ МГУ (Г.Л. Башинджагян, П.Ф. Ермолов, Ю.А. Голубков, В.А. Кузьмин, Е.Н. Кузнецов, А.А. Савин, А.Г. Воронин, Н.П. Зотов). В 1993 году НИИЯФ МГУ стал официальным членом коллаборации ZEUS. Список участников от ОЭФВЭ значительно расширился. Тем самым, у сотрудников ОЭФВЭ появилась совершенно новая возможность прямого участия в эксперименте в иных условиях и с иной организацией научного процесса без жесткой иерархии.

Сотрудники лаборатории участвовали в технической поддержке эксперимента и в физическом анализе экспериментальных данных. В техническую поддержку включались дежурства на установке ZEUS во время набора данных, модернизация программ моделирования методом Монте-Карло (проект Амадеус), модернизация и разработка автоматической системы сбора и первичной обработки данных. Сотрудники лаборатории являются соавторами более 220 статей коллаборации ZEUS, описывающих научные результаты. Среди основных результатов можно отметить следующие:
- постановка верхнего предела на сечение глубоконеупругих процессов инициированных инстантонами;
- выполнено прямое наблюдение моря странных кварков в протоне и измерен спектр φ мезонов;
- реконструирован странный барион с массой 1520 МэВ в канале распада (Ks + p), интерпретируемый как пятиварковое состояние θ+;
- предложены кинематические критерии отбора, подавляющие комбинаторный фон при реконструкции резонансов;
- выполнен поиск пятикваркового бариона, включающего очарованный кварк;
- изучены спектры странных частиц;
- выполнялось теоретическое изучение механизмов рождения адронов и лептонов.

До запуска Большого адронного коллайдера (БАК, LHC) наиболее мощным ускорителем являлся коллайдер Теватрон в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (Фермилаб, США). Начиная с 1993 года сотрудники лаборатории принимают участие в работе эксперимента D0, проводящегося на одном из двух детекторов этого коллайдера. Исследования начались с предложенной учеными НИИЯФ МГУ задачи поиска Хиггсовского бозона в каналах ассоциативного рождения с W и Z бозонами. Актуальность этой задачи проявилась во втором запуске коллайдера после модернизации детектора и увеличения светимости. В результате многолетнего анализа было объявлено о наблюдении рождения Хиггсовского бозона на коллайдере Теватрон одновременно с открытием Хиггсовского бозона на коллайдере БАК в 2012 году.

Основной задачей исследований физиков НИИЯФ МГУ в коллаборации D0 являлись исследования одиночного рождения топ-кварка в электрослабых взаимодействиях. В 1995 году совместно с Университетом Калифорнии Риверсайд (University of California Riverside) была организована группа по исследованию одиночного рождения топ-кварка, открытого в том же году в парном рождении топ и антитоп-кварков проходящих в сильных взаимодействиях. Сечение одиночного рождения примерно вдвое меньше сечения парного рождения, но в отличии от парного рождения фоновые процессы существенно превосходят сигнал. Сложность данной задачи потребовала разработки целого комплекса методов оптимизации анализа. В частности, были разработаны новые более точные методы моделирования сигнальных процессов учитывающие радиационные поправки и правильно объединяющие различные порядки теории возмущений. Были разработаны методы применения искусственных нейронных сетей для выделения сигнальных событий из фона. Разработаны методы моделирования и анализа проявления возможных отклонений от предсказаний Стандартной модели в процессах с одиночным рождением топ-кварка. Проведенные исследования дали возможность впервые экспериментально наблюдать электрослабое рождение топ-кварка на данных набранных детектором D0. Данный цикл исследований был удостоен в 2007 году премии им. М.В. Ломоносова I степени, присуждаемой в МГУ им. М.В. Ломоносова.

Начиная с 1998 года сотрудники лаборатории участвуют в эксперименте CMS коллайдера БАК в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, Швейцария. Был проведен предварительный анализ возможностей эксперимента при поиске одиночного рождения топ-кварка, его результаты представлены в Technical Design Report эксперимента CMS. Опыт сотрудников лаборатории в исследованиях на коллайдере Теватрон позволил применить разработанные методы анализа при новых энергиях и с началом набора данных в эксперименте CMS. Кроме того, сотрудники лаборатории включились в целый ряд задач связанных с электрослабым рождением топ-кварка и к поиску возможных отклонений от предсказаний СМ в этих процессах.