В търсене на тъмната материя

25 години България в ЦЕРН!

Юбилеят, който се отбелязва през цялата 2024 г., ни отвежда при учени от Института за ядрени изследвания и ядрена енергетика – БАН, които работят в международния център. От този институт е и един от инициаторите за присъединяването на България към ЦЕРН – проф. Владимир Генчев. Другият е проф. Леандър Литов от Факултета по физика в Софийския университет, който в момента е ръководител на екипа на Университета в ЦЕРН.

„Преди България да стане член на ЦЕРН, проф. Генчев и проф. Леандър Литов бяха двамата наши активни участници в различни експерименти в ЦЕРН – припомня проф. д-р Иван Ванков от Института за ядрени изследвания и ядрена енергетика. –  С активното пропагандиране на българския интерес към физиката на високите енергии, която се развива в ЦЕРН, те довеждат нещата дотам, че ръководството на ЦЕРН прояви интерес и изпратиха тяхна делегация у нас, за да проучи на място нещата. Голяма роля за влизането ни в ЦЕРН изигра и проф. Матей Матеев, който се познаваше с хората от  ЦЕРН и ги придружаваше навсякъде. Министерството на науката и образованието нямаше възражения да участваме в тази организация. Само от Външно министерство имаха известни колебания, най-вече заради това, че трябва да се плаща членски внос.“

Посещението на делегацията е много полезно, чуждестранните гости успяват да спечелят за каузата тогавашния председател на БАН акад. Йордан Малиновски.

А ръководството на ЦЕРН се убеждава, че в България има и база, и специалисти за едно пълноправно членство.

Факт, който с годините се потвърждава многократно.

Членството в ЦЕРН дава възможност на българските учени да работят заедно със свои колеги от цял свят и да боравят с най-съвременните технологии, тъй като това отдавна не е само европейска организация, а глобална.

„България има принос към откриването на Хигс-бозона, към голяма част от новостите в експерименталната физика на високи енергии, които се публикуват в последно време – подчертава доц. д-р Румяна Хаджийска от Института за ядрени изследвания и ядрена енергетика. –

Но освен че имаме достъп до технологии, ние допринасяме за развитието на тези технологии.

Имаме участие в построяването на голяма част от детекторите в т.нар. мюонна система на детектора CMS, а голяма част от камерите със съпротивителна плоскост (RPC)  са произведени в България. В момента участваме и в изграждането на нови детектори. Това е трансфер на най-съвременни технологии и знания, който ни дава възможност да привличаме и млади хора.“

CMS е един от четирите експеримента, които са на Големия адронен колайдър (LHC), разказва за изследователската работа в ЦЕРН доц. д-р Пламен  Яйджиев от Института за ядрени изследвания и ядрена енергетика. От тях два – CMS и ATLAS – са с общо предназначение, т.е. изследват всички физични феномени в рамките на енергията на сблъсъците. Нашата група участва в експеримента CMS. Теорията на елементарните частици е формулирана през 60-те години на XX век и все още е най-доброто описание на елементарните частици. Идеята на двата експеримента е да се търси физика извън физиката на това, което наричаме Стандартен модел, уточнява ученият. Другите два експеримента – ALICE и  LHCb, мерят по-специфични нюанси на Стандартния модел, като физика на b-кварките или на кварк-глуонната плазма.

Детекторите започват да работят през 2010 г., а през 2012 г. се получават убедителни данни за съществуването на Хигс-бозона. Към днешно време LHC и експериментите, разположени на него, са преминали през три етапа на набор на данни, т.нар. Run1, Run2 и Run3 (текущ), с постепенно повишаване на енергията на сблъсъците и броя на взаимодействащите частици. Целта е търсене на съществуването на нови тежки частици, които указват физика извън стандартния модел.

Поради свойствата на взаимодействие на такива частици те ще се появяват много по-рядко и за да бъдат наблюдавани експериментално, трябват големи енергии и много на брой сблъсъци на LHC.

Откриването на Хигс-бозона се предшества от милиарди събития, а са наблюдавани само няколко хиляди частички.

„Сложността на работата, която вършим там, е свързана с обработката на данни – подчертава  доц. Яйджиев. – Колективът е доста голям, над 100 научни института са в CMS, само в нашата работна група са 30 – 40 института. Целта на анализа на данни е да се отсеят събитията, които носят указания за нова физика. Само при един сблъсък на протоните се раждат множество частици, а в рамките само на една секунда се случват милиарди подобни сблъсъци, което налага използването на специфични алгоритми и техники за анализ.“

Програмата на ЦЕРН предвижда да спре Големият адронен колайдър през 2026 г.

за 3-годишен период за модернизация, пояснява ученият. През това време ще се изпълнява програма за обновяване и на детекторите, и на колайдъра. Идеята е в новия колайдър да се повиши енергията, да има по-голяма плътност на снопа, за да може да се сблъскват от 3 до 5 пъти повече частици и да се повиши чувствителността към появата на частици отвъд Стандартния модел, т.нар. фаза на висока светимост HL-LHC (High Luminosity LHC).

В по-дългосрочен план се обсъжда изграждането на нов ускорител на насрещни снопове FCC (Future Circular Collider) с още по-високи енергии на взаимодействията. Сегашният колайдър (LHC) е дълъг 27 км, а новият ще бъде 100 км.

Във всичките експерименти, включително и в ATLAS и CMS,

започва да си пробива път идеята да се регистрират частички от търсенето на тъмната материя.

Примерно такива могат да бъдат тежки частици с по-дълъг живот. Това означава те да възникват при взаимодействието, но да се разпаднат на определено разстояние във времето и пространството от точката на създаване. Така не могат да бъдат регистрирани веднага. Има промяна в идеологията за тези детектори, за да може да наблюдаваме и такива частички.

Доц. Хаджийска пояснява защо е толкова важно измерването на масата на W-бозона.

„Хората са свикнали да виждат Стандартния модел като таблица. Но той има добре изградена теоретична обосновка и в същото време е доказан чрез експериментални наблюдения. Частичките участват в различни типове взаимодействия. Но се оказва, че масите на тези частички зависят една от друга и от самия начин на предаване на взаимодействия. Ако наблюдаваме отклонение от очакваните маси, наблюдаваме нещо, към което не сме чувствителни. Това означава, че наблюдаваме друг тип взаимодействие, което свързваме с евентуална тъмна материя или тъмна енергия. В този контекст

всичко различно от нашите теоретични очаквания по стандартния модел физика разглеждаме като кандидат за тъмна материя.

Но не можем да ги регистрираме. Можем да разчитаме единствено на това, че те ще се разпаднат до познатите ни частички, които можем да измерим.“

Елементарните частици участват в 4 вида фундаментални взаимодействия, едното от които – гравитацията, не се описва в Стандартния модел. Едно от трите е електромагнитното взаимодействие, което познаваме много добре. Това че имаме електричество, телефони, използваме светлината и т.н., се дължи на него и на нашето познание за него, подчертава доц. Хаджийска. Второто е слабото взаимодействие, което описва радиоактивните разпади на кварково ниво, като типичен пример за това са бета разпадите, където ядрото излъчва един електрон или позитрон. И третото е силното взаимодействие, което задържа протоните в ядрата, а също така обяснява взаимодействието между кварките. И тези взаимодействия имат своите приносители. При електромагнитното е фотонът, при силните взаимодействия – глуонът. За слабото – W+ и W–. Има и взаимодействия без пренос на заряд – Z-бозон.

„Стандартната теория се базира изначално на симетрия по отношение на заряда, пространството и времето – казва проф. Яйджиев. – А вътре в самия Стандартен модел има частици, които нарушават комбинираната симетрия спрямо заряда и пространството, и други, които нарушават теорията спрямо времето. Като се обединят тези частици, тази теория се възстановява, но се нарушава частично. Например нарушението по отношение на пространството е най-характерното нарушение за слабото взаимодействие. Там има силно нарушение, което може да се измери. Интересен пример е, че това е основното нарушение, с помощта на което се регулират ядрените реактори. При тях има неутрони,  които са генерирани много бързо при процесите на делене и не могат да бъдат управлявани. Реакторите са направени така, че голяма част неутроните са такива. Обаче има още една част, които се наричат закъсняващи неутрони – те се генерират от слабото взаимодействие.

Регулирането на закъсняващите  неутрони позволява да се регулира мощността на целия реактор.

А те може да се регулират, защото идват след минути, а някои и след часове. Това е пример за практическо приложение на фундаментална физика.“

„Ако се запитаме защо продължаваме да правим тези изследвания, след като намерихме Хигс-бозона, отговорът ще бъде, че има неща за довършване – казва в заключение доц. Хаджийска. – Освен това физиката на високите енергии, която правим на Големия адронен колайдер, не е нещо отделно от физиката, която описва света. Астрономите наблюдават странни обекти, които наричат гравитационни лещи, т.е. има струпване на материя, която е с достатъчно голяма маса, че да може да закриви светлината. Това е индикация, че

съществува материя, която не виждаме и не можем да измерим – затова я наричаме тъмна.

И е предпоставка да направим експеримент и да се опитаме да наблюдаваме кандидат за тази тъмна материя.“

Главен асистент д-р Мариана Шопова, представител на младото поколение физици, задава риторичния въпрос:

„Какво печели обществото от това, че търсим частици, които я видим, я не“.

„В случая влагането на средства за този тип експерименти, носи повече ползи за обществото, отколкото конкретно за нас, физиците – казва тя. – Това е съпроводено с намиране на нови материали и приложения на физични явления в бита на хората. Все повече ускорители се строят в болници, за да се оптимизира лечението на онкозаболяванията. Детекторите са предназначени за намирането на нови частици. Но това, че искаме да оптимизираме нашите експерименти, ни води до търсенето на нови материали и технологии, които намират приложение в съвременния живот. Пример за това е и системата WWW (World Wide Web), разработена първоначално за нуждите на ЦЕРН. Друг пример е необходимостта от разработване на нови материали, които освен за експериментални цели един ден ще позволят на човечеството да се превърне в раса, която би могла да обикаля Вселената. За да може да си го позволим, ни трябва физически материал, който да издържа на тежките условия в Космоса. А и на Земята – имам предвид вулкани, океанските дълбини и други.“

Свързани статии:

Самолекуването може да е следващата пандемия Свръхимунният отговор е опасен Тайните на Солницата в Провадия Как се преподава физика на жестов език