ОЭФВЭ

ОТДЕЛ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ НИИЯФ МГУ

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size
Home История ЛЭФЭлЧ

История Лаборатории

E-mail Печать

Лаборатория экспериментальной физики элементарных частиц.

Лаборатория экспериментальной физики элементарных частиц была создана в 1978 году в Отделе измерительной техники (ОИТ). Основными задачами лаборатории, в то время, были: 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 установок 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, так 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.

Фото 1. Анализ экспериментальных данных за просмотровым столом.


Анализ экспериментальных данных за просмотровым столом.

Фото 2. Участники коллаборации ЕГС от НИИЯФ МГУ, 1991 г.


Участники коллаборации ЕГС от НИИЯФ МГУ, 1991 г.


В 1984 г. 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 г 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 кремниевым детекторов с 10 000 каналами регистрации. Такой тип ПВД создавался тогда в России впервые. К 2011 г. 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 чётностью и странностью +1. В 2003 г 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.


Фото 3. Детекторы и магнит установки СВД: 1 — быстроциклирующая пузырьковая камера, заменённая впоследствии на активнуюмишень; 2 — прецизионный вершинный детектор (ПВД); 3 — блок координатныхдетекторов (КД) перед магнитом, сначала это были метровые пропкамеры (ПК), а затем блок минидрейфовых трубок (МД); 4 — магнитный спектрометр (МС) внутри магнита; 5 — черенковский газовый детектор (ЧД); 6 — сцинтилляционный годоскоп (СГ); 7 — детектор γ-квантов (ДЕГА); С1, С2, С4 — сцинтилляционные детекторы монитора пучка.



Детекторы и магнит установки СВД


Фото 4. Участники рабочего совещания эксперимента СВД в НИИЯФ МГУ 27 июня 2006 г.



Участники рабочего совещания эксперимента СВД в НИИЯФ МГУ 27 июня 2006 г.



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. Это также отразилось в создании Лаборатории калориметрических детекторов и в переименовании в 1987 г. отдела из ОИТ в ОЭФВЭ (Отдел экспериментальной физики высоких энергий). Лабораторией экспериментальной физики элементарных частиц (ЛЭФЭЧ) лично руководил заведующий отделом ОЭФВЭ Павел Федорович Ермолов.

Участие ряда сотрудников ЛЭФЭЧ 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, 1973-1975 гг, 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 г. 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 (создание адрон-электронного сепаратора HES), по этой причине уже в первую публикацию ZEUS в 1992г. 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 и список участников от ОЭФВЭ значительно расширился. Тем самым, у сотрудников отдела появилась совершенно новая возможность прямого участие в эксперименте, в иных условиях и с иной организацией научного процесса, без жесткой иерархии.

Сотрудники ЛЭФЭЧ 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.

30 июля 2007 г., пятнадцать лет спустя начала экспериментальной программы, набор данных в экспериментах на коллайдере HERA был завершен.

Фото 5. Участники коллаборации ZEUS в экспериментальном холле.

Участники коллаборации ZEUS в экспериментальном холле.


Фото 6. Руководитель Лаборатории и ОЭФВЭ П.Ф. Ермолов на симпозиуме участников экспериментов на коллайдере HERA, 18 июля 2005 г.


Руководитель Лаборатории и ОЭФВЭ П.Ф. Ермолов на симпозиуме участников экспериментов на коллайдере HERA, 18 июля 2005 г.


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 ЛЭФЭЧ 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 обьявлено о наблюдении рождения Хиггсовского бозона на коллайдере Теватрон, одновременно с открытием Хиггсовского бозона на коллайдере БАК в 2012 г..

Фото 7. Фотография и схематическое обозначение ускорительного комплекса Теватрон в национальной лаборатории им. Э.Ферми в США.

Фотография и схематическое обозначение ускорительного комплекса Теватрон в национальной лаборатории им. Э.Ферми в США.


Фото 8. Схематическое изображение детектора D0 коллайдера Теватрон.

Схематическое изображение детектора D0 коллайдера Теватрон.


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 обьединяющие 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


Фото 9. Лауреаты Ломоносовской премии МГУ им. М.В. Ломоносова награжденные за цикл исследований в эксперименте D0, коллайдера Теватрон.

Лауреаты Ломоносовской премии МГУ им. М.В. Ломоносова награжденные за цикл исследований в эксперименте D0, коллайдера Теватрон.


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, 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, сотрудники Лаборатории включились в целый ряд задач связанных с электрослабым рождением топ-кварка и поиску возможных отклонений от предсказаний СМ в этих процессах. 


Фото 10. Расположение ускорительного комплекса БАК в ЦЕРН рядом с Женевой, Швейцария.

Расположение ускорительного комплекса БАК в ЦЕРН рядом с Женевой, Швейцария.


Фото 11. Схема ускорительного комплекса БАК (LHC)

Схема ускорительного комплекса БАК



Фото 12. Празднование Нового года в ЛЭФЭЧ.

Празднование Нового года в ЛЭФЭЧ.


Фото 13. Празднование Нового года в ЛЭФЭЧ.

Празднование Нового года в ЛЭФЭЧ.


Фото 14. Празднование Нового года в ЛЭФЭЧ.

Празднование Нового года в ЛЭФЭЧ.