Ученые ОИЯИ активно участвуют в модернизации установки Компактный мюонный соленоид (CMS) — одного из четырех крупнейших экспериментов на Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРН. ОИЯИ вовлечен в целый спектр работ по эксперименту и вносит существенный вклад в СMS c момента его задумки. Первая фаза модернизации CMS была завершена в начале 2022 г., вторая будет продолжена через четыре года, когда LHC повысит свою светимость. О том, как проходили этапы модернизации, рассказали руководитель темы CMS в ОИЯИ Владимир Каржавин и руководитель программы физических исследований CMS в ОИЯИ Сергей Шматов.

Эксперимент CMS выполняет обширную научную программу: от исследования и проверки предсказаний Стандартной модели (в том числе свойств бозона Хиггса) до поиска «нестандартной физики», дополнительных измерений и темной материи. Во время двух длительных технических перерывов в работе LHC в 2013–2015 гг. и в 2019–2022 гг. была проведена первая фаза модернизации экспериментальной установки CMS. Это позволило обеспечить эффективную работу всех систем экспериментальной установки при высокой светимости LHC (более 1034 см−2 · с−1) при повышении энергии протон-протонных столкновений до проектного значения 14 ТэВ в системе центра масс.

«Специалисты ОИЯИ внесли большой вклад в модернизацию детекторных систем адронного калориметра и мюонной системы. Проведены замена, проверка и ввод в эксплуатацию электроники считывания и сервисных систем адронного калориметра», — отметил начальник Научно-экспериментального отдела физики на CMS ЛФВЭ Владимир Каржавин. В рамках модернизации мюонной системы 108 детекторов четырех мюонных станций, расположенных в области больших загрузок, оснащены новой электроникой повышенного быстродействия. На рис. 1 показан стенд длительной проверки работоспособности детекторов ME1/1 перед их монтажом в экспериментальную установку.

В настоящее время заканчивается подготовка детекторов мюонной системы CMS к третьему периоду набора экспериментальных данных (Run3), который продлится до конца 2025 г. (ожидаемая интегральная светимость возрастет до Lint~350 фб−1).

Начиная с 2029 г. предусмотрена работа LHC при повышенной светимости (High-Luminosity LHC, HL-LHC) — вплоть до 7,5 · 1034 cм−2 · с−1, что позволит увеличить статистику более чем на порядок (Lint~3000 фб−1). Это обеспечит дальнейшее тщательное изучение природы бозона Хиггса и поиск возможных отклонений от предсказаний Стандартной модели (СМ), указывающих на проявление сигналов новых физических явлений. В частности, важно существенно повысить точность измерения констант связи бозона Хиггса (ожидаемая точность ~3–5%), так как наблюдаемый вклад от рождения новых частиц может оказаться гораздо меньше текущей точности измерений (10–30%). Увеличение статистики данных позволит осуществить поиск процессов за рамками СМ, которые характеризуются сечениями, лежащими ниже порога текущей чувствительности экспериментальных измерений (сценарии с частицами-кандидатами на роль темной материи, расширенные суперсимметричные модели, теории хиггсовского портала и т.д.). Среди них особый интерес представляют процессы, в которых ожидается рождение так называемых долгоживущих новых частиц (Long-Lived Particles, LLP) с вершинами распада, находящимися на значительном (от нескольких сантиметров до десятков метров) расстоянии от точки взаимодействия пучков протонов (рис. 2). Также различные сценарии поиска новой физики предсказывают рождение частиц с поперечным импульсом, намного превышающим их массу (boosted objects). Как следствие, продукты их распада представляют собой очень узкие струи, пересекающиеся в пространстве.

Для регистрации таких процессов требуется существенное расширение возможностей cистемы отбора событий, а также использование нестандартных алгоритмов реконструкции событий, например, реконструкции треков и измерения энергии частиц с помощью мюонных станций без привлечения трекера. Для лучшего разделения двойных струй, особенно в условиях высокой плотности взаимодействий, необходим калориметр с такой продольной и поперечной сегментацией, которая облегчает измерение энергии потока частиц.

«При увеличении светимости коллайдера детекторы и электроника считывания должны быть адаптированы для работы в условиях существенно увеличенных радиационных загрузок, — подчеркивает начальник Сектора №1 новой физики на CMS ЛФВЭ Сергей Шматов. — Физиками ОИЯИ проводится комплексное исследование деградации параметров детекторов при работе в условиях HL-LHC».

Вторая фаза модернизации CMS для работы в режиме HL-LHC начнется в 2026 г. и затронет все ключевые детекторные элементы установки: трекер, калориметры и мюонную систему. ОИЯИ принимает активное участие в модернизации мюонной системы CMS и в создании калориметра с высокой гранулярностью (HGCal). Выполнен большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на исследование радиационных свойств материалов и поиск технических решений в создании новых систем детекторов.

Сотрудники ОИЯИ совместно со специалистами из Белорусского государственного университета (Минск) активно участвуют в создании детектирующих элементов (кассет) калориметра HGCal, состоящих из кремниевых сенсоров и сцинтилляционных модулей, смонтированных на медной панели охлаждения. Кроме того, определяющий вклад наших специалистов внесен в разработку, моделирование и создание стенда для проверки работоспособности кассет HGCal. Испытания, включая тесты с космическими лучами, будут проводиться в специальных условиях — при температуре помещения –35°С в течение двух недель.

Напомним, что первый этап набора экспериментальных данных (Run1) проходил в 2009–2012 гг. при энергии сталкивающихся пучков протонов √s = 7 и 8 ТэВ. В период Run1 одним из фундаментальных достижений эксперимента CMS стало открытие бозона Хиггса. Ключевую роль в регистрации «золотого» распада нового бозона (h→ZZ*→4µ) играет мюонная система CMS. Передняя мюонная станция ME1/1, обладающая уникальными характеристиками (пространственным разрешением ~50 мкм и временным разрешением ~3 нс), обеспечивает прецизионные измерения координат трека мюона. Во втором периоде (Run2) работы LHC в 2015‒2018 гг. энергия LHC достигла √s=13 ТэВ. Полный объем экспериментальных данных, записанных в эксперименте CMS за оба периода, соответствует интегральной светимости Lint~190 фб−1.

Физики ОИЯИ участвуют в проекте «Компактный мюонный соленоид» (CMS) в составе коллаборации научных центров России и стран-участниц ОИЯИ (RDMS) cо времени предложения концепции эксперимента — c 1992 г.

Вклад ОИЯИ подразумевал создание детекторов торцевой части экспериментальной установки CMS, включая проектирование, строительство и эксплуатацию торцевого адронного калориметра (HCal) и передней мюонной станции (ME1/1), в том числе участие в сеансах по набору экспериментальных данных и физическому анализу, а также поддержание эффективной работы установки.