Физик Димитрий Краснопевцев о работе в ЦЕРНе: «Ищем распад бозона Хиггса на невидимые частицы»

Выпускник МИФИ Димитрий Краснопевцев работает в Европейском центре ядерных исследований уже почти восемь лет. Сейчас занимается изучением свойств бозона Хиггса и знает, как отделить электроны от пи-мезонов и выбрать из 2 млрд событий в секунду наиболее интересные.

Отделить сигнальные события от фоновых

— Кто вы по образованию?

— Я специалист по физике атомного ядра и элементарных частиц. Окончил МИФИ в 2012 году и сразу поступил в аспирантуру. Параллельно работал в МИФИ и Курчатовском институте. В ноябре 2018-го защитил диссертацию.

— Чему она посвящена?

— Первая часть — ​измерению сечения совместного рождения Z-бозона и двух фотонов в протон-протонных столкновениях, а также поиску Новой физики, а именно — ​аномальных вершин взаимодействия нейтральных бозонов. Вторая часть посвящена работе одного из детекторов эксперимента ATLAS в ЦЕРНе. Концепцию трекового детектора переходного излучения TRT предложил МИФИ. А создавалось это устройство по частям в разных университетах мира при содействии сотрудников МИФИ. TRT регистрирует траектории частиц и распознает их типы, например электроны и пи-мезоны. Это очень важно в физических исследованиях — ​помогает отделить сигнальные события от фоновых.

Я участвовал в исследовании работы детектора при больших нагрузках. В каждом акте столкновения протонных пучков, эти акты разделены промежутком в 25 нс, более 30 протонов сталкиваются лоб в лоб. В результате увеличивается фон, образуются десятки и сотни новых частиц. Лишь несколько из них интересны исследователям. Необходимо, чтобы детектор регистрировал все частицы, независимо от их количества. Только в этом случае у нас есть возможность эффективно отделить фон от сигнала.

Нужно было понять, как оборудование реагирует на нагрузки, сохраняются ли характеристики по пространственному разрешению. Исследование показало, что сохраняются. Это важно: в эксперименте ATLAS для эффективной регистрации элементарных частиц — ​определения траектории, импульса и т. д. — ​требуется полная информация от всех детекторов.

— Вы целенаправленно шли к тому, чтобы работать в Европейском центре ядерных исследований?

— Стартовой точкой стала поездка в летнюю школу ЦЕРНа в 2011 году. Вместе с сотнями студентов со всего мира я учился и работал там два месяца. Проникся особой атмосферой международного сотрудничества. Мне хотелось продолжить исследования данных на Большом адронном коллайдере, поэтому я выбрал связанную с ним тему диссертации, ездил в командировки в ЦЕРН, участвовал в совещаниях, сидел на шифтах — ​вел мониторинг работы детектора TRT. В итоге вошел в коллаборацию эксперимента ATLAS, стал одним из 3 тыс. авторов статей, которые она выпускает.

В штате ЦЕРНа сотрудников мало. В основном ученые, которые занимаются поддержкой оборудования и систем, физикой ускорителей, чтобы БАК работал с заданными параметрами. А остальные, их еще называют юзерами, — ​командированные из университетов со всего мира. Я, к примеру, постдокторант в Университете науки и технологий Китая (USTC), который сотрудничает с ЦЕРНом. Работаю по контракту, штатные должности — ​редкость, за них нужно бороться. Кроме того, должен быть определенный опыт.

Между Китаем и Францией

— Почему вы выбрали китайский университет, а не российский?

— Было интересно узнать, как все устроено в другой стране, набраться опыта. Когда коллега рассказал, что в USTC есть вакансия, я подал документы. Вначале обговаривалось, что около 90 % времени я буду находиться в ЦЕРНе и 10 % — ​в своем университете. Сейчас соотношение 80 на 20 по моей инициативе. Живу во Франции — ​в Швейцарии дороже.

— И продолжаете работать в коллаборации ATLAS.

— Да. Раньше я исследовал предсказания электрослабого сектора Стандартной модели, самой успешной теории элементарных частиц на данный момент, сейчас — ​свойства бозона Хиггса при помощи редких каналов распада, включая самый редкий — ​на два мюона. Я также работаю в группе, которая ищет распад бозона Хиггса на невидимые для детекторов ATLAS частицы. Такие частицы могут составлять темную материю Вселенной.

Кроме того, в составе команды из USTC я обеспечиваю работу мюонных резистивных камер RPC в эксперименте ATLAS. RPC входят в систему триггера, которая осуществляет первичный отбор событий сразу после столкновения протонов. Когда протонные пучки сталкиваются, происходит несколько миллиардов событий в секунду. Обработать все сразу и вычленить интересные сложно, поэтому нужен первичный отбор. Например, один из критериев — ​наличие высокоэнергетических мюонов. RPC из 2 млрд событий оставляют 100 тыс. Есть другие триггеры, которые делают выборку все уже и уже. Это существенно облегчает исследования.

Пока на БАКе модернизация, мы фактически занимаемся обработкой и анализом собранных в 2015–2018 годы данных, ищем интересные события и новые частицы. Кто первый получает результаты — ​делает публикацию.

Еще я вхожу в комитет молодых ученых эксперимента ATLAS. Мы настраиваем рабочую среду так, чтобы полностью раскрыть потенциал студентов, аспирантов, постдоков и тем самым продвинуть всю коллаборацию.

Разница характеров

— Много в ЦЕРНе специалистов из России?

— В целом много, но в Хиггс-физике кроме меня еще пара человек, если говорить о тех, кого я знаю. Не так много российских университетов работают в этом направлении. В офисе, где я сижу, 16 человек. Больше половины — ​из USTC, остальные — ​из Университета Оклахомы. Среди них, кстати, наш соотечественник, тоже выпускник МИФИ.

— Вы больше общаетесь с русскими?

— На обед чаще хожу со знакомыми из МИФИ. В столовой заметно, конечно, разделение на сообщества по национальному признаку, но я общаюсь еще с китайцами и итальянцами. Забавно наблюдать, как итальянцы идут на обед. Мы обычно собираемся по двое-трое, а они по 10–15 человек. Довольно сложно найти стол на всех. Еще я считаю, что итальянцы лучше всех используют обеденный перерыв для отдыха: не 20 минут — ​и за работу, как мы привыкли, а весь час.

— Есть разница в работе специалистов из разных стран?

— В Китае и правда очень много работают, конкуренция высочайшая. Даже студенты и аспиранты сидят в офисах до поздней ночи. То же самое я наблюдаю в ЦЕРНе. Европейцы работают более расслабленно. У нас шутят: если ты запаздываешь с исследованиями, есть риск, что студент из Китая все посчитает и уже завтра представит результаты.

— Как пандемия коронавируса повлияла на ЦЕРН?

— Текущие проекты сразу заморозили, приостановили работы, требующие присутствия в лабораториях. Функционировал минимум систем, остановка которых могла привести к непоправимым повреждениям детекторов и БАКа. Сейчас модернизация возобновляется, но все это отразится на графике. Коллайдер планировали запустить в первой половине 2021 года, теперь срок смещен на второе полугодие. К сожалению, отменена летняя школа. Я нахожусь в России и пока не знаю, когда откроются границы для перелетов и возобновится работа ЦЕРНа в прежнем режиме. Тем не менее на наши исследования это никак не влияет: ученые, которые анализируют данные, как работали, так и работают, только удаленно.

— Вы планируете и дальше работать в ATLAS?

— Мне очень нравится Хиггс-физика, но я не закрываю для себя другие направления. Периодически поглядываю в сторону астрофизики. Например, в ЦЕРНе есть магнитный альфа-спектрометр AMS. Этот прибор предназначен для изучения, в частности, космических лучей, поиска антиматерии и темной материи. В его составе трековый детектор переходного излучения, поэтому мои знания могли бы пригодиться.

Экскурсия по эксперименту ATLAS 

Секрет пельменей

— Что вам не нравится в вашей работе?

— Нет ничего хуже бюрократии, она отбирает время, которое можно было бы посвятить исследованиям. Бюрократия есть и в Китае, но мне повезло: большую часть бумажек за меня оформляет секретарь кафедры, так как я нахожусь в другой стране. В ЦЕРНе электронный документооборот. Там бюрократия касается бытовых вопросов. Некоторые считают, что, переехав в Европу, обретут множество привилегий и возможностей. Это отчасти правда, но есть несколько но. Например, аренда жилья во Франции обходится в среднем в 1 тыс. евро в месяц. Минимальная обязательная медстраховка — ​около 100 евро в месяц. Налог на телевизор — ​139 евро в год. А в счете за электричество есть строка «На развитие чистой энергетики». В общем, довольно длинный список.

— Переняли ли вы какие-то традиции Франции и Китая?

— Чтобы лучше понять тонкости чайной церемонии, даже приобрел соответствующий набор. И всегда покупаю в Китае чай, когда езжу по делам в USTC. Кстати, я начал по-другому варить пельмени. Когда вода с пельменями закипает, нужно добавить холодной воды. И так еще два раза. Пельмени не развариваются и, на мой взгляд, получаются вкуснее.

В ЦЕРНе устраивают вечеринку в честь Рождества и Нового года. У ученых из эксперимента ATLAS есть традиция готовить глинтвейн и приносить национальные десерты. Больше всего мне запомнился йогурт с морошкой из Скандинавии. А еще в ЦЕРНе отмечают каждое крупное событие игристым вином — ​в комнате управления уже большая коллекция пустых бутылок, их специально не выбрасывают.