«Мир описывается физическими законами, значит, если их изучать, можно в нем разобраться»
- 26.06.2024
Одно из четырех основных направлений Института ядерной физики им. Г. И. Будкера (ИЯФ СО РАН) – физика элементарных частиц. На коллайдерах ВЭПП-2000 и ВЭПП-4М физики изучают, как при аннигиляции электрона и позитрона, то есть из энергии, которая возникает при их столкновении, рождаются элементарные частицы, и как устроена физика взаимодействий этих частиц в различных областях энергии. Аспирант ИЯФ СО РАН Дмитрий Кыштымов работает в команде детектора КЕДР коллайдера ВЭПП-4М. Его научная работа посвящена исследованию одного из вариантов распада J/ψ мезона. Полученный результат был оценен на Конкурсе молодых ученых ИЯФ СО РАН, в секции физики элементарных частиц Дмитрий занял второе место.
Аспирант ИЯФ СО РАН Дмитрий Кыштымов. Фото Т. Морозовой.
— Расскажи, пожалуйста, о результатах, которые ты докладывал на Конкурсе молодых ученых ИЯФ СО РАН?
— Работа, которую я представлял на конкурсе молодых ученых, посвящена изучению распада одних частиц в другие, а именно джи пси мезона (J/ψ) в состояние фи эта (J/ψ → ϕη) в эксперименте с детектором КЕДР. Моей задачей было рассчитать вероятность такого события. Но это лишь часть моей основной работы, а занимаюсь я расчетом вероятности распада J/ψ мезона в состояние ро эта (J/ψ → ρη). Это тоже одна из мод распада этого мезона, но более сложная по сравнению с J/ψ → ϕη, так как в ней присутствует интерференция с другими каналами распада. Поэтому, чтобы в будущем корректно рассчитать вероятность процесса J/ψ мезона в ρη, мы поработали сначала с более «чистым» каналом, который, разумеется, сам по себе тоже интересен.
— Какой результат вы получили, и что будет дальше с полученным знанием?
— В подобных экспериментах мы измеряем бранчинг распада, отношение числа интересующего нас распада к общему числу рождённых J/ψ мезонов, то есть вычисляем, с какой вероятностью именно этот процесс происходит в распадах J/ψ мезонов. У процесса J/ψ → ϕη достаточно маленькая вероятность, порядка 8 * 10 -4 (0,08 %). Но это не хорошо и не плохо. Точность нашего результата сопоставима с результатами, ранее полученными в коллаборациях BaBar (США), Belle (Япония), BES-II (Китай), MARK-III (США) и DM2 (Франция).
— А какова глобальная цель подобных экспериментов?
— На коллайдере ВЭПП-4М в ИЯФ СО РАН сталкиваются электроны и позитроны, и на энергии 3-х ГэВ рождаются J/ψ мезоны. Наша глобальная задача состоит в том, чтобы изучить возможные моды (каналы) распадов этой частицы, которых довольно много и которые во многом еще до конца не исследованы. Например, последние эксперименты по изучению J/ψ → ρη были проведены порядка 30 лет назад двумя коллаборациями MARK-III и DM2. Мы бы хотели измерить эту моду на независимом детекторе КЕДР и актуализировать результат, занесенный в Particle Data Group.
Но и это еще не все наши планы. Распад J/ψ → ρη образует моду пи+ пи- эта (π+π- η), то есть измерив вероятность распада ρη, можно измерить еще один бранчинг. Последние эксперименты по исследованию J/ψ → π+π- η проводились в 2018 - 2019 г. коллаборациями BaBar (SLAC, США) и BES-III (BEPCII, Китай). Зарубежные коллеги обрабатывали общее число рожденных π+π- η, а у нас будет возможность исследовать внутреннюю структуру этого распада, измерить вклады всех резонансов в этот процесс, получив при этом более подробную информацию.
— То есть благодаря экспериментам ИЯФ СО РАН значения трёх мод распадов J/ψ мезонов будут актуализированы в сводной международной таблице всех элементарных частиц?
— Получив наш результат, я ожидаю, что PDG пересчитают средние значения J/ψ → ϕη, J/ψ → ρη и J/ψ → π+π- η. Предварительно, можно сказать, что сильно оно не поменяется, но информация актуализируется с учетом нового эксперимента. Думаю, что в течение двух лет мы обработаем все данные по этим распадам и представим результат – данная работа ляжет в основу моей кандидатской диссертации.
— Расскажи поподробнее, как высчитывается вероятность того или иного распада?
— Сигнал, который приходит от частицы, пролетевшей через определённую часть детектора, регистрируется в виде напряжений, который мы переводим при помощи наших калибровок в физические параметры, если частица пролетела через калориметр, то это энергия. После этого мы уже можем реконструировать событие, то есть восстановить траекторию частицы, определить её импульс. Реконструируются все события, зарегистрированные детектором, но отбираются только те, которые обладают нужными нам характеристиками, чтобы отсечь фоновые события и шумовые срабатывания детектора. Далее мы занимаемся анализом этих данных: моделируем большое количество событий разных каналов распадов и смотрим, какие из них могут «пролезть» через наши условия отбора и сопоставляем их к эксперименту.
На иллюстрации изображён распад J/ψ → ρη, когда ρ мезон распадается на π+π-, а η на два фотона. Два заряженных пиона (две левые траектории) регистрируются вершинным детектором, дрейфовой камерой, время пролётной системой и LKr калориметром. Два фотона (две синие линии справа) регистрируются только системой LKr калориметра. Предоставлено Д. Кыштымовым.
Большая часть всей работы при анализе данных состоит в оценке ошибок, то есть в том, какой вклад систематические и статистические неопределенности вносят в результат. Это очень сложно и требует некоторой скрупулезности. Надо тщательно отбирать процессы, которые ты будешь моделировать, потом сам процесс моделирования и реконструкция – этот этап обработки данных занимает от одного до нескольких дней и проводится, порой, по несколько раз. Также надо понимать, из чего состоит сам детектор, как работают его системы, какие у них особенности. То есть любое явление надо уметь правильно оценить и охарактеризовать, понять, что может пойти в работу, а что нужно отсечь.
— То есть ты физик-программист?
— Мне кажется, что современная физика, да и вообще современная наука, без программирования невозможна. Программирование очень ускоряет работу, и без него невозможно обрабатывать большие объемы данных. Вот есть у меня 5 млн распадов J/ψ мезонов, как тут без программирования.
— А что тебе нравится в физике, в науке в целом? Почему ты решил ей заниматься?
— Для меня физика она не то чтобы проста, но она понятна. Еще в школе, в последних классах, мне стал нравиться этот предмет, потому что я осознал, что мир описывается физическими законами, значит, если их изучать, можно в нем разобраться. В программировании, о котором я по началу мечтал, мне не нравится, что многие задачи, которые тебе нужно решить, сводятся просто к кропотливому поиску какой-то ошибки в коде. В физике ты более свободен, круг задач очень широкий и все они разнообразные.
Кафедру фундаментальных частиц я выбрал потому, что мне очень понравилась глобальность решаемых задач. Здесь мы исследуем структуру самой материи, изучаем законы, которыми подчиняются в своем взаимодействии элементарные частицы. Эксперименты, которые проводятся в ИЯФ СО РАН, это передний край науки, их результаты интересны всему международному физическому сообществу. И хотя моя работа является очень маленьким кирпичиком в общей науке, но определённый вклад в неё я вношу.
Подготовила Татьяна Морозова