Обложка статьи

Как помочь CERN и HETDEX и подучить физику

В 2012 году во время эксперимента на Большом адронном коллайдере ученые открыли бозон Хиггса — последнюю, недостающую элементарную составляющую частиц. А в середине прошлого века было случайно обнаружено реликтовое излучение — первая «фотография» Вселенной. Тем не менее перед физиками до сих пор много вопросов о развитии и устройстве нашего мира. Одна из проблем в исследовании космических объектов и квантового мира в том, что мы ничего о них не знаем. Существующие теории базируются в основном на наблюдениях и построенных по ним математических моделях, но ученые не способны в одиночку обработать такие объемы данных. Поэтому они все чаще обращаются к гражданской науке. 

Что такое элементарные частицы и как их изучают

Подобно Периодической таблице Менделеева, описывающей атомы, в физике есть Стандартная модель. Согласно ей существует шесть кварков, шесть лептонов, четыре калибровочных бозона и бозон Хиггса. Эти элементарные частицы формируют все известные нам вещества.

Однако многие из них индивидуально живут очень мало и быстро самоорганизуются в другие частицы. Поэтому обнаружить кварки, бозоны и прочие можно только по продуктам их взаимодействия.

Для этих целей в 2008 году международный альянс ученых запустил Большой адронный коллайдер в CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire, или Европейская организация ядерных исследований) — самый мощный ускоритель частиц в мире. Протоны в нем движутся по двум замкнутым вакуумным трубам со скоростью близкой к скорости света — в противоположных направлениях. В четырех местах трубы пересекаются, а вместе с ними и потоки. Сталкиваясь, протоны образуют новые частицы — для их детекции и изучения в коллайдере установлены датчики. Один из них — ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) — в нем и был обнаружен бозон Хиггса в 2012 году.

Зачем искать новые частицы и при чем тут граждане

Несмотря на то что Стандартная модель кажется полноценной и способной описать вещество на фундаментальном уровне, к ней у ученых все равно остаются вопросы. Теоретики разрабатывают новые концепции, которые основываются на допущении, что долгоживущие (от пико- до наносекунды) частицы распадаются в нескольких миллиметрах или сантиметрах от детекторов Большого адронного коллайдера. Обнаружить такие события сложно и трудозатратно, но без них картина мира оказывается неполной.

Поэтому научная группа СERN под руководством директора Institute of Accelerating Systems and Applications Кристин Куркумелис на платформе проектов гражданской науки Zooniverse запустила проект New Particle Search at CERN. Его задача — анализируя данные с ATLAS, идентифицировать предполагаемые долгоживущие частицы. Нейросетям это сделать сложно: их нужно обучить на большой выборке данных. Поэтому ученые предлагают обычным людям выполнить несколько несложных заданий по маркировке диаграмм — ответы помогут сделать алгоритм лучше.

Чем темная материя отличается от обычной и как ее изучают

Существуют частицы и античастицы. Последние формируют не обычную материю, а темную. Она не участвует в электромагнитном взаимодействии, поэтому мы ее не видим, но она имеет массу. По математическим моделям гравитационных явлений, темная материя составляет примерно четверть массы-энергии Вселенной.

После Большого взрыва мир представлял собой «солянку» из постоянно движущихся и взаимодействующих частиц материи и энергии. Возникшие тогда колебания свободно распространялись по сверхплотной Вселенной, но через 400 000 лет она оказалась настолько холодной и разряженной, чтобы эти волны замерли. В ходе расширения Вселенной, эта рябь сохраняет структуру, но меняются ее пропорции. Соотнося расстояние между галактиками и параметры застывших волн, можно построить математические модели, которые расскажут о том, как эволюционировал наш мир и какой вклад в этот процесс внесла темная материя.

Как темная материя поможет составить карту нашего мира

HETDEX (Hobby Eberly Dark Energy Experiment) — первый крупный эксперимент по изучению темной энергии, объединивший специалистов из ведущих университетов США и Германии. Научная группа использует гигантский телескоп Hobby Eberly, расположенный в обсерватории Макдональда. Устройство снимает спектрограммы настолько удаленных от нашей планеты уголков космоса, что свет оттуда доходит до нас 9–11 миллиардов лет.

Таким образом, ученые изучают состояние галактик на ранних порах их развития. По полученным спектрограммам они сформируют трехмерную карту Вселенной через 400 000 лет после Большого взрыва.

Обработать все снимки группе исследователей не под силу, а без достаточного количества наглядных примеров обучить нейросеть не получится. Поэтому в конце прошлого года HETDEX запустили проект Dark Energy Explorers. Его результаты позволят измерить, насколько быстро расширялась Вселенная в разные периоды ее развития.

КАК ПОМОЧЬ

Проект CERN: маркируем графики

Для удобства добровольцев задания по обнаружению новых элементарных частиц разделены по сложности на три блока. Ученые призывают проходить их от легкого к самому сложному, будто поднимаясь по лестнице.

На первом этапе (Displaced Vertex Identification) вы научитесь определять сигналы, соответствующие долгоживущим частицам. Затем идентифицировать уже известные составляющие (блок Particle Identification). И наконец искать распады бозона Хиггса на протоны — прямо как это делали ученые, впервые его открывая, — и предполагать, какие сигналы могут указывать на ранее неизвестные долгоживущие частицы (Study of Higgs Bosons и Discovery of Long Lived Particles).

Работать на последних двух этапаха вы будете с помощью специального онлайн-инструмента HYPPATIA. Все данные проекта — реальны, исследователи собрали их на детекторе ATLAS.

Проект HETDEX: читаем снимки

Чтобы помочь ученым США и Германии, нужно определить, что изображено на спектрограмме. Исследователи предлагают начать с близлежащих галактик (Nearby VS Distant Galaxies) — и только когда вы набьете руку, приступать к отделенным (Fishing for Real Galaxies in a Sea of Noise). Дело в том, что чем дальше космический объект от нас, тем более нечеткая получается спектрограмма: в ней много стороннего шума и искажений.

Перед прохождением заданий изучите инструкцию, ведь придется работать с очень нечеткими изображениями. Каждая «фотография» уникальна, то есть вы будете первыми, кто увидит ту или иную галактику. На данный момент больше 6,5 тысяч добровольцев классифицировали около 160 тысяч объектов. Таким образом, обработано уже примерно 40 % снимков.

Подробнее об элементарных частицах и темной материи читай на платформе Zooniverse.


Обложка: скриншот с сайта Zooniverse
Инфографика: Арсений КУВАРДИН

2 декабря 2021

Еще почитать по теме

Обложка статьи
Зоопарк в верхних слоях атмосферы
Корреспондент рубрики HELP&SCIENCE выяснила, как без знаний в области астрофизики внести свой вклад в научное исследование
Обложка статьи
Зоопарк в верхних слоях атмосферы
Корреспондент рубрики HELP&SCIENCE выяснила, как без знаний в области астрофизики внести свой вклад в научное исследование