Кому как, а мне часто хочется успеть всё и побыстрее. Например, сделать за полгода то, на что тратится несколько лет. Честно сказать — ни разу не вышло, а вот у коллайдера ВЭПП-2000, открывшего в прошлом году свой первый после модернизации сезон, — получилось.  

За шесть месяцев работы на ускорителе ученым из Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН удалось набрать столько же статистики, сколько за три года перед этим. Зачем нужны эти данные, что такое очарованные мезоны и как с их помощью в ИЯФ СО РАН ищут новую физику, рассказали сотрудники института.

Благодаря экспериментам в Швейцарии почти каждый знает слово «коллайдер». Это ускоритель, в котором разгоняются до почти световых скоростей и сталкиваются пучки заряженных частиц (например, протоны, электроны, позитроны). При таких событиях энергии хватает на образование чего-то нового — других частиц, их рождение фиксируется детектором. Если говорить в очень общих чертах — коллайдер помогает исследовать свойства материи и понять, что произошло в момент зарождения Вселенной, сразу после Большого взрыва.
Сейчас работающих коллайдеров в мире всего семь. Самый известный — БАК (Большой адронный коллайдер) в CERN. Он разгоняет тяжелые частицы — протоны и работает в диапазоне очень высоких энергий — 13—14 ТэВ (13*1012 электронвольт). Его младший брат в США, коллайдер RHIC, сталкивает тяжелые ионы свинца. Остальные — два российских: ВЭПП-2000 и ВЭПП-4М, живущие в ИЯФ СО РАН, ускоритель SuperKEKB в Японии, DAFNE в Италии, ВЕРС-II в Китае — электрон-позитронные машины, работающие в более низком диапазоне энергий. Здесь и дальше речь пойдет об энергиях в системе центра масс — суммарной энергии встречных пучков.​

Встречные электрон-позитронные пучки — именно так расшифровывается название ВЭПП-2000. Это самый производительный коллайдер в мире (то есть генерирующий максимальное число столкновений в единицу времени) для диапазона энергий до 2 ГэВ (2*109 электронвольт), за исключением узкой области энергий около 1 ГэВ, где лидирует итальянская DAFNE. Коллайдер успешно проработал в 2011—2013 годах и затем остановился на трехлетнюю модернизацию для подключения нового инжекционного комплекса, который как раз и «производит» пучки электронов и позитронов. 2016 год был для коллайдера пуско-наладочным, а с декабря ускоритель начал работать в обычном режиме — накапливать статистику.

Максимальная энергия ВЭПП-2000 огромна, подобные величины в нашей обычной жизни почти не встречаются, они возникают только в космических лучах, взрывах сверхновых и других звездных процессах. Однако в ядерной физике диапазон до 2 ГэВ называется диапазоном низких энергий: к примеру, БАК работает с энергиями в 7 000 раз большими. Такие энергии нужны, чтобы в результате столкновений возникли тяжелые элементарные частицы, и можно было их «увидеть» прежде, чем они распадутся на более легкие.

По большому счету глобальная цель всех экспериментов на коллайдерах — выйти за пределы Стандартной модели — теории, описывающей мир вокруг нас, и «пощупать» новую физику. БАК предназначен среди прочего и для того, чтобы «родить» и зафиксировать новые частицы, не входящие в Стандартную модель. А ВЭПП-2000 пытается уловить новую физику хитрее — детально изучая поведение известных частиц и ища отклонения от предсказаний Стандартной модели. В частности, на ВЭПП-2000 проводится серия экспериментов, которые позволяют вычислить аномальный магнитный момент мюона, тяжелого и короткоживущего аналога электрона.

Стандартная модель описывает окружающий мир и нас самих тоже. Согласно этой стройной теории элементарные (неделимые) частицы бывают двух типов: «вещественные», создающие материю, — фермионы и переносчики сил (взаимодействий) — бозоны. Фермионы в свою очередь делятся на кварки и лептоны. Например, наш герой мюон, его легкий брат электрон, его тяжелый брат тау-лептон и нейтрино — лептоны. А вот протон и нейтрон состоят из кварков.

Взаимодействия между кирпичиками — фермионами — бывают трех типов: электромагнитное, сильное и слабое, а их переносчики — фотон, W- и Z-бозоны и глюоны. Есть еще гравитационное взаимодействие, но оно настолько слабое, что его можно не учитывать. Электромагнитное взаимодействие всем нам известно и очень хорошо изучено, именно оно ответственно почти за все явления, с которыми мы сталкиваемся в жизни. Слабое, контролирующее бета-распад ядер и медленные распады частиц, не так привычно, но благодаря ему, например, светят звезды.

Сильное взаимодействие — это то, что держит вместе протоны и нейтроны, формируя ядро атома. Оно же связывает «глюонным клеем» кварки между собой, превращая их в адроны, к которым относятся привычные для нас протоны и нейтроны. В сильных взаимодействиях сложно что-то предсказывать, потому что выделить отдельные кварки невозможно, именно из-за действующих между ними глюонов. Если попытаться «вынуть» отдельный кварк, например, из протона, то действие глюонного поля породит новую кварк-антикварковую пару, а протон так и останется протоном. 

У Стандартной модели, включающей в себя элементарные силы и элементарные частицы, есть свои ограничения. Например, по данным космофизики существует «темная» материя, но соответствующих частиц и взаимодействий пока не найдено в лабораторных условиях. Так вот, новая физика — это всё, что «больше» Стандартной модели.

— Аномальный магнитный момент — это свойство мюона, возникающее из-за того, что частица взаимодействует с вакуумом. На самом деле вакуум в теории не пустой — в нем всё время что-то рождается и умирает (аннигилирует), увидеть это нельзя, но, тем не менее, у «пустоты» сложная, богатая структура. Всё, существующее в природе, появляется и исчезает в вакууме. Если есть что-то еще, чего мы пока не знаем — новая физика, она тоже возникает и умирает в вакууме. Частица, например мюон, на своем уровне «видит» то, что происходит в вакууме, взаимодействует с ним, и эта связь слегка меняет параметры частицы, в частности магнитный момент. Такая добавка называется аномальный магнитный момент. Зная его величину, мы можем интегрально сказать, как выглядит вакуум, — объясняет заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Иван Борисович Логашенко.

При чем здесь новая физика? Дело в том, что аномальный магнитный момент мюона можно, с одной стороны, очень точно измерить экспериментально. А с другой — также точно рассчитать его значение в рамках Стандартной модели (какую долю в аномальный магнитный момент вносят сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия) и сравнить результаты. Разница между измеренным значением и результатом расчета — это и будет вклад новой физики и свидетельство ее существования, зафиксированное в лаборатории.

Экспериментальное измерение аномального магнитного момента мюона проводится в седьмой раз с начала 1950-х годов, сейчас наиболее точный эксперимент готовится в лаборатории Фермилаб (Национальная ускорительная лаборатория имени Энрико Ферми, Чикаго, США). В этом году проходит подготовительное тестирование оборудования, в конце года начнется набор статистики. Точность измерения планируется увеличить в четыре раза по сравнению с предыдущим, сделанным в начале 2000-х годов в Брукхейвенской национальной лаборатории (Нью-Йорк, США).


Эксперименты на ВЭПП-2000 дают очень важную информацию для теоретического вычисления. Посчитать вклад электромагнитных и слабых взаимодействий в аномальный магнитный момент — очень сложная, но решаемая задача, и на сегодня эти вклады вычислены с необходимой точностью. Все основные трудности начинаются при расчете величины, приходящейся на долю сильных взаимодействий. Это связано как раз с тем, что сильные взаимодействия, за счет которых кварки связываются между собой и создают адроны, не позволяют отделить один кварк от другого и определить величину силового поля между ними.

— Чтобы рассчитать вклад сильных взаимодействий в аномальный магнитный момент мюона, приходится искать какие-то обходные пути. Самый лучший — провести измерение вероятности рождения сильно взаимодействующих частиц, адронов, при аннигиляции электрона и позитрона. Эта вероятность зависит от суммарной энергии сталкивающихся электрона и позитрона. Оказывается, если правильным образом проинтегрировать (просуммировать) и усреднить измеренную вероятность по всем энергиям, то получится тот самый вклад в аномальный магнитный момент мюона от сильных взаимодействий. Причем почти вся величина вклада набирается как раз в области энергий до 2 ГэВ. Поэтому основная задача ВЭПП-2000 — измерение вероятности рождения адронов для разных энергий. Мы должны просканировать весь диапазон: от 0,32 до 2 ГэВ. Звучит просто, но с экспериментальной точки зрения это довольно сложная задача, так как надо понять, что у вас родились именно сильно взаимодействующие частицы, принять во внимание каждый эффект. Измерительные возможности детектора ограничены — он что-то видит, чего-то не видит, и мы должны правильно учесть это в своих измерениях, — подчеркивает Иван Логашенко.

«Глаза» ВЭПП-2000 — детекторы КМД-3 и СНД, расположенные в двух точках встречи летающих по кругу пучков электронов и позитронов. При «лобовом» столкновении электрона и позитрона возникают новые частицы, летят во все стороны и попадают в детектор. Ученых интересует в первую очередь рождение адронов, но те очень быстро распадаются, а «глаза» коллайдера видят только долгоживущих «малышей», образовавшихся после распада. Поэтому перед исследователями стоит сложная задача — понять, что же было в момент столкновения, по продуктам, родившимся потом. Это как если бы мы пытались определить по булке хлеба, где находилось поле, пшеница с которого превратилась в муку для этой булки.

— Например, когда электрон с позитроном аннигилируют — из этой энергии рождается два кварка, кварки мы не видим, но, когда они начинают разлетаться, если говорить простым языком, — между ними натягивается струна сильных взаимодействий, она рвется, и образуются другие частицы. То есть кварки разлетаются, и при этом из вакуума появляются новые пары. В самом простом случае рождается еще пара кварк — антикварк. Они перегруппировываются, и вот — два мезона полетело в детектор. Этот процесс называется адронизацией: когда кварки превращаются уже в видимые частицы — адроны. Однако это происходит на нулевых расстояниях, практически в точке, а мы фиксируем результат, когда всё завершилось, — конечные частицы в детекторе. Дальше наша работа — восстановить, что и как происходило в момент столкновения, — поясняет Иван Логашенко.

После упрощенных объяснений того, как коллайдер будет ловить «синюю птицу» новой физики, появляется ощущение, что это можно сделать быстро и вот-вот будет готово значение аномального магнитного момента мюона, рассчитанное благодаря новосибирской установке.

Ученые слегка охлаждают восторг.

— Набор нужных нам данных, их запись — автоматизированы. Но последующий анализ — это сложная, протяженная работа, которая занимает от нескольких месяцев до нескольких лет. Поэтому обработка набранного в этом году закончится нескоро. Сейчас точно нельзя сказать, что мы увидели, только предварительно, — рассказывает заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Дмитрий Борисович Шварц.

— В таких экспериментах важно набрать большое количество данных. Мы не ждем какое-то одно специальное событие, такого рода эксперименты закончились, наверное, в 1950-х годах. А теперь, чтобы понять какие-то очень сложноуловимые эффекты на фоне других более сильных, нам надо набрать большую статистику, и, уже анализируя ее, мы можем выделить эти тонкие детали, — добавляет Иван Логашенко.

В минувшем сезоне ускоритель работал в области своих максимальных энергий от 1,2 до 2 ГэВ в системе центра масс. В узком диапазоне, где рождаются пары протон — антипротон, нейтрон — антинейтрон, удалось набрать большое количество данных. Также ВЭПП-2000 порадовал ученых тем, что достиг энергии даже больше проектной — 2007 МэВ. Прибавка, казалось бы, небольшая, но при такой энергии могут появиться интересные частицы — очарованные мезоны D0*. Их возникновение на этой энергии согласно Стандартной модели очень маловероятно. Однако ряд моделей новой физики, наоборот, эту вероятность повышает.

— В прошедшем сезоне мы еще не дошли до такого уровня точности, чтобы увидеть рождение очарованного мезона D0*. Но мы сможем понять чувствительность детектора к этому процессу. На самом деле рождение D0* на этой энергии — очень интересное явление, и, если увидеть, что его вероятность действительно значительно выше, чем предсказывает Стандартная модель, тогда у нас в руках будет четкое доказательство новой физики, — говорит Иван Логашенко.

Среди общемировых исследований в этой области энергий ВЭПП-2000 является признанным лидером. Диапазон до 2 ГэВ может «прощупываться» и коллайдерами более высоких энергий, но больше данных за то же время наберет именно ВЭПП-2000. Еще одна его уникальная черта — реализованная технология круглых пучков, позволяющая в разы увеличить светимость (частоту встреч) по сравнению с плоскими пучками.

— В электрон-позитронных коллайдерах светимость ограничена эффектами встречи. Что это такое? При столкновении два пучка проходят друг сквозь друга свободно, лишь одна частица из ста миллиардов находит своего партнера. Но при этом электрон или позитрон, проходя через встречный пучок, «чувствует» электромагнитное поле от целого сгустка. И вот это влияние называется эффектами встречи. Проблема в том, что если мы хотим получить очень большую светимость, то есть наращиваем интенсивность встречного сгустка, — его воздействие становится сравнимым с действием всех остальных фокусирующих элементов. В какой-то момент может оказаться — поля встречного сгустка разрушают устойчивость движения частиц. Сотрудниками ИЯФ была предложена идея, которая довольно долго развивалась: если использовать пучки с круглым сечением, можно добиться того, что разрушительное действие встречного сгустка будет нивелировано. Эффекты встречи никуда не уйдут и даже могут стать сильнее, но светимость всё равно повышается. В конце концов, круглые пучки были реализованы на ВЭПП-2000. Это сейчас единственная машина в мире с такой технологией, — отмечает Дмитрий Шварц.

Очень хочется верить, что дверь в новую физику откроет именно ВЭПП-2000. Однако где и когда это случится — никто точно не знает. Одно можно сказать наверняка — эффект может быть поистине удивительным, ведь каждый раз, когда физика выходила на новый уровень, появлялись почти магические изменения в технологиях. Свидетельство этому — те несомненные удобства, которые пришли к нам после открытия рентгеновских лучей, радиоволн, синхротронного излучения.

Надежда Дмитриева

Источники

Новая физика прячется в вакууме
Наука в Сибири (sbras.info), 09/10/2017

Похожие новости

  • 25/05/2018

    Фокусирующий аэрогель поможет распознать частицы в экспериментах на будущем новосибирском коллайдере

    ​Ученые Института ядерной физики им Г.И. Будкера СО РАН разработали проект системы идентификации частиц для экспериментов на будущем новосибирском коллайдере - Супер С-Тау фабрике. Это одна из ключевых систем планируемой установки, она позволит с высокой надежностью определять типы рождающихся в эксперименте частиц.
    348
  • 16/10/2017

    Пассажиров аэропорта Дели проверяет техника, разработанная учеными ИЯФ СО РАН

    Система рентгенографических сканеров Express Inspection, совместной разработкой которых занимался Новосибирский Институт ядерной физики им Г. И. Будкера СО РАН и Орловский завод «Научприбор», проходит апробацию в Индии.
    578
  • 05/03/2018

    Новосибирские физики построят маленький коллайдер для синтеза экзотических атомов

    ​Ученые новосибирского Института ядерной физики Сибирского отделения РАН планируют построить к 2021 году маленький коллайдер, который будет использоваться в том числе для синтеза экзотических атомов, сообщил ТАСС в пятницу замдиректора института по научной работе Евгений Левичев.
    433
  • 29/12/2017

    Области человеческих деятельности, в которых Россия входит в пятёрку лучших

    ​1. Сельское хозяйство. В 2010-е гг. Россия вернула себе позицию крупнейшего сельхозэкспортёра в мире, которую она занимала ещё в начале XX века. При этом Россия занимает лишь четвёртое место в мире по площади обрабатываемых сельхозземель.
    549
  • 27/03/2017

    Новосибирские ученые создали материал, обеспечивающий 30 лет непрерывной работы химического реактора

    Ученые из Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН и Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) создали новую технологию сплавления титана и тантала, в результате чего получили особо стойкий к коррозии и агрессивным средам материал.
    1420
  • 09/01/2018

    Ученые ИЯФ СО РАН планируют лечить рак с помощью электронной пушки

    ​Новосибирские ученые из Института ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН разработали электронную пушку. С ее помощью исследователи планируют лечить в том числе онкологические заболевания. Как сообщает сайт телеканала «Звезда», эффективность этого метода уже проверяли на животных.
    465
  • 29/12/2017

    Физики ИЯФ СО РАН впервые в мире остановили испарение гелия в генераторе синхротронного излучения

    ​Ученые Института ядерной физики (ИЯФ) Сибирского отделения РАН модернизировали созданный ими генератор синхротронного излучения: им первыми в мире удалось прекратить испарение жидкого гелия, который охлаждал установку и требовал постоянной дозаправки.
    539
  • 15/12/2015

    Физики НГУ будут изучать процессы с участием самых легких мезонов

    ​НГУ и Институт ядерной физики СО РАН присоединились к эксперименту KLOE-2 по изучению "легчайших из тяжелых" - сильно взаимодействующих элементарных частиц каонов и пионов, которые относятся к классу мезонов.
    1749
  • 17/09/2018

    Большой адронный коллайдер и фундаментальные вопросы науки

    Россия пока не получила ни одного заказа при модернизации Большого адронного коллайдера, хотя раньше без нее ЦЕРН обойтись в принципе не мог. Ровно десять лет назад в Европейской лаборатории ядерных исследований (ЦЕРН) был запущен Большой адронный коллайдер.
    191
  • 30/08/2018

    Новосибирские ученые знают, как разбить древность на атомы

    Озера, древние книги, иконы, кости мамонтовой фауны или доисторического человека, деревянные колоды из погребений и даже болотный торф - все эти объекты можно точно датировать, определить время их создания, появления на свет или, если речь идет о живом существе, период обитания на Земле.
    178