Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН завершают подготовку проектной документации для Супер С-тау-фабрики — коллайдера, который сможет производить с-кварки (от англ. charm, очарованный) и тау-лептоны. Получение, регистрация и исследование этих частиц позволит приблизиться к пониманию так называемой Новой физики — событий, выходящих за пределы Стандартной модели.

Разработка концепции Супер С-тау-фабрики идет уже несколько лет, и будущая машина постоянно совершенствуется, ведь мировая наука в этой области не стоит на месте. Постоянно появляются новые и новые результаты исследований, экспериментальные данные, теории и гипотезы. Это влечет за собой корректировки научной программы — и, конечно, самой установки.

«Физика элементарных частиц живет и изменяется, здесь нет ничего постоянного, поэтому по мере того как течет время, совершенствуется и проект, он развивается вместе с научным сообществом, с его потребностями и возможностями, с теми технологиями, которые постоянно появляются, — отмечает директор ИЯФ СО РАН академик Павел Владимирович Логачёв. — Понимаете, мало интересного в том, чтобы сделать то, что делал уже много раз. Самое важное — воплотить то, чего никто вообще никогда не делал». Поэтому ученые непрерывно работают над всеми частями проекта, в который сейчас активно вовлекаются специалисты из других российских и зарубежных организаций.

«Конечно, у нас будет широкая кооперация, прежде всего, с Объединенным институтом ядерных исследований в Дубне: он примет ключевое участие так же, как мы это делаем в проекте NICA. Если говорить про ускорительную часть, то тут в определенной мере к нам присоединятся и Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», и наши российские федеральные ядерные центры, например, в Сарове и Снежинске, — комментирует Павел Логачёв. — Я надеюсь, будут участвовать также высокотехнологичные предприятия Новосибирской области, в частности, Бердский электромеханический завод и другие большие современные предприятия. Иностранные партнеры (Европа, Япония и Китай) будут привлекаться, в том числе, через ОИЯИ в Дубне в коллаборацию по детекторам — их вклад составит, скажем, какая-то система или отдельные комплексы оборудования».

Павел Логачёв: «В каком-то смысле можно говорить, что весь мир, все ведущие лаборатории физики высоких энергий являются нашей распределенной площадкой по разработке Супер С-Тау фабрики. Все больше иностранных специалистов втягиваются в работу над проектом. Это хорошо иллюстрирует прошедшее в конце мая в нашем институте рабочее совещание по проекту Супер С-тау фабрики, на которое приехали почти 40 иностранных ученых из 10 стран мира (Китая, Италии, Германии, Великобритании, США, Австрии, Польши, Испании, Мексики, Франции). Большинство — со своими идеями, компетенциями, желанием участвовать. Такая заинтересованность очень хорошо иллюстрирует международный статус и масштаб проекта».

Действительно, проект, который ставит своей задачей столь новые и столь амбициозные исследования, просто не может не быть масштабным. Супер С-тау фабрика будет состоять из трех крупных элементов: коллайдера, инжекционного комплекса и детекторов.

Тоннель каналов транспортировки пучков на коллайдеры ВЭПП-4М и ВЭПП-2000 

Ускоритель представляет собой машину на встречных электрон-позитронных пучках, где оба типа частиц будут обладать одинаковыми энергиями, которые можно изменять от 800 млн до 2,5—3 млрд электрон-вольт. «Иными словами, мы сможем сталкивать пучки с любой энергией в этом диапазоне, — комментирует Павел Логачёв. — Конечно, при этом производительность установки, ее светимость, то есть число «встреч» будет разным на разных энергиях, но всё равно очень высоким, в десятки, может, в сотни раз больше, чем на современной действующей машине такого уровня (она работает в Китае)». Ускорительная часть Супер С-тау фабрики — это основной тоннель периметром примерно 800 метров, где находятся два кольца с вакуумными камерами и элементами, которые пересекаются в одном месте — там происходит столкновение пучков и находится детектор.

Для того чтобы пучки начали свой путь по коллайдеру, их нужно специальным образом сформировать и «выпустить». За это отвечает инжекционный комплекс, именно он готовит пучки электронов и позитронов нужного качества, которые затем заводятся в кольцо, там вращаются и сталкиваются, производя огромный набор данных. Комплекс состоит из нескольких линейных ускорителей, накопителя-охладителя для позитронов и источника поляризованных электронов. «Во всех этих областях мы имеем практический опыт, такая система у нас уже работает, — говорит Павел Логачёв. — Ее производительность, конечно, меньше, но мы понимаем, как сделать такую же, но намного выше уровнем. Действующий в ИЯФ источник позитронов на инжекционном комплексе сегодня является рекордным в мире по эффективности: количество позитронов на один электрон у нас больше, чем у кого бы то ни было».

В коллайдер будут постоянно добавляться новые порции пучков, ведь электроны и позитроны, сталкиваясь, аннигилируют и рождают новые частицы. Поскольку частота этих событий большая, то и потери соответствующие, так что их нужно очень быстро восстанавливать.

Наконец, столкновение пучков, а также частицы, которые получаются после того, как электрон и протон встретятся, необходимо регистрировать. Для этого используются детекторы. Если говорить о Супер С-тау фабрике, то ученым необходимы события редкие, а они идут на фоне колоссального количества частых. Соответственно, первая задача детектора — отделить одно от другого. Необходима эффективность регистрации частиц, то есть процент, который удалось зафиксировать. Вторая — идентификация, ведь нужно выяснить, что за «зверь», известный науке или совсем нет, родился в недрах детектора, а для этого — определить продукты его распада. Ведь неизвестные нам частицы до системы идентификации не долетают: не покидая места встречи пучков, они распадаются на более-менее стабильные и хорошо известные нам частицы, тип каждой из которых и должна максимально надежно установить система идентификации.

Пультовая инжекционного комплекса ВЭПП-5 — часть инфраструктуры для будущей Супер С-тау фабрики 

«Такая система очень важна, это специальные физические устройства, входящие в состав детектора и умеющие различать, что это за частица, — объясняет Павел Логачёв. — Мы планируем использовать нашу разработку — детектор черенковских колец (особый вид излучения, открытый академиком Павлом Алексеевичем Черенковым еще в 1944-м году) на основе фокусирующего аэрогеля. Заряженная частица, проходя через аэрогель, производит вспышку черенковского излучения, то есть образует фотоны. Они излучаются под определенным углом к направлению движения частицы, который зависит от её скорости. Зная координаты зарегистрированных фотонов, можно установить скорость частицы, что позволяет определить ее тип. Подобная методика сегодня используется в эксперименте Belle-II коллайдера SuperKEKb в Японии и разрабатывается для эксперимента PANDA на ускорителе FAIR в Германии. Уникальность решения, предлагаемого новосибирскими исследователями для Супер С-Тау фабрики, состоит в использовании четырехслойного фокусирующего аэрогеля, который умеют производить только в Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН».

Кроме того, учитывая, что частота событий, которые нужно регистрировать, очень высока, требуется качественная электроника регистрации и оцифровки. В ИЯФ СО РАН такие приборы и системы делаются, в том числе очень компактные, их можно расположить рядом или непосредственно в детекторе.

Что касается рекордной светимости Супер С-тау фабрики, то, чтобы ее достичь, итальянские и новосибирские физики предложили особенный способ столкновения пучков. Дело в том, что сгустки частиц, которые встречаются друг с другом, имеют определенный поперечный размер, и если его уменьшать, то есть делать пучок более плотным, то производительность установки будет возрастать, более плотно расположенные позитроны и электроны станут находить «пару» гораздо чаще. Однако проблема заключается в том, что у пучков есть и продольный размер, причем в несколько раз длиннее, чем поперечный. «Представьте себе две ниточки, которые вы сталкиваете, — говорит Павел Логачёв. — Одна влияет на другую, ведь у них разный заряд, и получается: «голова» у вас прореагирует отлично, а «хвост» — плохо. К тому же он большой и рыхлый, ведь уплотняя пучок до очень маленького размера, вы используете короткофокусную линзу, и выходит: в одной части он сфокусирован, а в другой — нет. Тогда возникла идея: давайте сталкивать пучки наискось, под большим углом (такой тип встречи называется «краб-вэйст», от английского «crab waist» — крабовый перехват). Этот изящный и элегантный способ приводит к колоссальному увеличению светимости».

Фокусирующий аэрогель, лежащий в основе детектора черенковских колец 

В экспериментах, которые ученые планируют осуществлять на Супер С-тау фабрике, можно выделить два основных направления исследований. Первое — это физика с-кварка, интересная не только сама по себе, но и необходимая во многих других работах по поиску Новой физики. Точные измерения на создаваемой машине помогут интерпретировать результаты, полученные, в частности, на Супер Б-фабрике в КЕК в Японии (Super KEKB) или в эксперименте LHCb на Большом адронном коллайдере в CERN, Швейцария. Они работают с более тяжелым b-кварком, а более легкий «очарованный» входит в процессы, связанные с b-кварком, так что свойства «нашего» нужно знать прецизионно точно. Кроме того, это важно для понимания тех явлений, которые будут происходить на коллайдере NICA в Дубне и тяжелом ионном комплексе FAIR в Германии.

Вторая часть исследований связана с тау-лептоном: специалисты намерены искать запрещенные в Стандартной модели распады этих частиц, превращение их в электрон, но без соответствующего тяжелого тау-нейтрино. «Есть еще ряд экспериментов с тау-лептоном для того, чтобы почувствовать Новую физику, и все они основаны на специфических свойствах теории. Их довольно сложно объяснить, поскольку такие системы обладают совершенно другой логикой, это не просто квантовая механика, а множество разных процессов, связанных со структурой вакуума, пространства-времени и плохо ложащихся на наши обыденные представления, — отмечает Павел Логачёв. — Однако самое важное — мы будем просто искать те процессы, которые с точки зрения сегодняшнего понимания запрещены, и станем это делать в тех местах, где такое нарушение правил окажется ярким, четким, понятным и максимально достоверным».

На Супер С-тау фабрике можно будет работать и с поляризованным электронным пучком, что открывает путь к тонким экспериментам, в которых важно начальное спиновое состояние сталкиваемых частиц.

По словам Павла Логачёва, для будущей установки уже немало сделано в плане прототипов различных систем: например, прототип двухапертурной линзы финального фокуса, то есть промежутка вблизи места встречи столкновения электронов и позитронов в будущем коллайдере, а также прототипы элементов ускоряющих секций. «Разработана и опробована модель сбора и обработки экспериментальных данных будущего детектора, — добавляет ученый. — Важно отметить, что практически все наши идеи и разработки, которые могут быть полезны для Супер С-Тау фабрики, мы проверяем, обкатываем в условиях реальных экспериментов как у нас в институте (а ведь мы единственная лаборатория в мире, где более полувека — с момента появления метода встречных пучков — всегда работал хотя бы один коллайдер), так и в крупнейших зарубежных центрах мира: на БАКе, в японской лаборатории КЕК, в Китае, в Дубне, в крупных немецких исследовательских центрах».

Кроме того, к настоящему моменту ИЯФ СО РАН подписал соглашения, меморандумы, письма о намерении участия в реализации проекта с двумя международными и четырьмя зарубежными организациями. Около двух десятков российских и зарубежных исследовательских структур и вузов выражают намерение внести свой вклад в экспериментальную программу Супер С-Тау фабрики. Также сформирован международный комитет советников, первое заседание которого прошло в мае этого года в ИЯФ СО РАН.

«Я хочу подчеркнуть, — говорит Павел Логачёв, — что именно этот проект является основным проектом Института ядерной физики. Синхротрон — инициатива НИЦ «Курчатовский институт», мы участвуем в ней как соисполнители. Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ) будет проектироваться и изготавливаться в основном в ИЯФ, но это тоже не наш проект, здесь мы работаем так же, как, например, с CERN: делаем ряд элементов для Большого адронного коллайдера. Именно Супер С-тау фабрика — целиком и полностью детище Института ядерной физики, потому что опирается на наше лидерство в области ускорителей и детекторов и отвечает интересам и задачам развития ИЯФ. Кроме того, надо понимать, что главный смысл этой установки — даже не столько Новая физика, сколько ключевой способ формирования самого качественного, мирового уровня технологического задела в области физики ускорителей, детекторов, элементарных частиц, ядерной медицины, ядерного оружейного комплекса, суперкомпьютерных вычислений на следующие 50 лет».

 

Екатерина Пустолякова

Фото Светланы Ерыгиной предоставлены ИЯФ СО РАН (1, 2, 3)

Источники

Супер С-тау фабрика: суперзадачи для суперустановки
Наука в Сибири (sbras.info), 03/07/2018
Новосибирские физики разработали и опробовали прототипы ключевых систем электрон-позитронного коллайдера нового поколения
Новосибирские новости (nscn.ru), 04/07/2018
В Новосибирске испытали прототипы систем электрон-позитронного коллайдера нового поколения
SMIonline (so-l.ru), 04/07/2018
Новосибирские физики разработали и опробовали прототипы систем коллайдера нового поколения
ИА Flashsiberia, 04/07/2018
Новосибирские физики разработали и опробовали прототипы систем коллайдера нового поколения
БезФормата.Ru Новосибирск (novosibirsk.bezformata.ru), 04/07/2018
Сибирские физики создали прототипы элементов будущего коллайдера
Новости@Rambler.ru, 04/07/2018
Сибирские физики создали прототипы элементов будущего коллайдера
ТАСС, 04/07/2018
В Новосибирске испытали прототипы систем электрон-позитронного коллайдера нового поколения
Inline.ru, 04/07/2018
Сибирские физики создали прототипы элементов будущего коллайдера
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 05/07/2018
Сибирские физики создали прототипы элементов будущего коллайдера
SMIonline (so-l.ru), 05/07/2018
В ИЯФ СО РАН завершают подготовку проектной документации для Супер С-тау-фабрики
1k.com.ua, 12/07/2018
В ИЯФ СО РАН завершают подготовку проектной документации для Супер С-тау-фабрики
Научная Россия (scientificrussia.ru), 12/07/2018

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.
    375
  • 26/07/2016

    Ученые СО РАН знают, как создать аэрогель

    ​Высокотехнологичные материалы, которые производят ученые новосибирского Академгородка, можно использовать не только в космических опытах или экспериментах на встречных пучках, но также в стеклопакетах и при теплоизоляции зданий.
    1374
  • 03/02/2018

    Ученые новосибирского Академгородка представили новейшие достижения СО РАН

    ​​Перед Днем российской науки-2018 три крупнейших института СО РАН – Институт ядерной физики им. Будкера, Институт химической биологии и фундаментальной медицины и Институт гидродинамики им. Лаврентьева  – открыли свои двери для посетителей.
    1194
  • 06/02/2018

    Метод ускорительной масс-спектрометрии расширяет возможности исследователей

    ​Его используют в криминалистике, биомедицинских исследованиях, создании лекарственных препаратов, для установления точных дат исторических находок. В преддверии дня Российской науки ученые Института ядерной физики им.
    448
  • 25/06/2018

    Павел Логачев: источник синхротронного излучения будет центром, который объединит разные научные направления

    ​В проекте Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ) уже сейчас задействовано много институтов, а в будущем установка станет крупным центром общего пользования. Представители нескольких научных направлений рассказали, почему источник синхротронного излучения (СИ) важен для Академгородка и его ученых.
    381
  • 07/11/2018

    СКИФ не потребует областного финансирования

    ​Губернатор отказался озвучивать сколько регион может получить в 2019 году на источник синхротронного излучения. - Областного финансирования этот проект не потребует — он федеральный. Объект будет строиться за счет федерального бюджета.
    72
  • 25/06/2018

    Пресс-конференция, посвященная новым результатам, полученным в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения

    ​​​25 июня 2018 года в 11:00 в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) состоится пресс-конференция, посвященная результатам исследований с использованием синхротронного излучения в различных областях науки, например, геологии и химии.
    515
  • 27/02/2018

    В Новосибирске выбирают место для строительства самого мощного в мире синхротрона

    ​Сибирские ученые раскрыли основные параметры и предназначение установки, создание которой одобрено Владимиром Путиным. В ходе посещения новосибирского Академгородка президент РФ поддержал предложение сибирских ученых о строительстве нового источника синхротронного излучения (СИ).
    652
  • 06/04/2018

    Павел Логачев: «Как правило, мы специализируемся на том, что никто никогда не делал»

    ​Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) можно считать не только крупнейшим академическим институтом страны и одним из ведущих мировых центров в области физики высоких энергий, но и одним из самых коммерчески эффективных институтов СО РАН.
    527
  • 03/07/2016

    В ИЯФ пройдет конференция по синхротронному и терагерцовому излучению

    ​С 4 по 8 июля 2016 в Институте ядерной физики СО РАН (ИЯФ СО РАН) состоится Международная конференция по генерации и использованию синхротронного и терагерцового излучения​, посвященная одному из самых "прикладных" направлений, представленных в институте.
    2170