Почему коллайдер – это одновременно и паровоз, и микроскоп, где в России работают коллайдеры и дадут ли они толчок к новой физике, изменив Стандартную модель, в материале Indicator.Ru.

В конце 2015 года в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН новый инжекционный комплекс выпустил первый пучок электронов в коллайдер ВЭПП-2000. Уходящий год стал годом физического пуска ускорительного комплекса, а в 2017-ом коллайдер ВЭПП-2000 должен выйти на свои проектные параметры и начать реализовывать новую физическую программу.

Паровозы и микроскопы

Два из шести действующих в мире коллайдеров находятся в России, в новосибирском Институте ядерной физики. Здесь одновременно с экспериментами в Италии и США более полувека назад была реализована идея сталкивать пучки элементарных частиц. Она принадлежала советскому ученому Гершу Будкеру, и до сих пор является главным рабочим инструментом физики высоких энергий, «микроскопом» для изучения элементарных частиц, как называл коллайдеры Будкер.

«Представим паровоз, налетающий на муху. Вряд ли он потратит на это столкновение заметную часть своей энергии. Так и летящая почти со скоростью света частица расходует на взаимодействие с покоящейся частицей лишь незначительную часть своей энергии», – объяснял Герш Будкер неэффективность столкновений пучка частиц со статической мишенью. Так в новосибирском ИЯФ появились первые ВЭППы – ускорители для сталкивания встречных электрон-позитронных пучков, и с тех пор здесь всегда работает минимум один коллайдер. Сейчас это ВЭПП-2000 и ВЭПП-4, которые уже много лет обеспечивают физиков интересными данными. Но 2016 год стал для их «карьеры» рубежом, после которого результаты приобретут совсем другое качество.

Все дело в позитронах

Чтобы сталкивать частицы, для начала их нужно где-то взять. Если электроны получить не так сложно, то получение позитронов, да еще и в нужном объеме, — непростая задача. Для ее решения в ИЯФ СО РАН работает инжекционный комплекс – источник и временное «хранилище» элементарных частиц. Позитроны рождаются здесь под воздействием электронного пучка на танталовой мишени и собираются магнитом-концентратором, который эффективно захватывает большую часть частиц.

Инжекционный комплекс состоит из двух линейных ускорителей, конвертера и накопителя-охладителя частиц. Пучки электронов и позитронов из ускорителей попадают в накопитель-охладитель, здесь частицы находятся до тех пор, пока их количество не будет достаточно для формирования пучка нужной интенсивности.

Затем частицы выпускают по каналам транспортировки к потребителям пучка – ускорителям ВЭПП-3, ВЭПП-4 и ВЭПП-2000. Длина транспортных каналов составляет сотни метров. Частота столкновений электронов с позитронами (а, значит, и частота регистрации событий) напрямую связана с их количеством, поэтому главная задача инжекционного комплекса – обеспечить коллайдеры ИЯФ нужным объемом частиц. Проектная производительность инжекционного комплекса ВЭПП-5 - 1010позитронов в секунду.

3064d365f2e0597d0edc5fc795989e61f1c6de65

Пультовая ВЭПП-2000, Николай Енин

«Сейчас мы находимся на этапе получения светимости, – рассказывает кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН Дмитрий Шварц. – Оба детектора, установленные на коллайдере ВЭПП-2000, КМД-3 и СНД, заканчивают настройку и калибровку своих систем и уже начали записывать события. Детекторы, кстати, были недавно существенно модернизированы при поддержке гранта РНФ. В частности, разработаны более совершенные алгоритмы их энергетической калибровки, повышена точность реконструкции частиц, за счет новой электроники возрастет быстродействие систем сбора данных. Все это позволит повысить качество и достоверность получаемой в эксперименте информации. К слову, многие предложенные методики разрабатывались не только на наших установках, но и для калориметров экспериментов Belle-2 и ATLAS в Японии и Швейцарии. До нового года у нас продолжается тестовый режим, но и в этом режиме детекторы набирают данные, а с начала года начнем работать со светимостью и пойдем в область высокой энергии. Мы хотим увидеть, что мы можем получить там, где раньше не хватало позитронов. Хочется узнать, чем мы будем ограничены в новых условиях, при работе инжекционного комплекса».

Микроскоп ВЭПП-2000

Давайте вернемся к паровозам. Представьте, какой эффект будет от столкновения двух паровозов, мчащихся навстречу друг другу! Оба они, конечно, разлетятся вдребезги, и чем выше скорость, тем больше будет осколков. Мир элементарных частиц устроен еще интереснее. Сталкивая пучки частиц, мы получаем не «осколки», а совершенно новые частицы. Это называется аннигиляция – взаимное исчезновение и рождение новых частиц. Так что же мы можем увидеть с помощью нашего «микроскопа», если будем сталкивать электроны и позитроны на проектных параметрах ВЭПП-2000 – с энергией от 0, 3 до 2 ГэВ в системе центра масс?

Оказывается, в этом диапазоне энергий прячется много интересного. В области энергий 1,8 – 2 ГэВ начинают рождаться пары протон-антипротон и нейтрон-антинейтрон. «Мы сможем детально измерить, чему равна вероятность рождения этих пар при энергии чуть-чуть большей той, которая нужна для их рождения, и наблюдать, как она меняется при повышении энергии до 2 ГэВ. Это даст нам уникальную информацию о структуре протона и нейтрона», – рассказывает кандидат физико-математических наук, заведующий лабораториями ИЯФ СО РАН и НГУ Иван Логашенко. «В частности, электромагнитные формфакторы нейтрона изучены совсем плохо, и это будет практически первое измерение с хорошей точностью. Для этого нужна очень большая светимость. Без инжекционного комплекса достичь ее было бы невозможно».

Bce6dbcec026b9fe2c9487383fa2ee47bd6bbaa3

В Пультовой ВЭПП-2000, Николай Енин

Задач, которые лежат в этой области энергий, действительно, много. Это и наблюдение очень редких распадов частиц, и гамма-гамма физика, и многое другое. Но основная задача экспериментов на ВЭПП-2000 лежит в области физики сильных взаимодействий – измерение адронных сечений в электрон-позитронной аннигиляции или, проще говоря, вероятность рождения сильновзаимодействующих частиц при столкновении электронов и позитронов.

Стандартная модель +

Так устроен мир. Есть Стандартная модель, которая описывает основные физические взаимодействия, и есть ученые, которым этого мало. Они ищут следы новой физики, которая бы дополнила Стандартную модель. На самом деле, астрофизические наблюдения (например, реликтового излучения, сверхновых) четко указывают, что новая физика существует, но до сих пор ученые не смогли найти ее сигналов в лабораторных экспериментах. Один из таких сигналов может дать аномальный магнитный момент мюона, тяжелого «близнеца» электрона. Эту величину можно теоретически вычислить с высокой точностью, и измерения адронных сечений на ВЭПП-2000 очень важны для улучшения точности теоретического расчета. На сегодняшний день разница между измеренным значением аномального магнитного момента мюона от его теоретического предсказания согласно Стандартной модели составляет три с половиной стандартных отклонения.

«С одной стороны, – говорит Иван Логашенко, – это большое отличие, которое заставляет нас задуматься. Но оно не такое большое, чтобы мы могли утверждать – да, мы видим вклад новой физики. Оно как раз пограничное. Это подтолкнуло физиков к более точным измерениям. В 2017 году начинается новый эксперимент в FermiLab (США), в нем аномальный магнитный момент мюона будет измерен в четыре раза точнее. А с помощью измерений адронных сечений, которые мы проводим на ВЭПП-2000, будет улучшена точность теоретического предсказания в рамках Стандартной модели. И если, объединив наши результаты, мы подтвердим отличие с лучшей точностью, это станет долгожданным первым наблюдением новой физики в лаборатории».

Автор – Алла Сковородина

Похожие новости

  • 12/11/2015

    Странное очарование кварков

    ​В рамках проекта "Инновации: достижения и проблемы" газета "Честное слово" продолжает цикл публикаций о проблемах развития инновационных проектов. Сегодня мы расскажем о новых инновационных разработках Института ядерной физики СО РАН.
    593
  • 18/11/2016

    Новосибирские ученые предложили новые химические соединения для экспериментов по терапии рака

    ​Исследованиями в области бор-нейтронозахватной терапии рака (БНЗТ) занимаются в ряде стран уже не первый год. В России пока не проводятся клинические испытания, а самым успешным пациентом является спаниель, которому вылечили рак губы на ядерном реакторе.
    249
  • 27/04/2016

    Руководитель радиационного центра ИЯФ СО РАН - об электронной пастеризации продуктов

    Радиационный центр Института ядерной физики СО РАН и Новосибирского государственного университета был открыт в июле 2014 года. С начала 2016 года на территории России и ряда стран СНГ разрешено использовать холодную электронную пастеризацию пищевых продуктов.
    808
  • 12/05/2016

    Ученые представили результаты анализа всех доступных данных по измерению осцилляций Bs-мезонов

    Коллектив ученых из эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере, в состав которого входит группа из Новосибирского государственного университета и Института ядерной физики СО РАН, выяснил, с какой вероятностью B0s-мезон, состоящий из прелестного антикварка и странного кварка, превращается в свою античастицу и наоборот.
    333
  • 12/01/2016

    Сибирские физики предлагают альтернативный ИТЭР проект термоядерного реактора

    ​Ученые Института ядерной физики СО РАН разрабатывают альтернативный, более привлекательный в коммерческом отношении проект, сообщил РИА Новости замдиректора ИЯФ по научной работе Александр Иванов.
    581
  • 26/12/2016

    В ИЯФ СО РАН разрабатывают новый способ лечения опухолей мозга

    ​Сотрудники Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН исследуют метод микропучковой рентгеновской терапии злокачественных опухолей мозга. Уже проведены пробные эксперименты по облучению клеточных культур глиомы человека с добавлением наночастиц оксида марганца.
    98
  • 16/09/2016

    Российские ученые создали прибор для измерения длины сгустка частиц в ускорите

    ​Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН) при поддержке гранта РНФ разработали новое поколение высокоскоростных электронно-оптических приборов для диагностики пучков в ускорителях заряженных частиц - диссектор на основе стрик-камеры.
    332
  • 31/05/2016

    Новосибирские ученые исследуют кровеносную систему

    ​Кровеносная система лежит в основе функционирования головного мозга, и в области её работы ещё много «белых» пятен. Сибирские учёные в сотрудничестве с медиками решили устранить некоторые из них.  Исследование имеет и прикладной выход: уже создана уникальная система мониторинга нейрохирургических операций, метод повышения качества магнитно-резонансной томографии, а также инструментарий для персонализированного моделирования протекания некоторых болезней.
    416
  • 11/11/2015

    Новосибирские ученые сделают ловушку с секретом для темной материи

    ​Новосибирские физики нашли способ усовершенствовать детектор по поиску темной материи, для этого в установку добавили азот, сообщает пресс-служба НГУ. Звезды, планеты, воздух, камни, животные, микроорганизмы - все это обычная материя, которая состоит из протонов, электронов и нейтронов.
    581
  • 07/03/2016

    В ИЯФ СО РАН разработали ключевые компоненты нового коллайдера

    ​ ​В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН созданы вакуумные камеры, корректирующие магниты, электроника регистрации и программное обеспечение для установки SuperKEKB, которая монтируется в японской Лаборатории физики высоких энергий (КЕК) в Цукубе.
    784