Новый год, новая физика: где работают российские коллайдеры

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 - 10¹⁰ позитронов в секунду.

«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».

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