Ядерная физика

Более двухсот ведущих физиков со всего мира, работающих с ускорителями (коллайдерами), в конце февраля приехали в Сибирь, в Институт ядерной физики (ИЯФ) им. Г.И. Будкера СО РАН, чтобы обсудить результаты экспериментов на встречных пучках. Конференция INSTR (Instrumentation for Colliding Beam Physics) уже 40 лет служит экспертной площадкой для обсуждения проектов международного уровня, а также создания систем регистрации, их применения в физических экспериментах, использования детекторных и ускорительных разработок в сфере высоких технологий. Кроме Новосибирска, такие конференции проходят поочередно в Австрии и в Италии.

Поймать и измерить

Институт ядерной физики в Новосибирске — единственное в мире место, где почти полвека, с 1968 года, непрерывно работает как минимум один электрон-позитронный коллайдер, ежедневно регистрирующий столкновения этих частиц. Основная масса регистрируемых событий-столкновений на коллайдере любого типа достаточно давно и хорошо изучена и не представляет интереса для поиска Новой Физики. Но с каждым годом установки в разных странах модернизируют. На одних увеличивают энергию взаимодействия частиц, на других — интенсивность и плотность пучков для увеличения числа столкновений (светимость), на третьих — чувствительность и точность измерений детекторов, регистрирующих события.

Редкие события — столкновения, в результате которых на мгновения, в миллиарды раз меньшие, чем триллионные доли секунды, рождаются неизвестные современной физике частицы. Детекторы должны успеть не только заметить их, но и измерить по всем необходимым параметрам. Пока во всем мире ни одна из зафиксированных частиц не вышла за рамки Стандартной модели (СМ).

Открыть частицу вне рамок СМ — это и есть открыть новую физику. В том, что такая физика существует, никто из специалистов уже не сомневается, чему есть целый ряд причин. Основная в том, что СМ не способна объяснить многие явления в физике частиц. В частности, в ее рамках нейтрино должны быть безмассовыми частицами, а это не так. Она также не объясняет существования темной материи и темной энергии. Если бы количество материи и антиматерии было равным, согласно СМ, то по мере охлаждения Вселенной они бы взаимоуничтожились, чего мы сегодня не наблюдаем.

Все коллайдеры в мире можно разделить на несколько типов. Они работают в различных областях поиска новой физики. Например, Большой адронный коллайдер LHC в Европейском центре ядерных исследований (CERN) сталкивает протоны и тяжелые ионы в подземном кольце длиной 27 км, постоянно наращивает интенсивность и занимается поиском новых тяжелых частиц с большой энергией. Это очень перспективная, но и самая затратная область поиска, поэтому в рамках бюджета одной страны такие проекты не реализуются. В строительстве и дальнейшей работе LHC приняли участие 10 тысяч ученых из 100 государств, а каждый из его гигантских детекторов представляет собой целый институт, рассчитанный на исследование большого раздела физики элементарных частиц.

100 километров под землей

Россия принимает активное участие в работах на детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере. Большую часть оборудования для детектора изготовил Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. Именно на этом детекторе была зарегистрирована новая тяжелая частица — бозон Хиггса,— существование которой задолго до этого было предсказано теоретически. Это была последняя частица, открытая в рамках Стандартной модели. Подробнее о работе LHC, а также о проекте коллайдера будущего рассказал один из участников конференции, руководитель департамента экспериментальной физики ЦЕРН, член Международного комитета по изучению циклических коллайдеров будущего Манфред Краммер.

"Рекордная энергия LHC в 2016 году составила 13 тераэлектронвольт (ТэВ), что пока не является пределом. За предстоящие пять лет работы установка достигнет энергии 15 ТэВ,— поделился планами господин Краммер.— В связи с ее выходом на предельный уровень энергии она будет оборудована большим количеством новой аппаратуры. Следующим этапом ее модернизации станет рост светимости. Этот проект носит название High Luminosity LHC и получил официальное одобрение руководства CERN. Что касается грядущего грандиозного проекта, который придет на смену LHC, то в 2020 году экспертная комиссия определится с выбором, будет ли ускоритель линейным или же циклическим. Если это будет именно апгрейд LHC, то выберут кольцевую установку FCC (циркулярный суперколлайдер будущего) с высокой светимостью. Если же решат строить линейный коллайдер, это будет совсем другой проект CLIC — Compact Linear Collider с энергией до 3 ТэВ и, соответственно, несколько иными возможностями и задачами. Оба эти проекта находятся на стадии обсуждения и предварительного проектирования. У каждого из них есть свои недостатки и преимущества. Так, в отличие от линейных ускорителей, коллайдеры имеют значительные потери излучения из-за движения по кольцевой траектории. Чем больше периметр кольца, тем меньше потери энергии. Длина кольца FCC должна составить около 100 км, а энергия может достигать 100 ТэВ".

Фабрика очарованных частиц

В последние годы в ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН реализуется амбициозный международный проект — "Супер-си-тау-фабрика" — большой электрон-позитронный коллайдер с длиной подземного кольца 800 м и энергией от 2 до 5 ГэВ. Это диапазон низких энергий, в котором ученые пытаются повысить производительность (количество событий) до максимума. Подобный опыт в физике ускорителей уже есть в Италии, откуда на конференцию в Новосибирск приехало много ученых. В ИЯФ СО РАН сегодня работают два коллайдера — ВЭПП-2000 и ВЭПП-4М, которые с прошлого года повысили производительность в разы в связи с запуском нового инжекционного комплекса (источника частиц). ВЭПП расшифровывается как "встречные электрон-позитронные пучки". На коллайдере будут измерять параметры тау-лептона, c-кварка и других частиц, рождающихся в близкой области энергий.

Инжектор был исполнен как важнейшая часть будущей "Супер-си-тау-фабрики", которая будет построена с участием крупнейших российских и зарубежных институтов — ОИЯИ в Дубне, Курчатовского института, ядерных центров в Сарове и Снежинске, Национальной ускорительной лаборатории Fermilab (США), лаборатории KEK (Япония), Frascati (Италия). Создание установки станет завершающим шагом строительства самого крупного в России ускорительного центра — Ускорительного комплекса встречных электрон-позитронных пучков (УК ВЭПП-5).

"Принципиальный прорыв в сфере понимания физического мира будет точно связан с открытием внутренней природы элементарных частиц, определяемой более сложной структурой пространства-времени, и с созданием квантовой теории гравитации,— поясняет директор Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Павел Логачев.— Но для этого нужны новые данные в колоссальном и пока недоступном человечеству диапазоне энергий. Однако неизвестные частицы могут проявить себя на более низких энергиях, в так называемых косвенных наблюдениях виртуальных частиц, когда идентифицировать частицу можно только с помощью расчетов, поскольку время ее существования слишком мало. Эффекты, которые во Вселенной производят виртуальные частицы, создают основную часть ее свойств, поэтому невозможно считать их умозрительными, несмотря на неспособность человека измерить их. Непрямые методы наблюдений позволяют продвинуться по шкале масс до 100 ТэВ — область энергией, которая недостижима в ближайшем будущем ни на одной установке в мире".

В отличие от установок с большой энергией, столкновения на низких энергиях не создают такое огромное количество частиц, из-за которых становится крайне сложно детектировать искомые процессы. Точнее, детектировать еще можно, а подробнее изучить — уже нет. В фотографической терминологии это называется "картинка шумит". "Супер-си-тау-фабрика" работает в том диапазоне энергий и с теми технологиями детектирования, когда картина идеально чистая, что позволяет детектировать и изучать множество событий, включая и виртуальные, поскольку они сопровождаются вполне реальными косвенными проявлениями.

Особенностью коллайдера на встречных пучках в "Супер си-тау фабрике" является то, что пучки частиц летят не прямо навстречу друг другу, а под углом, что заметно увеличивает светимость (количество столкновений). Эта идея впервые была предложена и реализована в Италии, а в ИЯФе она получила развитие. Другая уникальная технология для "Супер-си-тау-фабрики" — поляризация частиц, в несколько раз кардинально улучшающая возможность измерений некоторых процессов.

Физика нейтронных звезд

Крупный ускорительно-экспериментальный комплекс NICA в Дубне — один из реализующихся в России мегапроектов. Аббревиатура NICA означает Nuclotron based Ion Collider facility — тяжело-ионный коллайдер на основе нуклотрона. Коллайдер предназначен для столкновения тяжелых ионов, которые позволят создать и исследовать кварк-глюонную материю — максимально плотную ядерную материю, существующую только в нейтронных звездах, которая пока не была получена ни в одной лаборатории мира. NICA строится на базе Объединенного института ядерных исследований (российского аналога CERN), который существует с 1956 года и управляется Комитетом полномочных представителей стран--участниц ОИЯИ, их сейчас 18. Кроме ОИЯИ, проект NICA финансируют целый ряд государств. Запуск первой установки планируется в конце 2017 года, а начало работы базовой модели коллайдера намечено на 2020 год. ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН принимает активное участие в этом проекте — в разработке магнитного, вакуумного оборудования и систем охлаждения, строительстве детекторов и создании программных систем обработки данных.

Первый коллайдер с энергией 200 ГэВ для столкновения тяжелых ионов RHIC — релятивистский коллайдер тяжелых ионов — был построен в 2000 году в США недалеко от Нью-Йорка, в Брукхейвенской национальной лаборатории. Он ускоряет ионы от протонов до золота, и за 17 лет работы на нем сделан ряд открытий. Уже в самом начале его работы ученые зафиксировали важный эффект, так называемый эллиптический поток — искажение траектории струи частиц после их прохождения через образующуюся ядерную среду (кварк-глюонную плазму), которая проявляет свойства жидкости. В ЦЕРНе начавшиеся эксперименты по столкновению тяжелых ионов на LHC открыли новый этап в изучении свойств кварк-глюонной плазмы при крайне высокой температуре. Но далеко не все задачи можно реализовать на этих двух установках.

Для понимания сути процесса образования кварк-глюонной материи руководитель лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ Владимир Кекелидзе привел в пример законы термодинамики, напомнив, что переход воды в лед или пар происходит при изменении давления и/или температуры. При атмосферном давлении температура кипения равна +100?C, при повышенном давлении вырастет и температура кипения. Для создания на мгновение новой формы ядерной материи (кварк-глюонной) из обычной материи не нужны такие большие энергии, какими располагает, например, LHC.

При относительно малых энергиях (10 ГэВ на нуклон в системе центра масс) фазовые переходы ядерной материи происходят при максимальной ее плотности. Важна плотность ядерной материи (аналог давления) и ее температура (энергия). В обычной материи мельчайшие частицы — кварки — прочно заперты в нейтронах и протонах, и чтобы их освободить, нужно либо их оттуда выбить, приложив гигантские усилия, либо сжать материю до крайне высокой плотности, сблизив тем самым кварки между собой.

Одна из интереснейших загадок мироздания — это сильное взаимодействие кварков и ослабление притяжения между приближенными друг к другу кварками. Кварки, расположенные друг от друга на расстоянии одного нуклона (нейтрона или протона), связаны сильным взаимодействием, разрушить которое можно, приложив гигантские усилия. Остатками этих сил притяжения кварков связаны ядра атомов. Собственно, ядерная энергия, в том числе и энергия ядерного взрыва, самого мощного взаимодействия, до недавнего времени известного человечеству,— это и есть проявление остатков этих сил. Силы взаимодействия между кварками физики-ядерщики называют цветными, чтобы обозначить их свойства, подчиняющиеся определенным законам симметрии. Искомая физиками кварк-глюонная плазма — это состояние материи, в которой кварки настолько близко расположены друг от друга, что практически не взаимодействуют. Чтобы добиться этого состояния материи, нужно ее сильно разогреть и сжать. А после ее остывания и расширения кварки снова начнут образовывать протоны и нейтроны, возвращаясь в состояние обычной материи. Эти переходы и хотят изучать физики, сталкивая тяжелые ионы.

Вне конкуренции

При энергии около 10 ГэВ можно уловить момент перехода кварков из сильно связанного состояния в свободное, ядерное вещество остается при этом максимально сжатым, как в нейтронных звездах. При слишком больших энергиях, как у американского коллайдера в Брукхейвене, такой переход не уловить, как не получить воду изо льда, нагревая его сразу до 1000 C. К 2020 году коллайдер в Брукхейвене планируют переоборудовать для снижения энергии до необходимой величины, но при этом ухудшатся некоторые характеристики (например, светимость), так что в полной мере конкурировать с проектом NICA у Брукхейвена не получится.

Ради реализации проекта NICA решением высшего руководящего органа ОИЯИ — Комитета полномочных представителей — в 2010 году бюджет института, то есть вклад каждой из 18 стран--участниц в течение семи лет, был увеличен почти в пять раз. На сегодняшний день это один из шести утвержденных российских мегапроектов, получивший финансирование и быстрое развитие: в июне 2016 года между правительством РФ и ОИЯИ было подписано соглашение и перечислена первая часть выделенной на эти цели суммы. Проект также был включен в европейскую программу ESFRI — European Strategy Forum on Research Infrastructures наряду с HL-LHC.

В мире сейчас шесть действующих коллайдеров, еще несколько строится

Мария Роговая