Основная характеристика любого коллайдера — его светимость, величина, отражающая количество столкновений частиц во встречных пучках за одну секунду. Чем больше светимость, тем больше специалисты получают изучаемых элементарных частиц. Благодаря этому повышается статистическая значимость, а значит, физики проводят более точные эксперименты по проверке Стандартной модели. В 2024 году на российском коллайдере ВЭПП-2000 Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН более чем за десять лет непрерывной работы был набран интеграл светимости один обратный фемтобарн (1 фб-1). Это очень большая величина, характеризующая количество зарегистрированных ценных событий рождения частиц, использованных для изучения физики элементарных частиц. Если сопоставить один обратный фемтобарн с привычными человеку величинами, то получится 33 миллиарда событий рождения, или 300 терабайт информации. Это достижение российских физиков переводит коллайдер ВЭПП-2000 в класс высокопроизводительных машин, которые специалисты называют фабриками.
Откуда в коллайдере берутся частицы
Для поддержания работы коллайдера необходимо бесперебойное производство электронов и позитронов. Долгое время на комплексе ВЭПП-2000 работал свой собственный источник электронов и позитронов, однако он не мог в должной мере обеспечить потребности новой установки во всем диапазоне энергий. В конце 2015 года состоялся запуск инжекционного комплекса ВЭПП-5 — мощного источника пучков заряженных частиц, который одновременно снабжает электронами и позитронами оба коллайдера, работающих в ИЯФ СО РАН.
«Производство частиц состоит из нескольких этапов. Всё начинается с первичного электронного пучка, который получают при помощи электронной пушки. После предварительного ускорения в зависимости от режима работы пучок либо сразу направляется в линейный ускоритель для разгона, либо сначала попадает на конверсионную мишень — так пучок электронов превращается в пучок позитронов. После дополнительного ускорения пучки попадают в накопитель-охладитель. Вращаясь там, они проходят стадию так называемого радиационного затухания и в результате фактически уменьшаются в размерах в десять раз — с одного сантиметра до одного миллиметра. Подготовленные таким образом пучки электронов и позитронов выпускаются в специальные каналы транспортировки частиц к установкам. Без надежной и стабильной работы инжекционного комплекса ВЭПП-5 невозможно было бы получить интеграл светимости в один обратный фемтобарн на нашем коллайдере ВЭПП-2000», — прокомментировал заместитель директора ИЯФ СО РАН, заведующий сектором кандидат физико-математических наук Дмитрий Евгеньевич Беркаев.
На пути к первому фемтобарну
На электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 с детекторами КМД-3 (криогенный магнитный детектор) и СНД (сферический нейтральный детектор) специалисты ИЯФ СО РАН изучают, как при столкновении электрона и позитрона, то есть из энергии, которая возникает при их аннигиляции, рождаются сильновзаимодействующие частицы и как устроена физика этих сильных взаимодействий в области энергии до 2 ГэВ. Проект установки был разработан в ИЯФ СО РАН в 1990-е годы для продолжения физической программы коллайдера ВЭПП-2М, но уже на большей энергии.
«Проект ВЭПП-2000 отличала компактность (24 метра в периметре), что позволило институту за несколько лет разработать и создать своими силами коллайдер и детекторы, — прокомментировал заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе доктор физико-математических наук Иван Борисович Логашенко. — Несмотря на то что машина маленькая и относительно дешевая, в своей нише — области энергий до 2 ГэВ — ВЭПП-2000 — мировой лидер».
Предложенная при проектировании физическая программа для ВЭПП-2000 была достаточно обширной. В новом энергетическом диапазоне появились возможности для экспериментов по уменьшению ошибки в измерениях фундаментальной величины R и расчета ее вклада в аномальный магнитный момент мюона, изучению динамики рождения сильновзаимодействующих частиц, измерению нуклонных формфакторов и изучению структуры пар протон-антипротон и нейтрон-антинейтрон, изучению процессов двухфотонной физики и других.
«Физических задач в новой для нас области энергии было поставлено много, но, чтобы их решать с лучшей в мире точностью, нужно было набрать большой объем статистики, а это не так просто, — добавил Иван Логашенко. — Столкновение пучков не похоже на столкновение двух шариков. Пучки представляют собой очень разреженные сгустки электронов и позитронов, которым довольно трудно друг друга увидеть. Столкновение и аннигиляция — очень редкий процесс, и чтобы он происходил чаще, необходимо сильнее сжимать пучки».
Достижение высокой светимости сводится к тому, чтобы держать в сгустке максимально возможное количество частиц как можно дольше. Так больше пар электронов и позитронов проаннигилирует за одно столкновение. На ВЭПП-2000 реализована уникальная концепция круглых сталкивающихся пучков, которая была предложена здесь же в институте. Основная идея заключается в создании ряда условий для сталкивающихся пучков, при которых удается повысить порог эффектов встречи по интенсивности сгустков. Такие эффекты возникают в процессе электромагнитного взаимодействия сталкивающихся пучков и губительно влияют на них: уменьшают время жизни, увеличивают поперечный размер в месте столкновения, что в целом снижает светимость коллайдера. Простыми словами, происходит увеличение интенсивности при сохранении качества столкновений.
«Основная задача ускорительной физики — повышение светимости установки, — объяснил заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН Юрий Анатольевич Роговский. — Концепция круглых пучков, которую придумали в ИЯФ СО РАН и впервые реализовали на ВЭПП-2000, позволяет повысить этот параметр ускорителя в два раза просто геометрически за счет того, что мы делаем пучки в месте встречи одинакового размера, то есть круглыми в поперечном сечении. Для этого мы используем сверхпроводящие соленоиды с максимальным магнитным полем 13 Тесла, что является рекордной в мире величиной для теплых сверхпроводников. Большая величина магнитного поля позволяет сжать пучок в месте встречи до 100 микрон. Также контролируемым образом мы умеем выдерживать и управлять частотой поперечных бетатронных колебаний пучка. Это уменьшает риск явлений взаимодействия с машинными резонансами, из-за которых происходит рост амплитуды колебаний и убывание частиц из пучка. Кроме этого, мы настраиваем магнитную структуру коллайдера таким образом, что даже если резонансы и появляются, то амплитуда их настолько незначительна для пучка, что практически никак на него не влияет».
К большой светимости, проектное значение которой для коллайдера ВЭПП-2000 было заложено еще в начале работ и составило один обратный фемтобарн, команда ИЯФ СО РАН шла несколько лет. По словам Ивана Логашенко, благодаря набранному одному обратному фемтобарну ВЭПП-2000 вступил в элитный клуб фабрик элементарных частиц. Фабриками физики называют очень производительные установки на встречных пучках, которые работают практически непрерывно.
Основные результаты первого фемтобарна
Качество полученного результата любого эксперимента в физике элементарных частиц складывается из уточнения систематической и статистической ошибок. Первая показывает все неопределенности, которые существуют в методике эксперимента, анализе данных, и уточняется оттачиванием используемых методик. Статистическая ошибка уточняется как раз благодаря повышению объема набранных данных. Набранная специалистами ИЯФ СО РАН интегральная светимость в один обратный фемтобарн позволяет повысить качество экспериментов, которые ведутся на ВЭПП-2000 группами КМД-3 и СНД.
На ВЭПП-2000 специалисты ИЯФ СО РАН сталкивают электроны и позитроны, после чего детекторы регистрируют рождение адронов, то есть частиц, состоящих из кварков: протонов, нейтронов, пи-мезонов, К-мезонов и др. Дальше физики изучают структуру и свойства полученных частиц.
Группа СНД
«Группа детектора СНД занимается изучением структуры нейтрона и антинейтрона, — прокомментировал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Сергей Иванович Середняков. — Используя набранную статистику, мы впервые в мире измерили сечение электрон-позитронной аннигиляции в пару нейтрон-антинейтрон и формфактор вблизи порога, то есть в самый момент ее рождения, когда относительная скорость частиц маленькая. Измеренные сечения и формфактор нейтрона детектором СНД оказываются значительно ниже, чем у протона. Опубликовано несколько работ в журналах Physical Review D, European Physical Journal C, “Ядерная физика” и несколько конференционных статей».
Из полученных результатов Сергей Середняков также выделил наблюдение редкого, но важного процесса прямого рождения С-четного мезона f1(1285), результаты которого опубликованы в журнале Physics Letters, а также значительное улучшение точности измерения как отдельных процессов, так и полного сечения электрон-позитронной аннигиляции в адроны.
«В дальнейшем нам предстоит провести новые измерения параметров легких векторных мезонов (rho, omega, phi) и их возбужденных состояний. Станет возможным изучение С-четных процессов, подавленных в главном однофотонном канале электрон-позитронной аннигиляции, а также двухфотонных процессов с рассеянием начальных электронов и позитронов. Важнейшей частью физической программы останется изучение формфакторов протона и нейтрона. Однако для выполнения заявленных задач предстоит провести значительную модернизацию детектора СНД», — добавил Сергей Середняков.
Группа КМД-3
«Из недавних результатов на детекторе КМД-3 я бы выделил измерение сечения рождения двух пионов в области малых энергий, что очень важно для задачи сравнения измеренной величины аномального магнитного момента мюона (АМММ) с его расчетной теоретической величиной, — прокомментировал Иван Логашенко. — За счет большой статистики мы получили наиболее точные измерения целого ряда различных вариантов рождения сильновзаимодействующих частиц, включая рождение пар протон-антипротон. Для каких-то каналов рождения мы достигли необходимого уровня точности, но есть ряд обособленных направлений, в которых уровень точности нужно еще повысить, что и сделаем за счет набранного одного обратного фемтобарна. Например, то самое сечение рождения пары пионов для расчета АМММ. Здесь очень хочется еще поднять точность, потому что суть работы заключается в том, чтобы сравнить экспериментально измеренное значение АМММ, которое проводится в Фермилабе (США), с теоретическим предсказанием этой же величины. Как раз в последнюю и вносит основной вклад сечение двух пионов, которое измеряется на ВЭПП-2000. Но дело в том, что на сегодняшний день экспериментальное измерением АМММ убежало вперед по точности уже раза в два-три, и нам надо догонять. Для этого в первую очередь необходима модернизация КМД-3, что мы и планируем сделать. Также есть ряд задач по изучению редких двухфотонных процессов, когда рождение сильновзаимодействующих частиц происходит не через один, как обычно, фотон, а через два».
К новым фемтобарнам
Характерное время жизни такой физической установки, как коллайдер, составляет примерно 20—30 лет, после этого она уходит на модернизацию, за время которой обновляются различные системы машины, чтобы она стала еще мощнее и эффективнее. В планах специалистов ИЯФ СО РАН в первую очередь модернизация детекторов, которая позволит выйти на новый уровень точности.
«Во многих экспериментах мы уже не можем достичь необходимого науке уровня точности из-за того, что возможности детекторов ограничены, — добавил Иван Логашенко. — Нормальный цикл ускорительного комплекса предполагает его модернизацию. Еще несколько лет мы поработаем с существующими детекторами, а потом остановим работу и обновим различные системы, чтобы выйти на следующий уровень точности с точки зрения именно детекторов. Остановка машины происходит не сразу, новые системы для детекторов разрабатываются заранее, и потом, когда они более-менее готовы, мы останавливаемся. Пару лет уйдет на то, чтобы всё разобрать, поменять, заново собрать и запустить. Планируем, что следующий цикл экспериментов на ВЭПП-2000 начнется через пять лет, однако в целом у ВЭПП-2000 очень хороший потенциал, это же самая производительная установка во всем мире на уровне энергии до 2 ГэВ, и не видно, чтобы кто-то дышал нам в спину. Мы рассчитываем, что комплекс проработает еще около десяти лет и наберет еще несколько фемтобарн с новыми детекторами».
Пресс-служба ИЯФ СО РАН
Фото Светланы Ерыгиной
