• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
5398
Каждый «выстрел» – 20 млрд позитронов!
Физика

Каждый «выстрел» – 20 млрд позитронов!

В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера (Новосибирск) в декабре 2015 г. введен в строй инжекционный комплекс (ИК) – первая часть ускорительного комплекса «ВЭПП-5». Работа ИК увеличит производительность уже существующих коллайдеров института, а также является важным шагом на пути к будущему коллайдеру – Супер Чарм-тау фабрике, – создание которого и станет завершающим этапом реализации этого крупного научного проекта. Пока рано говорить о научных «последствиях» запуска ИК – многое еще предстоит сделать: настроить процесс доставки электронов и позитронов на имеющиеся ускорители, заставить комплекс работать в высокопроизводительном режиме. Первую статистику, а значит и первые результаты можно ожидать в будущем году. О том, как изменится работа коллайдеров ИЯФ после запуска инжекционного комплекса, поможет ли институту Федеральное агентство научных организаций создать новый коллайдер – Супер Чарм-тау фабрику, и что нового можно будет узнать о Вселенной, используя новый мощный инструмент исследования – в материале корреспондента журнала «НАУКА из первых рук». 

Физика элементарных частиц, или физика высоких энергий, занимается самой сокровенной проблемой мироздания – устройством Вселенной, пытаясь найти ответы на фундаментальные вопросы о свойствах материи, пространства и времени.
Празднование рождения ипсилон-мезонов на ускорителе ВЭПП-4. 30 апреля 1982 г.

Чтобы исследовать элементарные частицы на ядерном и субъядерном уровне, физики сталкивают их, а затем наблюдают за событиями, которые происходят в результате их соударения: рождением новых частиц, их распадом и взаимными превращениями. Основным исследовательским инструментом современной физики высоких энергий служат ускорители частиц на встречных пучках – коллайдеры, в которых пучки элементарных частиц разгоняются до околосветовых скоростей и направляются навстречу друг другу. Первый такой ускоритель был создан в новосибирском Институте ядерной физики в 1964 г. под руководством его первого директора, выдающегося физика Г.И. Будкера.
Первый ИЯФовский ускоритель на встречных пучках ВЭП-1 — уже музейный экспонат

Д.Е Беркаев, к.ф.-м.н., руководитель инжекционного комплекса ВЭПП-5: «Многократно сталкивая электрон с позитроном, мы проверяем теорию строения и взаимодействия элементарных частиц – Стандартную модель. И если теория подтверждается, это служит еще одним свидетельством ее торжества. И все-таки физики всего мира мечтают получить хотя бы микроскопические отклонения от теории, что будет означать, что в чем-то эта теория не совершенна, а значит, есть что-то неизведанное, что нужно изучать дальше. Пока, правда, мы этого еще не дождались. Но, работа продолжается, и новый ускорительный комплекс позволит Институту ядерной физики СО РАН сделать очередной шаг в исследованиях фундаментальных свойств материи, развитии широкого спектра прикладных исследований и обеспечит дальнейшее развитие научных школ и технологий».

Важнейшей характеристикой любого коллайдера является его светимость: чем чаще происходят столкновения частиц встречных пучков, тем она больше. Зависит она, во-первых, от точности фокусировки пучка, а во-вторых, от числа самих частиц. Именно проблему повышения светимости должен решить новый инжекционный комплекс ВЭПП-5, который служит источником электронных и позитронных сгустков для всех установок на встречных электрон-позитронных пучках в ИЯФ СО РАН.

Ранее здесь удавалось получать 2 млрд позитронов за один «выстрел», сейчас же это число увеличилось в 10 раз. Соответственно, в 10 раз возрастет и светимость ВЭПП-2000 – одного из коллайдеров института, который заработал в режиме эксплуатации в 2009 г. Благодаря новому ИК ВЭПП-5 на коллайдере ВЭПП-2000 станут возможны эксперименты в диапазоне энергии от 1 до 2 ГэВ в системе центра масс с рекордной для этого диапазона энергии точностью.

Проектная светимость ускорителя ВЭПП-2000 – 1032 см ⁻²с ⁻¹ на энергии 1 ГэВ в пучке. Наиболее интересный процесс, наблюдаемый в этой области энергии, – рождение нуклон-антинуклоных пар. Ранее ученые ИЯФ СО РАН изучали эти процессы на В-фабриках в Америке и Японии, теперь же, с вводом нового инжекционного комплекса ВЭПП-5, именно в Новосибирске появятся самые лучшие условия для изучения этой физики.

Благодаря новому источнику частиц сможет выйти на проектную мощность 8 ГэВ и «ветеран» ИЯФ – коллайдер ВЭПП-4. Для этой установки пучки электронов и позитронов необходимо обновлять с определенной периодичностью, при этом скорость обновления зависит от производительности источника. Ранее это процесс занимал не менее получаса, а с новым ИК ВЭПП-5 время обновления будет сокращено до 1 минуты.
В ускорительно-накопительном комплексе для генерации синхротронного излучения в ИЯФ СО РАН используются ВЭПП-3/ВЭПП-4, причем ВЭПП-3 является бустерным (промежуточным) ускорителем для коллайдера ВЭПП-4

Д. Никифоров, аспирант ИЯФ СО РАН: «После запуска нового инжекционного комплекса возможностей двух наших коллайдеров будет достаточно для удовлетворения всех наших текущих потребностей, но уже сейчас мы работаем над проектами по апгрейду этого комплекса, чтобы он не устарел и через десятки лет. ВЭПП-5 играет ключевую роль и в создании Супер чарм-тау фабрики – так называемого «мегасайенс» – проекта, который ИЯФ СО РАН будет реализовывать в сотрудничестве с международными научными организациями. Для этого ускорителя уже построена треть подземного тоннеля, частично подготовлена и инфраструктура».
Аспирант ИЯФ СО РАН Д. Никифоров в пультовой

Энергия пучка будущей фабрики-коллайдера – 2– 5 ГэВ. Сейчас в мире нет установок, которые бы вели полномасштабные исследования в этой энергии. На Супер чарм-тау, или Супер-cτ, получившей свое название от двух элементарных частиц (c – очарованный кварк и τ –лептон), будут изучать процессы рождения этих частиц, вести поиски четырех- и пятикварковых, гибридных и других экзотических состояний, а также исследовать их свойства. Предполагается, что объем полученных данных на новосибирской установке на три-четыре порядка превысит объем, доступный для анализа на сегодняшний день, что позволит начать изучение таких новых явлений, как CP-нарушение в распадах D-мезонов и τ -лептона и нарушение закона сохранения лептонного числа в распадах τ-лептона.

В 1990-е гг. в мире обсуждалось несколько проектов cτ–фабрик с энергией пучка 1–3 ГэВ и пиковой светимостью около 1033 см ⁻²с ⁻¹. Однако единственным таким реализованным проектом на сегодняшний день является коллайдер BEPC II, запущенный в 2009 г. в лаборатории IHEP (Китай).

Создание сибирской Супер чарм-тау фабрики станет главным, завершающим шагом строительства самого крупного в России ускорительного центра – Ускорительного комплекса встречных электрон-позитронных пучков (УК ВЭПП-5). Этот проект ИЯФ СО РАН базируется на новом, необычном методе встречи пучков «crab waist», позволяющем увеличить производительность коллайдера в 100 раз. Этот же способ новосибирские физики предложили и для создания циклического коллайдера будущего (Future Circular Collider, FCC), который планируется построить на базе Европейского центра ядерных исследований на смену Большому адронному коллайдеру. 
Вид детектора ATLAS с торца в процессе сборки. Восемь расходящихся «лучей» – это сверхпроводящие катушки, создающие тороидальное магнитное поле для искривления траектории частиц и измерения их импульса. На момент снимка калориметры еще не установлены, и центральная часть установки пуста. © CERN

Присутствующий на запуске пучка руководитель ФАНО М.М. Котюков отметил, что на «мегасайенс» проект Института ядерной физики требуется существенный бюджет, а возможные подходы в финансировании уже обсуждаются с директором ИЯФ СО РАН П.В Логачевым: «Весь опыт работы института говорит о том, что ИЯФ – уникальная организация, которая сочетает в себе полный спектр научной деятельности от идеи до воплощения. Я думаю, что, объединив усилия, мы сможем продвигаться в реализации проекта Супер Чарм-тау фабрики».

24 декабря, через несколько дней после пуска ИК, на пресс-конференции по итогам работ в рамках гранта РНФ директор ИЯФ, чл.-.корр. РАН П.В. Логачев пояснил, что «пока что нет никаких конкретных договоренностей, кроме общего желания ФАНО помогать нам в этом направлении. Понятно, что руководитель Федерального агентства отлично понимает, что это очень важный проект, который кроме всего прочего загрузит местную промышленность и другие высокотехнологичные производства России. Это то, что действительно нужно экономике нашей страны, но для реализации этого проекта институт должен иметь все необходимое. Масштаб проекта слишком значителен, поэтому здесь кроме технического понимания нужно еще политическое решение. И оно – в согласии и гармоничном сочетании усилий всех профильных министерств правительства России – Минобрнауки, ФАНО, РАН. Мы же со своей стороны стараемся способствовать этому.

Сейчас речь идет не о деньгах: и сегодня, завтра, и в 2018 г. вряд ли появятся какие-то большие финансовые возможности. Но даже в этих условиях наш институт может сделать многое для продвижения этого большого проекта. Мы не будем ждать, пока нам дадут деньги, но будем пытаться применять новый метод встречных пучков, на котором основан проект Супер чарм-тау фабрики, на уже имеющихся ускорителях».

Создание коллайдера-фабрики – это дело будущего, но уже сейчас ввод в эксплуатацию инжекционного комплекса ВЭПП-5 дает возможность повысить производительность работающих сегодня в институте ускорителей. И как следствие – повышение уровня и производительности исследований в очень актуальной области – использовании синхротронного излучения, которое сегодня является «микроскопом» современной науки. Такие работы в Новосибирском научном центре проводятся в рамках ЦКП «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения», созданного при ИЯФ СО РАН, где работают ученые – химики, геологи, физики и другие специалисты – не только из сибирских, но и других российских городов.

По словам к.ф.-м.н. А.Д. Николенко, старшего научного сотрудника лаборатории синхротронного излучения ИЯФ СО РАН .: «Наше синхротронное излучение – это мощный современный инструмент для исследований в области химии, биологии, археологии, медицины и других наук. Как это работает? К примеру, в нашем ускорителе на встречных пучках ВЭПП-4 вращается пучок электронов. Его скорость вращения - немногим меньше скорости света. Двигаясь по криволинейной траектории в магнитном поле, пучок становится источником излучения, в котором присутствуют фотоны всевозможных энергий, от инфракрасного до спектрального диапазона. Мы вырезаем из спектра пучка “кусочек”, который требуется в конкретном эксперименте, и используем его для исследования различных объектов.

В синхротронном излучении присутствует ультрамягкая рентгеновская компонента, которая не проходит сквозь атмосферу. Поэтому на одной из наших станций – уникальной в стране – мы можем тестировать и калибровать детекторы и оптику спутников, так что наши клиенты иногда называют результаты наших калибровок “билетом на спутник”. Среди направлений работы нашего центра – калибровка аппаратуры для наблюдения за термоядерной плазмой, что очень актуально для создания термоядерной энергетики, и диагностика оборудования для ЭУФ нанолитографии – способа массового изготовления интегральных схем со сверхмалыми электронными компонентами, где используется экстремальный ультрафиолет».

Ввод в работу нового инжекционного комплекса ВЭПП-5 означает, что пучки электронов станут интенсивнее, а значит, будет мощнее и излучение, использующееся на станциях центра – ученые смогут улавливать более тонкие эффекты.

«Коллективу ИЯФ – продолжил А.Д. Николенко – удалось запустить инжекционный комплекс, но теперь предстоит работа по инжекции электронного пучка из этого комплекса в имеющиеся установки, в первую очередь в комплекс ВЭПП-2000. Это планируется реализовать в феврале 2016 года. Потом нужно будет получить позитроны и провести их туда же, потом заставить весь этот комплекс работать в рутинном режиме – только после этого имеющиеся установки начнут работать в новом, более интенсивном режиме, чем сейчас, а мы сможем начинать набирать статистику результатов столкновения. И только тогда можно получать новые научные данные.
Демонстрация установки ВЭПП-2000 участникам международной конференции

Физика высоких энергий, несмотря на свою неоспоримую фундаментальность, не так уж далека от обычной жизни. Научно-технические решения, которые рождаются при разработке и создании этих установок, могут с успехом применяться в промышленности и медицине, служить человеку здесь и сейчас.

«Хочется, чтобы в массовом сознании укоренилась мысль, что научно-технический прогресс, инновации не появляются по щелчку, а фундаментальная наука не обладает и не должна обладать высоким прикладным потенциалом в каждый конкретный момент. Ведь когда начинались первые эксперименты с ускорителями, никто из ученых-первопроходцев не думал о том, что в будущем появится всемирная сеть интернет, что с помощью пучка излучения можно будет удалять раковые опухоли. Им просто было интересно наблюдать и изучать, а все остальное появилось уже потом. И такой ход событий закономерен для развития фундаментальной и прикладной науки» –, сказал к. ф.-м. н. Л. В. Кардапольцев, научный сотрудник ИЯФ СО РАН.

Подготовила Татьяна Морозова

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments