Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН завершают подготовку проектной документации для Супер С-тау-фабрики — коллайдера, который сможет производить с-кварки (от англ. charm, очарованный) и тау-лептоны. Получение, регистрация и исследование этих частиц позволит приблизиться к пониманию так называемой Новой физики — событий, выходящих за пределы Стандартной модели.
Разработка концепции Супер С-тау-фабрики идет уже несколько лет, и будущая машина постоянно совершенствуется, ведь мировая наука в этой области не стоит на месте. Постоянно появляются новые и новые результаты исследований, экспериментальные данные, теории и гипотезы. Это влечет за собой корректировки научной программы — и, конечно, самой установки.
«Физика элементарных частиц живет и изменяется, здесь нет ничего постоянного, поэтому по мере того как течет время, совершенствуется и проект, он развивается вместе с научным сообществом, с его потребностями и возможностями, с теми технологиями, которые постоянно появляются, — отмечает директор ИЯФ СО РАН академик Павел Владимирович Логачёв. — Понимаете, мало интересного в том, чтобы сделать то, что делал уже много раз. Самое важное — воплотить то, чего никто вообще никогда не делал». Поэтому ученые непрерывно работают над всеми частями проекта, в который сейчас активно вовлекаются специалисты из других российских и зарубежных организаций.
«Конечно, у нас будет широкая кооперация, прежде всего, с Объединенным институтом ядерных исследований в Дубне: он примет ключевое участие так же, как мы это делаем в проекте NICA. Если говорить про ускорительную часть, то тут в определенной мере к нам присоединятся и Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», и наши российские федеральные ядерные центры, например, в Сарове и Снежинске, — комментирует Павел Логачёв. — Я надеюсь, будут участвовать также высокотехнологичные предприятия Новосибирской области, в частности, Бердский электромеханический завод и другие большие современные предприятия. Иностранные партнеры (Европа, Япония и Китай) будут привлекаться, в том числе, через ОИЯИ в Дубне в коллаборацию по детекторам — их вклад составит, скажем, какая-то система или отдельные комплексы оборудования».
Павел Логачёв: «В каком-то смысле можно говорить, что весь мир, все ведущие лаборатории физики высоких энергий являются нашей распределенной площадкой по разработке Супер С-Тау фабрики. Все больше иностранных специалистов втягиваются в работу над проектом. Это хорошо иллюстрирует прошедшее в конце мая в нашем институте рабочее совещание по проекту Супер С-тау фабрики, на которое приехали почти 40 иностранных ученых из 10 стран мира (Китая, Италии, Германии, Великобритании, США, Австрии, Польши, Испании, Мексики, Франции). Большинство — со своими идеями, компетенциями, желанием участвовать. Такая заинтересованность очень хорошо иллюстрирует международный статус и масштаб проекта».
Действительно, проект, который ставит своей задачей столь новые и столь амбициозные исследования, просто не может не быть масштабным. Супер С-тау фабрика будет состоять из трех крупных элементов: коллайдера, инжекционного комплекса и детекторов.
Ускоритель представляет собой машину на встречных электрон-позитронных пучках, где оба типа частиц будут обладать одинаковыми энергиями, которые можно изменять от 800 млн до 2,5—3 млрд электрон-вольт. «Иными словами, мы сможем сталкивать пучки с любой энергией в этом диапазоне, — комментирует Павел Логачёв. — Конечно, при этом производительность установки, ее светимость, то есть число «встреч» будет разным на разных энергиях, но всё равно очень высоким, в десятки, может, в сотни раз больше, чем на современной действующей машине такого уровня (она работает в Китае)». Ускорительная часть Супер С-тау фабрики — это основной тоннель периметром примерно 800 метров, где находятся два кольца с вакуумными камерами и элементами, которые пересекаются в одном месте — там происходит столкновение пучков и находится детектор.
Для того чтобы пучки начали свой путь по коллайдеру, их нужно специальным образом сформировать и «выпустить». За это отвечает инжекционный комплекс, именно он готовит пучки электронов и позитронов нужного качества, которые затем заводятся в кольцо, там вращаются и сталкиваются, производя огромный набор данных. Комплекс состоит из нескольких линейных ускорителей, накопителя-охладителя для позитронов и источника поляризованных электронов. «Во всех этих областях мы имеем практический опыт, такая система у нас уже работает, — говорит Павел Логачёв. — Ее производительность, конечно, меньше, но мы понимаем, как сделать такую же, но намного выше уровнем. Действующий в ИЯФ источник позитронов на инжекционном комплексе сегодня является рекордным в мире по эффективности: количество позитронов на один электрон у нас больше, чем у кого бы то ни было».
В коллайдер будут постоянно добавляться новые порции пучков, ведь электроны и позитроны, сталкиваясь, аннигилируют и рождают новые частицы. Поскольку частота этих событий большая, то и потери соответствующие, так что их нужно очень быстро восстанавливать.
Наконец, столкновение пучков, а также частицы, которые получаются после того, как электрон и протон встретятся, необходимо регистрировать. Для этого используются детекторы. Если говорить о Супер С-тау фабрике, то ученым необходимы события редкие, а они идут на фоне колоссального количества частых. Соответственно, первая задача детектора — отделить одно от другого. Необходима эффективность регистрации частиц, то есть процент, который удалось зафиксировать. Вторая — идентификация, ведь нужно выяснить, что за «зверь», известный науке или совсем нет, родился в недрах детектора, а для этого — определить продукты его распада. Ведь неизвестные нам частицы до системы идентификации не долетают: не покидая места встречи пучков, они распадаются на более-менее стабильные и хорошо известные нам частицы, тип каждой из которых и должна максимально надежно установить система идентификации.
«Такая система очень важна, это специальные физические устройства, входящие в состав детектора и умеющие различать, что это за частица, — объясняет Павел Логачёв. — Мы планируем использовать нашу разработку — детектор черенковских колец (особый вид излучения, открытый академиком Павлом Алексеевичем Черенковым еще в 1944-м году) на основе фокусирующего аэрогеля. Заряженная частица, проходя через аэрогель, производит вспышку черенковского излучения, то есть образует фотоны. Они излучаются под определенным углом к направлению движения частицы, который зависит от её скорости. Зная координаты зарегистрированных фотонов, можно установить скорость частицы, что позволяет определить ее тип. Подобная методика сегодня используется в эксперименте Belle-II коллайдера SuperKEKb в Японии и разрабатывается для эксперимента PANDA на ускорителе FAIR в Германии. Уникальность решения, предлагаемого новосибирскими исследователями для Супер С-Тау фабрики, состоит в использовании четырехслойного фокусирующего аэрогеля, который умеют производить только в Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН».
Кроме того, учитывая, что частота событий, которые нужно регистрировать, очень высока, требуется качественная электроника регистрации и оцифровки. В ИЯФ СО РАН такие приборы и системы делаются, в том числе очень компактные, их можно расположить рядом или непосредственно в детекторе.
Что касается рекордной светимости Супер С-тау фабрики, то, чтобы ее достичь, итальянские и новосибирские физики предложили особенный способ столкновения пучков. Дело в том, что сгустки частиц, которые встречаются друг с другом, имеют определенный поперечный размер, и если его уменьшать, то есть делать пучок более плотным, то производительность установки будет возрастать, более плотно расположенные позитроны и электроны станут находить «пару» гораздо чаще. Однако проблема заключается в том, что у пучков есть и продольный размер, причем в несколько раз длиннее, чем поперечный. «Представьте себе две ниточки, которые вы сталкиваете, — говорит Павел Логачёв. — Одна влияет на другую, ведь у них разный заряд, и получается: «голова» у вас прореагирует отлично, а «хвост» — плохо. К тому же он большой и рыхлый, ведь уплотняя пучок до очень маленького размера, вы используете короткофокусную линзу, и выходит: в одной части он сфокусирован, а в другой — нет. Тогда возникла идея: давайте сталкивать пучки наискось, под большим углом (такой тип встречи называется «краб-вэйст», от английского «crab waist» — крабовый перехват). Этот изящный и элегантный способ приводит к колоссальному увеличению светимости».
В экспериментах, которые ученые планируют осуществлять на Супер С-тау фабрике, можно выделить два основных направления исследований. Первое — это физика с-кварка, интересная не только сама по себе, но и необходимая во многих других работах по поиску Новой физики. Точные измерения на создаваемой машине помогут интерпретировать результаты, полученные, в частности, на Супер Б-фабрике в КЕК в Японии (Super KEKB) или в эксперименте LHCb на Большом адронном коллайдере в CERN, Швейцария. Они работают с более тяжелым b-кварком, а более легкий «очарованный» входит в процессы, связанные с b-кварком, так что свойства «нашего» нужно знать прецизионно точно. Кроме того, это важно для понимания тех явлений, которые будут происходить на коллайдере NICA в Дубне и тяжелом ионном комплексе FAIR в Германии.
Вторая часть исследований связана с тау-лептоном: специалисты намерены искать запрещенные в Стандартной модели распады этих частиц, превращение их в электрон, но без соответствующего тяжелого тау-нейтрино. «Есть еще ряд экспериментов с тау-лептоном для того, чтобы почувствовать Новую физику, и все они основаны на специфических свойствах теории. Их довольно сложно объяснить, поскольку такие системы обладают совершенно другой логикой, это не просто квантовая механика, а множество разных процессов, связанных со структурой вакуума, пространства-времени и плохо ложащихся на наши обыденные представления, — отмечает Павел Логачёв. — Однако самое важное — мы будем просто искать те процессы, которые с точки зрения сегодняшнего понимания запрещены, и станем это делать в тех местах, где такое нарушение правил окажется ярким, четким, понятным и максимально достоверным».
На Супер С-тау фабрике можно будет работать и с поляризованным электронным пучком, что открывает путь к тонким экспериментам, в которых важно начальное спиновое состояние сталкиваемых частиц.
По словам Павла Логачёва, для будущей установки уже немало сделано в плане прототипов различных систем: например, прототип двухапертурной линзы финального фокуса, то есть промежутка вблизи места встречи столкновения электронов и позитронов в будущем коллайдере, а также прототипы элементов ускоряющих секций. «Разработана и опробована модель сбора и обработки экспериментальных данных будущего детектора, — добавляет ученый. — Важно отметить, что практически все наши идеи и разработки, которые могут быть полезны для Супер С-Тау фабрики, мы проверяем, обкатываем в условиях реальных экспериментов как у нас в институте (а ведь мы единственная лаборатория в мире, где более полувека — с момента появления метода встречных пучков — всегда работал хотя бы один коллайдер), так и в крупнейших зарубежных центрах мира: на БАКе, в японской лаборатории КЕК, в Китае, в Дубне, в крупных немецких исследовательских центрах».
Кроме того, к настоящему моменту ИЯФ СО РАН подписал соглашения, меморандумы, письма о намерении участия в реализации проекта с двумя международными и четырьмя зарубежными организациями. Около двух десятков российских и зарубежных исследовательских структур и вузов выражают намерение внести свой вклад в экспериментальную программу Супер С-Тау фабрики. Также сформирован международный комитет советников, первое заседание которого прошло в мае этого года в ИЯФ СО РАН.
«Я хочу подчеркнуть, — говорит Павел Логачёв, — что именно этот проект является основным проектом Института ядерной физики. Синхротрон — инициатива НИЦ «Курчатовский институт», мы участвуем в ней как соисполнители. Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ) будет проектироваться и изготавливаться в основном в ИЯФ, но это тоже не наш проект, здесь мы работаем так же, как, например, с CERN: делаем ряд элементов для Большого адронного коллайдера. Именно Супер С-тау фабрика — целиком и полностью детище Института ядерной физики, потому что опирается на наше лидерство в области ускорителей и детекторов и отвечает интересам и задачам развития ИЯФ. Кроме того, надо понимать, что главный смысл этой установки — даже не столько Новая физика, сколько ключевой способ формирования самого качественного, мирового уровня технологического задела в области физики ускорителей, детекторов, элементарных частиц, ядерной медицины, ядерного оружейного комплекса, суперкомпьютерных вычислений на следующие 50 лет».
Екатерина Пустолякова
Фото: Светланы Ерыгиной, предоставлены ИЯФ СО РАН (анонс, 2, 3, 4), Екатерины Пустоляковой (1)
