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 (ИЯФ СО РАН) более чем за десять лет непрерывной работы был набран интеграл светимости 1 обратный фемтобарн (1 фб-1). Это очень большая величина, характеризующая количество зарегистрированных ценных событий рождения частиц, использованных для изучения физики элементарных частиц. Если сопоставить 1 обратный фемтобарн с привычными человеку величинами, то получится 33 млрд 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 всём 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 10 раз — с 1 см до 1 мм. Подготовленные таким образом пучки электронов и позитронов выпускаются в специальные каналы транспортировки частиц к установкам. Без надёжной 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 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 90-е годы XX века для продолжения физической программы коллайдера ВЭПП-2М, но уже на большей энергии.

«Проект ВЭПП-2000 отличала компактность (24 м 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 Логашенко. —  Несмотря на то, что машина маленькая и относительно дешёвая, 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 расчёта её 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 др.

«Физических задач в новой для нас области энергии было поставлено много, но чтобы их решать с лучшей в мире точностью нужно было набрать большой объём статистики, а это не так просто, — добавил Иван Логашенко. — Столкновение пучков не похоже на столкновение двух шариков. Пучки представляют собой очень разрежённые сгустки электронов и позитронов, которым довольно трудно друг друга увидеть. Столкновение и аннигиляция — это 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 проаннигилируют за одно столкновение. На ВЭПП-2000 реализована уникальная концепция круглых сталкивающихся пучков, которая была предложена здесь же в Институте. Авторы концепции — ведущие сотрудники ИЯФ СО РАН: И.А. Кооп, Е.А. Переведенцев, Ю.М. Шатунов. Основная идея заключается в создании ряда условий для сталкивающихся пучков, при которых удаётся 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 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 счёт 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 тёплых 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 ещё 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 ошибки. Систематическая ошибка показывает все неопределённости, которые существуют в методике эксперимента, анализе данных, и уточняется оттачиванием используемых методик. Статистическая ошибка уточняется как раз благодаря повышению объёма 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 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 её 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-чётного 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 лёгких векторных мезонов (rho, omega, phi) и их возбуждённых состояний. Станет возможным изучение С-чётных 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. Но для выполнения заявленной программы 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 расчётной теоретической величиной, — прокомментировал Иван Логашенко. — За счёт 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 ещё повысить, что мы и сделаем за счёт набранного одного обратного фемтобарна. Например, то самое сечение рождения пары пионов для расчёта АМММ. Здесь очень хочется ещё ;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 измерение АМММ убежало вперед по точности уже раза в два-три раза, 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 ещё 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. Ещё 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 все разобрать, поменять, заново собрать и запустить. Мы планируем, что следующий цикл экспериментов на ВЭПП-2000 начнется через пять лет. Но 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 ещё около десяти лет и наберёт ещё несколько фемтобарн с новыми детекторами».

Источник: ИЯФ СО РАН.