Ускорение в Новосибирске

Где в нашей стране летают самые быстрые электроны и позитроны? В Новосибирском академгородке, в Институте ядерной физики СО РАН. Именно там стоит электрон-позитронный коллайдер, где сталкиваются пары этих частиц, позволяя заглянуть в глубь мироздания. За свои шестьдесят лет этот ускоритель пережил несколько модернизаций, оброс дополнительными приборами и сумел-таки найти место в международном разделении научного труда, сформировавшемся после гибели биполярного мира и открытия границ. Создал его удивительный человек — Андрей Михайлович (Герш Ицкович) Будкер, имя которого сегодня носит этот институт. В мае этого года Будкеру исполнилось бы сто лет.

Художник Макс Эрнст

Как создали ускорители

Первый ускоритель элементарных частиц появился в Кембридже. В 1919 году Резерфорд, облучая азот альфа-частицами, летящими из радия, провел первую трансмутацию элементов — превратил азот в кислород. Заинтересовавшись этим результатом, он спустя несколько лет предложил своим сотрудникам, среди которых были Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, заняться такими исследованиями. Кокрофт к тому времени уже стал доктором, поработав под руководством П.Л.Капицы над созданием аппаратуры для сжижения газов.

Главная проблема, стоявшая перед учеными, — как надежно преодолеть кулоновский барьер, который не позволяет заряженной частице попасть в ядро с зарядом того же знака. Для прохождения барьера частице нужно набрать скорость, но расчет давал слишком большое значение, чтобы это можно было сделать имеющимися тогда способами. И тут вышла спасительная статья Георгия Гамова о квантовом туннелировании: из нее следовало, что критическое значение энергии частицы много ниже, такой ускоритель уже можно создать. А как? Коль скоро бомбардирующая частица — протон или альфа-частица — обладает зарядом, стало быть, нужно создать большую разность потенциалов; под действием электрического поля и произойдет разгон.

Сделать это оказалось непросто, но возможно — Кокрофт воспользовался предложенной в 1919 году швейцарцем Генрихом Грейнахером схемой электрического каскада, где происходило многократное увеличение разности потенциалов. Такой каскад электродов расположили вдоль канала ускорителя и сумели обеспечить напряжение в 600 кВ, которое разгоняло протоны до требуемой энергии в 300 кэВ. После этого Уолтон и провел первое расщепление ядра — в 1932 году литий-7 при обстреле протонами дал ядро бериллия-8, а тот распался на два ядра гелия-4. Затем были обстреляны и расщеплены ядра углерода, азота, кислорода; стрелять стали и ядрами дейтерия, и альфа-частицами. За свою работу в 1951 голу Кокрофт и Уолтон получили Нобелевскую премию по физике, а их ускоритель с тех пор называется генератором Кокрофта — Уолтона.

Альтернативой служит генератор Ван де Граафа. История с ним вышла такая. В 1924 году американец Роберт Ван де Грааф, будучи студентом Сорбонны, прослушал лекцию Луи де Бройля, в которой тот мечтал о машине, позволяющей изучать строение ядра атома. Идея захватила молодого человека, и в 1929 году он построил в Принстоне свой первый генератор, который давал разность потенциалов в 80 кВ. В таком генераторе заряд создается с помощью трибоэлектричества — резиновая лента трется о пластиковый ролик, а специальная щетка снимает с нее образовавшийся заряд и отправляет на поверхность металлической сферы. Самый большой ускоритель на принципах Ван де Граафа был построен в 70-х годах в Окридже. Он мог создавать разность потенциалов в 25 МВ и до 2012 года служил для ускорения пучков радиоактивных ионов — их изучение было интересно астрофизикам. Впрочем, для нас сейчас важнее ускорители электронов, поскольку именно с ними работают в Новосибирске.

Чтобы ускорять электроны с помощью статического электричества, нужно все сильнее увеличивать разность потенциалов, а это сложно, ведь требуется размещать все новые и новые электроды каскада, то есть удлинять трубу ускорителя. В конце концов вся затея оказывается слишком дорогой, чтобы такой прибор можно было построить. К счастью, в 1922 году норвежец Рольф Видероэ, аспирант университета Карлсруэ, предложил создать не линейный, а циклический ускоритель, который впоследствии назовут бетатроном. В таком ускорителе электрическое поле индуцировалось возрастающим магнитным полем, а орбиты электронов замыкались в кольцо с помощью запирающего магнитного поля. Правильно подобранная комбинация полей позволяла удерживать ускоряющиеся электроны в пределах канала ускорителя.

Дональд Керст юстирует бетатрон Иллинойский университет

Но этот бетатрон оказался совсем не игрушкой: электроны, двигающиеся с таким ускорением, создавали мощный поток рентгеновских лучей. Первый бетатрон светился как кусочек радия с активностью в десятую долю кюри, а после усовершенствования — в целый кюри. Это очень большая яркость для рентгеновского луча. Построенный Керстом во время войны портативный бетатрон с разгоном электронов до 4 МэВ нашел интересное применение — с его помощью искали неразорвавшиеся бомбы. В частности, исследовательская лаборатория Королевского арсенала в Вулвиче приобрела такой бетатрон для обнаружения бомб на улицах Лондона.

Физикам же требовалась все более высокая энергия разгоняемых электронов. Однако у бетатрона много энергии терялось не на разгон электронов, а на излучение ими света, в чем убедился Керст, построив для компании «Дженерал электрик» ускорители, которые давали 20 и 100 МэВ. Вторым недостатком была сила магнитов — она не превышала две теслы. Из-за этого с определенного момента нужно было по мере роста энергии электронов увеличивать диаметр ускорительного кольца, что требовало использования все большего числа магнитов — затея опять оказывалась чересчур дорогой. Поэтому самый большой бетатрон, созданный в 60-х годах, разгонял электроны до 300 МэВ. Как же разогнать частицы сильнее?

Решение было найдено в 1944 году советским физиком В.И.Векслером, а спустя год повторено его американским коллегой Эдвином Макмилланом. Суть его была такова. Радиус орбиты ускоряющихся электронов можно сохранить неизменным, если усиливать магнитное поле. Но тогда им не удастся проводить разгон. Значит, нужно ставить разгонный блок, так называемый высокочастотный резонатор — в нем с помощью продольного микроволнового излучения удается при каждом проходе электронного сгустка слегка его ускорять. Приход сгустка должен быть синхронизирован с фазой ускоряющей волны, скорость же должна быть близкой к скорости света. Тогда выполнится условие автофокусировки: частицы, которые на предыдущем круге получили больше энергии и при следующем попадании несколько опережают центр сгустка, получают меньше энергии, и центр их догоняет. Отставшие частицы, наоборот, разгоняются сильнее. Такое устройство Векслер назвал микротроном, а Макмиллан — синхротроном, сейчас сохранилось второе название.

К тому времени уже были созданы мощные источники микроволнового излучения — клистрон и магнетрон, последний широкого использовали в радарах. Прочитав статью Макмиллана, Фрэнк Говард, работавший как раз в Вулвичской лаборатории, решил модернизировать поисковый бетатрон и убедился в работоспособности синхротрона.

Первый работающий синхротрон сделали в «Дженерал электрик», он разгонял электроны до 70 МэВ. А в СССР первый синхротрон под руководством Векслера открыли в ФИАНе в 1947 году. В том же году американцы обнаружили синхротронное излучение, которое возникает во время ускорения электронного сгустка в резонаторе. Тут им помог случай. Первый синхротрон не был полностью закрытым — он имел стеклянные участки, через которые следили за вспышками в канале ускорителя. Эти наблюдения и позволили заметить ту часть излучения, которая попала в видимую область спектра. Сейчас синхротронное излучение стало важнейшим инструментом в руках ученых многих специальностей, и большинство электронных ускорителей служит для его генерации. Но поначалу никто на него особого внимания не обратил — ускорители нужны были для познания тайн строения мельчайших частиц материи.

Встречные пучки

В сущности, постановка таких экспериментов мало изменилась с тех времен, как Резерфорд обнаружил сложное строение атома: в его опытах альфа-частицы проходили сквозь атом, то есть на расстояниях от его центра, намного меньших измеренного диаметра. Это означало, что атом заполнен пустотой с объектом высокой плотности в самом центре. Точно так же во всех ускорительных опытах смотрят, как разогнанные частицы рассеиваются на изучаемом объекте. Частица может этот объект как-то обойти, отразиться от него либо войти внутрь и вызвать какое-то превращение. Чем больше энергия частицы, тем больше вероятность, что внутрь войти удастся, если, конечно, у изучаемой частицы есть это «внутрь». Например, для электронов на сегодня доказано, что внутри них нет ничего иного, никакой структуры — только сам электрон. В нуклоне, как известно, есть кварки, связанные глюонами.

Поначалу бомбардировке подвергали неподвижные мишени. Именно так, на линейном ускорителе, бомбардировка электронами протонов показала наличие у этих частиц внутренней структуры — нуклоны вышли из числа элементарных частиц.

Однако в 1956 году на конференции в Женеве Керст высказал революционную идею: столкновение встречных пучков частиц дает гораздо большую эффективность — при встрече с неподвижной мишенью большая часть энергии тратится на преодоление ее инерции, во встречных же пучках частиц, летящих со скоростью, близкой к скорости света, вся их энергия идет на некое полезное действие. Собственно, Видероэ еще в 1943 году хотел запатентовать метод встречных пучков и получил-таки патент в 1953 году. Однако лишь после 1956 года исследователи набрались сил и смелости применить идею на практике.

Керст предлагал сталкивать пучки протонов, но работать с ними было непросто, и самым перспективным оказалось столкновение электронов с позитронами — у легких частиц, в отличие от протонов, не так быстро нарастает масса при приближении к скорости света, соответственно, управлять ими проще, а выигрыш в энергии оказывается больше. И первые коллайдеры, и большинство ныне существующих реализуют эту идею.

Первые столкновения электронов с позитронами провели итальянцы — в 1961 году они запустили коллайдер AdA («накопительное кольцо», если перевести с итальянского Anello di Accumulazione) в городе Фраскатти. К тому времени там уже действовал синхротрон Национального института ядерной физики, однако в нем новые опыты проводить не решились, и за год изготовили кольцо нового ускорителя. Система работала так. В первом синхротроне формировали пучок быстрых электронов. Им били по танталовой мишени и получали сильное тормозное излучение в гамма-диапазоне. Некоторые гамма-кванты, обладавшие необходимой энергией, распадались, образуя электрон-позитронную пару. Эти позитроны ловили и отправляли в ускоритель. Его мощность была достаточной для разгона частиц до 250 МэВ, однако позитронов получалось слишком мало. Поэтому в 1962 году ускоритель перевезли во Францию, где в Орсэ у Парижского университета имелся более мощный линейный ускоритель. Там в 1963-м удалось зафиксировать первые столкновения электронов с позитронами, однако никаких научных данных получено не было — ускоритель так и остался своего рода испытательной машиной, доказавшей справедливость самого принципа.

Новосибирские ВЭППы

После речи Керста наряду с итальянцами о создании коллайдеров задумались советские и американские физики. Поначалу у наших специалистов возникла идея построить электрон-электронный коллайдер. Отечественное научное сообщество встретило ее с немалым сопротивлением. Установка стоила дорого, и начальство задавало вопрос: «А что вы на ней будете делать?» Физики отвечали примерно так: «Ну, мы бы хотели сталкивать пучки электронов и по их рассеянию смотреть, как закон Кулона соблюдается на сверхмалых расстояниях, проверять квантовую. электродинамику». По реакции начальства было видно, что такая научная программа не впечатляет.

После одного из совещаний В.Н.Байер в беседе с А.М.Будкером обронил, что если бы сталкивать электроны с позитронами, то программа оказалась бы гораздо более интересной. Байер вспоминает, что реакция Будкера была резко негативный, он в гневе выскочил из кабинета. Но через 20 минут вернулся и начал обсуждать проблему. Сошлись на том, что Байер отложит все дела и сосредоточится на обосновании программы работ такого коллайдера.

А ведь это происходило в 1959 году, когда не было еще построено ни одного электронного коллайдера и многие считали, что даже из этой, относительно простой, затеи ничего не выйдет. Работа же с позитронами требовала решения гораздо более широкого круга проблем – от получения интенсивного пучка античастиц до управления им. «Да у вас все сразу аннигилирует», — говорили коллеги. «Не аннигилирует, чтобы такое случилось, нужно, чтобы позитрон прошел совсем близко от электрона, а этого еще добиться надо», — парировали энтузиасты коллайдера. Рассказывают, что И.В.Курчатов направил проект на отзыв нескольким специалистам и все дали резко отрицательные рецензии. «Значит, в этом есть что-то нетривиальное. Будем делать», — сказал руководитель ядерного проекта.

Коллайдер ВЭП-1 помещался в небольшой комнате Участники запуска (слева направо) Г.Н. Кулипанов, С.Г. Попов, А.Н. Скринский, Г.М.Тумайкин

Делать все-таки стали сначала электрон-электронный коллайдер. Его назвали ВЭП-1 (от «встречные электронные пучки»), изготовили в Новосибирске, а монтировать начали было в Москве, в Институте атомной энергии. Однако в 1962 году был создан новосибирский Институт ядерной физики, и проект отправили туда. Соответственно в Новосибирск переехал и руководитель лаборатории новых методов ускорения А.М.Будкер.

Машина была устроена так. Сначала электроны разгонялют в синхротроне до относительно небольшой энергии в бетатронном режиме. Когда их скорость приближается к световой, начинает работать механизм самофокусировки, режим меняется на синхротронный и удается достичь большой энергии — 160 МэВ. Затем поток электронов разделяли на две части и запускали в два кольца накопителя, где электронные сгустки вращались в противоположные стороны. Там за счет синхротронного излучения электроны охлаждаются, и к ним удается добавлять все новые порции — постепенно формируются плотные электронные сгустки. Когда же сгустки станут достаточно большими, их сталкивают в месте встречи — там, где ускорительные кольца соединяются друг с другом в нечто подобное восьмерке. Электроны ударяются друг о друга и разлетаются в разные стороны, а детекторы фиксируют разлет.

У этого коллайдера, запущенного в 1964 году, были две задачи. Во-первых, как и у итальянского: проверить принципы работы, отладить установку, узнать, что это такое — пучки быстрых электронов, как с ними работать, какие они преподносят сюрпризы (а их оказалось немало). Во-вторых, изучая рассеяние столкнувшихся электронов, проверить предсказания квантовой электродинамики — работоспособность закона Кулона на чрезвычайно малых расстояниях. При этом был получен важный фундаментальный результат: электрон — точечная частица размером порядка 10^-14 см и внутренней структурой не обладает.

После отладки конструкции пришло время задуматься о проведении столкновений с позитронами. Но где их взять? Строить дополнительно мощный линейный ускоритель и действовать по той же методике, что в Орсэ, долго и дорого, ведь все устройства надо изобретать и делать самим — заграничные коллеги не очень-то делились технологией.

Будкер нашел изящное решение: построить новый синхротрон с очень малым временем разгона. К нему приделали линейный импульсный ускоритель и бетатрон — для предварительного разгона частиц. Этот синхротрон, Б-3М, оказался очень надежной машиной и проработал более полувека. Поток разогнанных в нем до 250 МэВ электронов разделялся на две части. Одну сразу отправляли в накопительное кольцо коллайдера, а другая проходила через тонкую пластинку вольфрама, где примерно одна десятитысячная часть электронов порождала позитроны за счет тормозного излучения. Суть этого удивительного явления в том, что гамма-квант очень высокой энергии, а именно такие получаются при мгновенной потери электронами их огромной скорости, оказывается неустойчивым и, подобно кислому молоку, сворачивается — электромагнитное поле превращается в частицу вещества и ее античастицу.

Позитроны собирали бериллиевой линзой и отправляли в накопитель, названный ВЭПП-2 (вторая буква «П» означала, что электроны сталкиваются с позитронами). С другой стороны в него подавали электроны. Получалось два сгустка длиной 80 см. Первые столкновения случились в июне 1966 года, а их результатом стали пи-мезоны — частицы, состоящие из двух кварков. Так начиналась мировая физика кварков и физика высоких энергий в Новосибирске.

В 1968 году ВЭПП-2 модернизировали — сократили длину сгустков до 6 см и увеличили светимость, то есть число частиц, пролетающих через сечение кольца в секунду. А в 1970-м пришла пора следующего коллайдера, ВЭПП-2М. Несмотря на похожее название, это была уже совсем новая машина; ВЭПП-2 служил для нее так называемым бустером — в нем поочередно накапливались электроны и позитроны перед поступлением в сам коллайдер. Основные меры были направлены на увеличение светимости — это сделали установкой системы магнитов, так называемой сибирской змейки, и фокусировкой пучков в момент встречи. На этом же коллайдере впервые сделали канал синхротронного излучения; на нем с 1974 года проводили свои опыты химики, биологи, материаловеды — все, кому нужно заглянуть в суть вещей с помощью ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения. На этих коллайдерах были проведены наблюдения всех открытых к тому времени в таких столкновениях частиц.

Мезоны

Казалось бы, при встрече частицы и античастицы должна произойти их аннигиляция — вещество превратится в излучение. Однако в области больших энергий все не так просто. Действительно, при аннигиляции рождается фотон, но порой он оказывается виртуальным и мгновенно распадается с образованием частицы и античастицы. Если энергия фотона относительно невелика, получается пара «электрон — позитрон». В соответствии с законом сохранения импульса они должны разлететься в противоположных направлениях, и детектор по такой «подписи» надежно определит тип события. Однако при большей энергии возможны варианты. Прежде всего это образование пары «кварк — антикварк». Ситуация с ними гораздо интереснее. Они не могут слиться в одну частицу, поскольку обречены разлететься в противоположные стороны. Но и порознь не могут долго существовать. Поэтому во время своего полета каждый из них выхватывает из физического вакуума нужную ему частицу-партнера и сливается с ней в новую составную частицу — адрон. Из трех кварков вышел бы протон или нейтрон, а из двух кварков — мезон, частица, переносящая сильные взаимодействия между нуклонами и существующая только внутри ядра. Вне нуклонного окружения жизнь мезона предельно коротка (самые живучие, пионы, существуют одну стомиллионную секунды), а затем он распадается, порождая ливень вторичных частиц; этот ливень фиксирует детектор. У каждого мезона есть своя характерная «подпись», по ним этим частицы и различают.

Пока не было кварковой теории, у физиков получался целый зоопарк мезонов, названных различными греческим и латинскими буквами — пи, ро, фи, омега, В, D и другими. С появлением учения о кварках среди них была найдена система, которая в значительной степени и составила основу Стандартной модели. Так, открытие в 1974 году пси/джи-мезона потребовало введения четвертого аромата кварков — очарованного, а открытие в 1977-м ипсилон-мезона — и пятого аромата, странного.

Все имеющиеся в конце 60 — начале 70-х годов коллайдеры разгоняли электроны до сходных уровней энергии и фиксировали одни и те же мезоны. Некоторым посчастливилось замечать и многоадронные события — когда при аннигиляции рождалось несколько мезонов. В частности, на ВЭПП-2 такие события случались довольно часто. Поскольку для каждого нового, более тяжелого мезона нужна все более и более высокая энергия родительского фотона, то есть разогнанные до все больших энергий пучки сталкивающихся частиц, многоадронные события вызвали всплеск интереса к созданию новых коллайдеров — физики поняли, что оказались на пороге новой интересной области исследований. Новые коллайдеры уже были рассчитаны на энергии столкновений в гигаэлектронвольты.

Последние ВЭППы

В 1970 году в Новосибирске построили ВЭПП-3 с расчетной энергией 3,5 ГэВ. Если предыдущие коллайдеры помещались в большой комнате, то для нового пришлось строить специальный туннель: ВЭПП-3 состоял из двух полуокружностей радиусом 8 метров, разделенных прямолинейным промежутком в 12 метров. У этого коллайдера подкачал генератор позитронов — он оказался слишком слабым и не смог соперничать с американским, в то же время запущенным в Стэнфорде. Поэтому американцам и достались лавры первооткрывателей тяжелых мезонов — пси/джи- и ипсилон-мезона. А в Новосибирске приступили к строительству ВЭПП-4. Его туннель уже имел радиус 45 метров с лишним.

Этот коллайдер оказался наследником двух проектов. Дело в том, что в 70-х годах в Институте ядерной физики начинали стройку протон-антипротонного коллайдера ВАПП, но вскоре выяснилось, что проект не выдерживает конкуренции с церновским коллайдером LEP. Тогда решили, что ВЭПП-3 послужит источником синхротронного излучения, благо очередь из исследователей к таким источникам только растет, а заодно и бустером для нового коллайдера. А почти сделанное кольцо ВАППа приспособили в качестве кольца для ВЭПП-4; расчетная энергия электронов в нем достигала 6 ГэВ.

Для создания позитронов все-таки пришлось строить линейный ускоритель. По предложению Будкера, сделанному еще в 1967 году, для такого ускорителя был придуман гирокон — генератор непрерывной высокочастотной мощности. Он отбирал энергию у проходящих сквозь него быстрых электронов и закачивал ее в ускоряющую систему. Благодаря этому удавалось получить очень мощный поток быстрых электронов, а с ним и мощный поток позитронов. Этот инжектор «Позитрон» вступил в строй в 1979 году. Научной задачей коллайдера ВЭПП-4 стали прежде всего прецизионные измерения характеристик уже открытых мезонов. К тому были серьезные основания.

Еще в 1971 году на ВЭПП-2М обнаружили явление самополяризации электронов. Его суть состоит в том, что из-за взаимодействия с магнитным полем ускорителя спины электронов выстраивались в одном направлении. Но это не все: они вокруг этого направления колебались, прецессировали. Прецессию можно разрушить, добавив небольшое магнитное поле. А зная его, удается очень точно вычислить частоту прецессии. Теория же подсказывает, что она связана с энергией пучка. Так в Новосибирске родился точнейший метод измерения и появились люди, умеющие его использовать. Этим и решили воспользоваться исследователи, чтобы найти свое место в складывающемся международном разделении труда: пусть наш коллайдер проигрывает зарубежным по светимости, но у него есть свои плюсы. Мы умеем точно, до 10^-6 от измеряемой величины, мерить энергию пучка, умеем менять энергию разгоняемых электронов в широком диапазоне от 0,9 до 5,5 ГэВ, то есть получать необходимый набор мезонов. В результате за период с 1981 по 2007 год были с непревзойденной точностью измерены массы пси/джей-, пси-, ипсилон- и нескольких других мезонов, а также тау-лептона. Новосибирские массы пси/джей- и пси-мезонов входят в десятку наиболее точно измеренных масс элементарных частиц.

Конец ВЭПП-4 был внезапным — 16 августа 1985 года его уничтожил пожар: из-за короткого замыкания загорелся блок питания насоса, и огонь пошел по кабелям системы, уничтожив ее целиком. Физики не опустили руки и решили восстановить коллайдер. В ноябре 1991 года начал работать модернизированный ВЭПП-4М, который действует до сих пор: в 2016 году ему приделали новый источник позитронов, ИК — самый мощный из ныне существующих. Он состоит из двух линейных ускорителей, причем конвертер, превращающий электроны в позитроны, расположен между ними, позитроны же транспортируются в накопитель ВЭПП-3 по каналу длиной в 300 метров. В этом ускорителе есть 15 станций для использования синхротронного излучения — машина стала комплексным центром, предназначенным не только для работ по физике элементарных частиц.

К концу 90-х годов пришла пора решать и судьбу коллайдера ВЭПП-2М: он уже выработал свой ресурс и узнал все, что можно было узнать о столкновениях электронов и позитронов в диапазоне энергий от 180 до 700 МэВ. Надо было придумывать новую физическую задачу и по-новому ее обосновать, поскольку условия жизни в стране изменились и рассчитывать на реализацию больших и дорогих научных проектов могли только безудержные оптимисты.

В это время в физике элементарных частиц фактически начался новый этап: от фиксации все новых и новых частиц физики перешли к осмыслению накопленного богатства. Осмысление привело, в частности, к идее более подробного исследования некоторых мезонов, а именно фи-мезона и В-мезонов. Фи-мезон интересен тем, что он быстро превращается в К-мезоны, или каоны, а у последних, содержащих странный кварк, давно было подмечено нарушение четности при распаде: суммарный заряд продуктов распада оказывался то положительным, то отрицательным, чего быть не может в силу закона сохранения заряда. Сначала думали, что распадаются чем-то различающиеся мезоны, но последующие наблюдения показали, что никакой разницы между ними нет. Найти причины нарушения четности — одна из главных задач, решение которой поможет понять причину асимметрии Вселенной — неравенства материи и антиматерии, а может быть, и выйти на какую-то новую физику.

Первую и единственную фи-фабрику на основе электрон-позитронного коллайдера построили к 1999 году итальянцы все в том же Фраскатти. Частицы сталкивают при значениях энергии, которая как раз и соответствует рождению фи-мезонов, а затем следят за продуктами их распадов, набирая статистику. Не только задача нарушения четности стоит перед итальянскими исследователями. В другом эксперименте они используют каоны для создания странного ядра: каон с известной энергией направляют на мишень, где он должен войти внутрь ядра, привнести туда свою странность и уже там, в окружении источников сильного взаимодействия, распасться. Что это будет за распад и как он пройдет, пока не знает никто.

В-мезоны, то есть содержащие прелестный кварк, также стали объектом новых экспериментов — для них в 90-х годах построили В-фабрики в США и Японии. Задачи их аналогичны: изучать нарушения четности в распадах мезонов, искать редкие распады частиц. Первая серия экспериментов успешно закончилась к 2010 году, и сейчас идет модернизация этих фабрик.

Монтаж коллайдера ВЭПП-2000

Новосибирские физики были не прочь создать свою фи-фабрику. Для этого предполагалось построить необычное кольцо коллайдера в форме вытянутой восьмерки с узким местом встречи — его окрестили «сибирской бабочкой», — применить сильные сверхпроводящие соленоиды и многое другое. Однако этот проект так и не был одобрен. Тогда решили обойтись полумерами и поначалу сделать новый коллайдер с высокой светимостью, но с энергией до 1 ГэВ, чтобы заново изучить исследованный диапазон энергий: вдруг со слабыми коллайдерами 60-х годов чего-то не заметили, все-таки светимость выросла в тысячи раз. Поскольку щедрого финансирования не ожидалось, решили снести старый коллайдер и строить новый на его месте, при этом максимально сохраняя инфраструктуру, например источник позитронов. В 2006 году в новый коллайдер ВЭПП-2000 был запущен первый электронный пучок, в 2007-м начались столкновения с позитронами. Как и ожидалось, мощности старого источника позитронов не хватало для выхода на расчетные параметры, и в 2013 году был обустроен 250-метровый туннель от нового источника, питающего и ВЭПП-4М. С тех пор ВЭПП-2000 набирает статистику столкновений и остается главной ускорительной установкой института, поставляющей данные для физики элементарных частиц.

Несостоявшаяся фи-фабрика с «сибирской бабочкой»

Момент мюона

Самая главная задача, которая стоит сейчас перед физиками, — выйти за пределы Стандартной модели. Ведь в настоящее время непонятно, ни почему во Вселенной нет антивещества, ни что такое темная материя или темная энергия, ни отчего гравитация несопоставимо слабее, нежели электромагнетизм. Это если говорить о твердо установленных научных фактах. О том, как подойти к каким-нибудь скрытым измерениям, гиперпространственным переходам, машинам времени, физикам приходится только мечтать, основываясь на смутных теориях. Фактически мы знаем, как устроены лишь несколько процентов окружающей нас материи. Считается, что найти разгадку удастся с помощью некой новой физики, которая преодолеет ограничения Стандартной модели и откроет путь к пониманию новых, неведомых ныне взаимодействий. Однако здание старой физики выглядит столь совершенным и незыблемым, что трудно придумать, с какой стороны вести под него подкоп. Во всяком случае, предпринимаемые попытки пока что не дали никаких намеков на успех, а, напротив, закончились торжеством Стандартной модели. Более того, неясно, помогут ли здесь попытки разрешить проблему нарушения четности.

Однако есть путь, который выглядит столь же перспективно, как мираж в пустыне, что все же лучше, чем совсем ничего. Это так называемая проблема аномального магнитного момента мюона, и новосибирским физикам, благодаря их точным измерениям, принадлежит важная роль в поисках ее решения. Что за проблема?

В 1921 году Штерн и Герлах измерили магнитный момент атома серебра, положив таким образом начало опытам по измерению магнитных моментов элементарных частиц. Когда теория доросла до объяснения того факта, что у электрона есть спин, оказалось, что в этом опыте именно спин и был измерен. Из теории же получалось, что магнитный момент связан с массой, зарядом и спином частицы простым соотношением, в котором есть числовой коэффициент — гиромагнитное соотношение. Для электрона, как следовало из измерений Штерна — Герлаха, он оказался в точности равным 2, что придавало всей теории высокую степень гармонии.

Эта прекрасная картина продержалась до 1947 года, когда поднаторевшие в измерениях физики, изучая сверхтонкую структуру перехода электронов в атомах, обнаружили, что соотношение несколько отличается от целой двойки. Соответствующую добавку окрестили аномальным магнитным моментом, обозначив ее буквой α_е. Измерения показали, что α_е = 1,15±0,04^.10^-3. Теоретики же в 1948 году посчитали и нашли значение 1,16^.10^-3, что сочли полным соответствием эксперименту и триумфом недавно появившейся квантовой электродинамики. Однако измерения продолжались: к 70-м годам аномальный момент электрона уже знали с точностью до миллионных долей, а сейчас — с точностью до 0,24 миллиардных долей.

В 50-х годах развитие ускорителей и всех связанных с ними методов позволило приступить к измерению магнитного момента мюона — тяжелого родственника электрона. Довольно быстро выяснилось, что и для него гиромагнитное отношение примерно равно 2. Из-за несохранения четности при распаде пионов — а они-то и служат материнскими частицами для мюонов — спины возникающих частиц поляризованы, то есть направлены примерно в одну сторону. А измерять их легко по спину электронов, появляющихся при распаде мюонов. Это обстоятельство существенно облегчало жизнь экспериментаторам и позволило проводить точные измерения. А нужны они как раз для подкопа под Стандартную модель.

Согласно современной теории, ненулевое значение аномального магнитного момента вызвано взаимодействием с виртуальными частицами физического вакуума — флуктуациями его квантовых полей. Поэтому, измеряя аномальный магнитный момент, можно оценить вклад полей и взаимодействий, существующих в вакууме, даже если они отсутствуют в Стандартной модели. Для электрона основной вклад дает электромагнитное взаимодействие, поэтому измерение аномалии его момента дает возможность уточнить квантовую электродинамику. А вот у более тяжелого мюона можно заметить другие взаимодействия — сильные, слабые и те, что пока неизвестны. Потому-то физики так заинтересовались точными измерениями аномального момента именно мюона. Такой подкоп под Стандартную модель менее затратен, поскольку не требует строительства все более мощных ускорителей — процессы идут при небольших энергиях, главное — набор статистики событий и точность измерения.

Первые точные измерения аномалии момента мюона провели в ЦЕРНе в 60—70-х годах и добились точности в 7 миллионных долей. При такой ошибке измерения уже чувствовалось влияние сильных взаимодействий. Следующий раунд измерений прошел в США, в Брукхейвенской национальной лаборатории, в 1990—2000-х годах. Там точность улучшили в 14 раз, до 0,5 миллионных долей — этого уже достаточно, чтобы надежно чувствовать вклады всех взаимодействий Стандартной модели.

И теперь дело стало за теоретиками — они-то какое значение дают? Если расчет будет значимо отличаться от эксперимента, следовательно, теоретики чего-то не учли. А не учесть они могли только какое-то неизвестное взаимодействие. Стало быть, вот она, новая физика, висит на кончике пера.

Из трех известных взаимодействий два — электромагнитное и слабое — отлично рассчитываются, и их вклады в аномальный момент вычислены с точностью много лучшей, чем точность измерения. А вот с сильным взаимодействием дело обстояло не так хорошо: долгое время точность расчета была в сто раз хуже, чем точность измерения. Главное, что расчет вести трудно и для получения результата надо пересчитать все адроны, рождающиеся в столкновениях электронов с позитронами, точнее, сечения таких столкновений. Задача чрезвычайно трудоемкая, если учесть, сколько разных адронов успели насчитать физики в экспериментах на коллайдерах. Удачно, что, поскольку каждый вклад входит с коэффициентом, обратно пропорциональным квадрату энергии сталкивающихся частиц, основной вклад приходится на область низких энергий и рекордных мощностей ускорителей не требуется. Теория показывает, что 80% вносит самый простой и изученный канал — образование пары пионов, а 93% приходятся на диапазон энергий менее 2ГэВ. Как раз такой диапазон и способны исследовать новосибирский коллайдер ВЭПП-2М и его ныне здравствующий потомок ВЭПП-2000. Первые измерения адронных сечений были проведены еще на ВЭПП-2, и точность соответствовала тогдашней точности измерения аномального момента в опытах на ускорителе ЦЕРНа. А потом оказалось, что все зарубежные коллайдеры настроены на высокие энергии и только один-единственный ВЭПП-2М способен проводить столь нужные точные измерения в области низких энергий. Чем он и занимался длительное время, а потом передал эстафету ВЭПП-2000 с гораздо большей светимостью.

Однако даже с такими измерениями получить достаточную точность долго не удавалось. Пришлось прибегнуть к хитростям, одна из которых чуть не стала причиной конфуза. Косвенную оценку адронных сечений можно получить из распада тау-лептона на адроны. Эту реакцию стали тщательно исследовать и вдруг заметили, что возникает систематическая разница между прямыми измерениями и предсказанными из распада тау-лептонов. Что это, новая физика? Нет, оказалось, что нужно учитывать некую поправку, однако на ее обнаружение ушло целых 10 лет! От метода пришлось отказаться.

Создание современных коллайдеров — ВЭПП-2000, фи- и В-фабрик — позволило-таки существенно улучшить точность расчета аномального момента мюона – она вплотную приблизился к точности измерений. И тут возник интересный результат: расчетное значение не совпало с измеренным. Причем не совпало достаточно сильно, чтобы это можно было счесть за проявление объективной реальности, а не ошибки измерения. Вот эти значения:

— расчетное — 116 591 821 (45)^.10^-11;

— измеренное — 116 592 089 (63)^.10^-11.

Различие, как видно, составляет 268±77^.10^-11, или 3,5 значения стандартного отклонения. Физики считают, что такое различие уже можно считать не случайным, а значимым. Однако прежде чем устраивать овацию и провозглашать новую физику, необходимо убедиться, не вкралась ли в расчеты ошибка. Над этим, а также над дальнейшим повышением точности измерения как самого аномального момента, так и адронных сечений разными методами и будут работать многие физики, обладающие электрон-позитронными коллайдерами.

Фабрика шарма

С запуском ВЭПП-2000 идея создать в Новосибирске свою фабрику, то есть сосредоточить усилия на изучении строго определенной области энергий сталкивающихся частиц, отнюдь не пропала. Более того, институт активно к этому готовится, обновляя оборудование, создавая новые узлы будущей ускорительной установки. Фи- и В-фабрики уже есть. Более того, на В-фабриках получены важные результаты по изучению нарушения четности, и сейчас их реконструируют на большую светимость — такие исследования нет смысла дублировать. Однако существует еще один интересный диапазон энергий — в нем рождаются очарованные (charm, отчего их кратко обозначают буквой с) мезоны и тау-лептоны. Такая с-тау-фабрика работает в Пекине, но ее светимость мала, и с ней можно успешно конкурировать.

Для увеличения светимости, теоретически, есть несколько способов, но большинство из них не подходит. Так, рост числа разгоняемых частиц требует роста мощности ускорителя и обслуживающих его устройств, а это дорого. Есть и физические ограничения — слишком мощный пучок, подобно песку в песочных часах, с задержками проходит сквозь узкую перетяжку, где происходят столкновения частиц. Можно было бы сделать эту перетяжку еще уже, увеличив число частиц в области столкновения, но и так получается плохо — при слишком большой плотности частиц в пучках начинают сказываться взаимодействия между ними, что приводит к хаосу и снижению эффективности работы системы. Но вот в 2006 году итальянский физик Панталео Раймонди предложил изящную систему, которая без особого труда позволяет во много раз увеличивать светимость коллайдера.

Казалось бы, если сталкивать электронный и позитронный сгустки лоб в лоб, то получится самое большое число взаимодействующих частиц. На самом деле это не так: сразу же образуются продукты столкновения, которые летят вместе с пучком и начинают мешать. Остаются и облака непрореагировавших частиц, которые нужно убирать с пути пучка, освобождая место для столкновения следующих сгустков. Причем делать это нужно очень быстро, за наносекунды — такое время разделяет сгустки в современных коллайдерах с высокой производительностью. Решение было найдено — пучки стали сталкивать под углом. В этом случае продукты сами улетают прочь, очищая место встречи. Тем не менее у такого способа есть существенный недостаток. Сгустки подобны веретену — они вытянуты вдоль пучка. При столкновении под углом значительная часть частиц оказывается вне зоны встречи. В 1988 году американец Роберт Палмер предложил поставить на пути каждого пучка впереди и позади места встречи так называемый крабовый резонатор. В нем сгусток частиц разворачивался и начинал двигаться боком, как краб. Это позволило увеличить сечение столкновения сгустков, что и проверили на практике исследователи с японской В-фабрики в 2007 году. Однако и на этой фабрике, и на других коллайдерах того времени угол между пучками был маленьким.

Раймонди предложил революционное решение: сделать угол большим, а вращать саму фокальную плоскость, в которой происходит столкновение, — перетяжку. Этот прием назвали «крабовой перетяжкой» по аналогии с крабовым резонатором Палмера. Установка крабовой перетяжки на итальянской фи-фабрике сразу же дала пятикратный рост светимости. Новосибирские физики доработали эту идею и рассчитывают на рост светимости в тысячу раз по сравнению с той, что дает ВЭПП-2000 или итальянская фи-фабрика, и в десять тысяч раз по сравнению с ВЭПП-4М. Интересно, что они же предложили аналогичное решение для проектируемого в ЦЕРНе коллайдера FCC, который послужит фабрикой бозонов Хиггса. Аналогичная схема запланирована для будущей китайской фабрики этих бозонов.

Так будет выглядеть Супер-с-тау фабрика в окружении других коллайдеров ИЯФ СО РАН им. Г.И.Будкера («Успехи физических наук», 2018, 188, 5)

При столкновениях в этом диапазоне энергий обязательно рождаются очарованные кварки, и они дают очарованные частицы. Это и чармоний — мезон, состоящий из очарованного кварка и антикварка, и очарованные мезоны, где с-кварк соединен с более легким кварком, и очарованные адроны, содержащие два легких кварка и с-кварк. Если же суммарная энергия сталкивающихся частиц превышает 3,6 ГэВ, то рождаются тау-лептоны — очень тяжелые родственники электрона и мюона. Обладая огромной массой покоя, они способны распадаться и порождать адроны. Новосибирская фабрика позволит быстро набрать такую статистику наблюдения очарованных частиц, которая многократно превзойдет все, что было известно о них до сих пор. А это путь к прорыву в физике элементарных частиц, ведь огромное число порождаемых на ней тяжелых лептонов и мезонов позволит изучить принципиально новые явления — нарушения четности в превращениях очарованных адронов, тау-лептонов, а также несохранение лептонного числа.

В 2011 году новосибирская Супер-с-тау-фабрика вошла в число шести проектов класса «меганаука», принятых к реализации на территории РФ. Этот проект одобрен Европейским советом по ускорителям будущего. В 2019 году должна завершиться подготовка к принятию решения о строительстве этого уникального научного объекта. И тут надо торопиться, ведь японская Супер-В-фабрика в Цукубе обладает такой же светимостью; если долго провозиться с этим проектом, можно опять опоздать, как уже вышло с коллайдерами ВЭПП-3 или ВАПП. Успех проекта принесет российским физикам заслуженную славу, и им не придется применять свой опыт знания для разработки ускорителей в других странах. А человечество получит новые знания и возможность выйти за пределы своих сегодняшних представлений о мироздании.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 9/2018) на с. 6 — 13.