12/11/2015

Странное очарование кварков

935 СО РАН ИЯФ СО РАН ИНХ СО РАН НГУ НГТУ РНФ Физика Инновации Новосибирск ​В рамках проекта "Инновации: достижения и проблемы" газета "Честное слово" продолжает цикл публикаций о проблемах развития инновационных проектов. Сегодня мы расскажем о новых инновационных разработках Института ядерной физики СО РАН.

Первые ускорители со встречными пучками — коллайдеры заработали в ИЯФ СО АН СССР и в мире в 1960-е годы. Сегодня коллайдеры ИЯФ СО РАН вышли на новый уровень, увеличилась их энергия и они стали более эффективными — с их помощью можно исследовать загадочные частицы с дробным зарядом, кварки. Идея встречных пучков высказывалась разными авторами в 1950-е годы. Одними из инициаторов практической реализации таких установок стали первый директор ИЯФ СО АН СССР Андрей Михайлович Будкер и американский специалист по физике высоких энергий Джерард О’Нилл из Принстонского университета. В 1950-е годы началось планирование и создание первых ускорителей на встречных пучках. Сибирские ученые-ядерщики всегда были на передовых рубежах нового направления в физике элементарных частиц

Юрий Анатольевич Тихонов, заместитель директора ИЯФ СО РАН:

"В 2015 году совместно с ЦЕРН наш институт подал заявку на получение гранта ЕС для поддержки проекта "Супер Тау Чарм фабрика" и выиграл конкурс, этот проект носит название CREMLIN. В 2014 году ИЯФ выиграл грант РНФ на поддержку новых направлений исследований в размере около 650 миллионов рублей, что скажется и на развитии работ по проекту "Супер Тау Чарм фабрика". Этот мега-проект преобразит весь Академгородок — потребуется строительство новых гостиниц, жилья для сотрудников. Одним из ключевых результатов этого крупного инфраструктурного проекта должно стать формирование на базе ИЯФ СО РАН мультидисциплинарного исследовательского центра коллективного пользования. Он будет оснащен уже существующими и планируемыми к созданию научными установками: ускорительным комплексом со встречными электрон-позитронными пучками ("Супер Тау Чарм фабрика"), который также будет являться эффективным источником синхротронного излучения, который будет востребован как для фундаментальных исследований в физике, химии, биологии и др., а также для решения различных прикладных задач для промышленности".

Сибирская история встречных пучков

Довольно нетривиально выглядело продвижение идеи ускорителей на встречных пучках. Андрей Будкер был в первую очередь чистым теоретиком и экспериментального опыта практически не имел. Он участвовал в атомном проекте под руководством Игоря Курчатова и написал предложение Курчатову о применении в субъядерных исследованиях встречных пучков электронов (потом появилась и идея встречных позитрон-электронных пучков). Курчатов отдал это предложение на экспертизу очень маститым в тот период ученым, ответ которых был однозначным: "Идея интересная, но это фантазии, которые реализовать нельзя". Тогда Курчатов произнес примерно следующие слова: "Да, по-видимому, это очень интересно. Этим надо заниматься! Но в Москве это будет сложно. Езжайте в Сибирь, там открывается Сибирское отделение Академии наук, там и будете заниматься этим проектом".

Это был 1958 год, год создания Института ядерной физики на базе лаборатории в Институте атомной энергии (сейчас НЦ "Курчатовский Институт"). В Академгородок ИЯФ полностью переехал в 1960-м году. В 1964 году заработала первая установка на встречных электронных пучках, а в 1965 году — первая установка на электрон-позитронных встречных пучках. Так появился уникальный инструмент исследования микромира, началось триумфальное шествие коллайдеров на встречных пучках по всему миру. На сегодняшний день это один из главных инструментов для исследований в физике частиц. По результатам исследований на встречных пучках получено уже несколько Нобелевских премий. Развитие установок на встречных пучках шло по двум направлениям: повышение энергии сталкивающихся частиц и повышение светимости — эффективности. Триумфом первого направления является Большой адронный коллайдер, на котором в 2012 году был открыт бозон Хиггса. В ИЯФ

СО РАН было создано несколько поколений установок на встречных пучках. В настоящее время в институте работают два коллайдера — ВЭПП-2000 на энергиях до 2 ГэВ и ВЭПП-4М на энергиях до 10 ГэВ в системе центра масс сталкивающихся частиц. Установки ИЯФ позволяют вести суперточные измерения и искать очень редкие процессы. А ведь обнаружение какого-либо процесса, который выходит за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц, это уже научная революция! На сибирских коллайдерах впервые было обнаружено двойное тормозное излучение, множественное рождение адронов на встречных пучках и получен целый ряд других результатов, получивших широкое признание в мире.

Фабрика очарованных частиц

Логическим продолжением работы, которую на протяжении десятков лет успешно вели сибирские ученые-ядерщики, стал проект Супер-Тау Чарм фабрики. Он относится к классу Mega Science (Меганаука) — так в настоящее время принято называть объекты, строительство которых выходит за пределы возможностей одной страны. Новый ускоритель на встречных пучках будет иметь форму эллипса и периметр около одного километра. Его основные элементы — двухдорожечный коллайдер с системой магнитного удержания и ускорения пучков электронов и позитронов, инжектор позитронов и электронов, система регистрации частиц, рожденных в результате электрон-позитронных столкновений, и вычислительная инфраструктура для обработки данных. Этот проект подразумевает строительство в Академгородке коллайдера на энергию столкновения до 5 ГэВ в системе центра с целью изучения так называемых "шармованных" ("очарованных") частиц. Наблюдение аномалий в поведении этих частиц, поиск отклонений от Стандартной модели — целое направление в физике.

На "кварковой фабрике" будут изучать процессы рождения c-кварков и τ-лептонов и поиск экзотических адронов, которые не укладываются в рамки обычных кварковых моделей. Это очень богатая на явления область, там можно ожидать неожиданные открытия. Задача сибирских ученых состоит в том, чтобы создать установку, по эффективности в сотни раз лучше существующих. Это означает наблюдение в сто раз большего числа событий, открытие редких распадов, которые в сто раз менее вероятны, чем наблюдаемые сегодня.

Этот проект долго вынашивался, была разработана детальная физическая программа, которая обсуждалась на представительных научных форумах. Европейский комитет по будущим ускорителям заявил, что реализация проекта "Супер Тау Чарм фабрики" была бы огромным вкладом в развитие физики элементарных частиц. В 2010 году Правительство РФ в результате конкурса мега-проектов отобрало из ста заявок шесть проектов для дальнейшего рассмотрения, и новосибирский проект коллайдера вошел в этот список. С тех пор с различной степенью активности идет реализация проекта. Учеными ИЯФ был разработан физический проект ускорителя и сверхчувствительного детектора. Было выделено небольшое бюджетное финансирование; около одного миллиарда рублей ИЯФ вложил из собственных средств. Сегодня ведутся работы по ключевым элементам проекта — по системе фокусировки встречных пучков, по системе инжекции электронов и позитронов в ускоритель, по созданию детекторов элементарных частиц и быстродействующей вычислительной инфраструктуры, по мощности превосходящей современные суперкомпьютеры. Система инжекции фабрики, разрабатываемая и строящаяся в течение пятнадцати лет, находится в стадии запуска. В существующих ускорительных системах детектор, пожалуй, по стоимости сравним со всеми остальными элементами, вместе взятыми. Как правило, в серьезных прорывных экспериментах детекторы работают на пределе своей чувствительности, на пределе технических возможностей.

Новые элементы для проекта разрабатывает компания "Филлипс", которая выделила около 500 тысяч долларов на разработку высокочувствительных регистрирующих элементов для системы идентификации частиц детектора. Ученые Института неорганической химии СО РАН совместно с коллегами-ядерщиками создали для детекторов ИЯФ СО РАН новые сцинтилляционные кристаллы германата висмута, которые обладают необходимыми свойствами для регистрации редких событий микромира. Значительные усилия направлены на развитие калориметрии, ключевого направления для детекторов элементарных частиц. Это означает появление новых сцинтилляционных кристаллов, новых методов регистрации.

Разработана "дорожная карта" строительства ускорителя. Уже проведено строительное проектирование, начато сооружение тоннеля, заканчивается сооружение инжекционного комплекса. Стоимость новосибирского проекта мега-сайенс составит около 20 миллиардов рублей в ценах 2011 года. Из-за подорожания импортных комплектующих стоимость, скорее всего, возрастет. Вычислительная инфраструктура позволит обрабатывать колоссальные объемы информации. Ученые ожидают, что будет принято правительственное постановление о финансировании проекта. А это уже будет означать "зеленый свет" для масштабного участия иностранных партнеров. Существует огромный международный интерес к проекту. Минобрнауки провело две международные независимые экспертизы как с точки зрения научной значимости, так и с точки зрения экономического обоснования, которые дали высокую оценку новосибирскому коллайдеру. Серьезная инфраструктура для работы над проектом в Институте ядерной физики имеется.

Подписаны меморандумы о сотрудничестве с более чем десятью ведущими российскими и зарубежными исследовательскими центрами. Идея совместного российско-китайского центра по изучению ядерной физики на базе ИЯФ СО РАН родилась в 2015 году и была озвучена президентом РФ Владимиром Путиным на Дальневосточном экономическом форуме. Китай в свою очередь планирует построить гигантский электрон-позитронный ускоритель для изучения бозона Хиггса периметром около ста километров. Детальное изучение этой загадочной элементарной частицы требует исследований и подтверждений результатов не только на Большом адронном коллайдере. Китайские ученые очень заинтересованы в участии российских коллег. Сейчас начинается обсуждение совместных программ исследований, но пока никаких договоренностей не подписано. У России много квалифицированных специалистов и большой опыт в сооружении ускорителей на встречных пучках. Есть отличная школа научных кадров, включающая профильные кафедры НГУ и НГТУ. Уже сейчас ИЯФ СО РАН набирает по 20 молодых талантливых специалистов из НГУ и НГТУ в том числе и для работы по проекту "Супер Тау Чарм фабрики". Без притока талантливой научной молодежи трудно обсуждать проекты класса мега-сайенс.

Реализация проекта китайского мега-коллайдера будет стоить не менее пяти миллиардов долларов и потребует колоссальных интеллектуальных ресурсов. Аналогичный проект обсуждается европейскими учеными в ЦЕРНе. Создание в Азии мощного исследовательского кластера с ускорительными установками в Новосибирске и Китае позволит выйти на новый уровень в познании законов микромира. Для реализации совместного российско-китайского проекта по изучению ядерной физики потребуются и время, и значительные усилия, и терпение. Будем надеяться, что усилия российских и китайских ученых приведут к разработке программы совместных исследований и заключению межправительственного соглашения по объединению усилий в области физики элементарных частиц.

Подготовил Андрей Соловов, "ЧЕСТНОЕ СЛОВО"