Из Новосибирска прорубят окно в новую физику

Новосибирске планируют построить мюмютрон — маленький коллайдер, а потом масштабную установку для изучения фундаментальных свойств материи, "Супер чарм-тау фабрику", и наблюдать эффекты Новой физики — принципиально новые феномены, которые никак не проявляются в доступном нам мире. 

У теоретиков накопилось достаточно вопросов к Стандартной модели, которая описывает Вселенную на фундаментальном уровне. Ответов пока нет. Хотя главная физическая теория прекрасно подтверждается экспериментами на всех имеющихся в распоряжении физиков установках.

"Обнаружение бозона Хиггса, предсказанного еще в середине прошлого века, показало, что природа устроена просто и красиво. Выйти за пределы Стандартной модели не получается. Большой адронный коллайдер поднял энергию до своих максимальных возможностей, а проявлений Новой физики все нет", — говорит РИА Новости академик Павел Логачев, директор Института ядерной физики (ИЯФ) Сибирского отделения РАН в Новосибирске.

Ученых беспокоит, почему суперсимметрия — физическая гипотеза, предполагающая существование суперпартнеров у всех известных элементарных частиц, никак не наблюдается даже на БАК. Другой вопрос касается тайны происхождения электронов и кварков. Дело в том, что существует три поколения этих частиц с массами, различающимися на несколько порядков. К примеру, в состав протонов и нейтронов входят только два кварка первого поколения. Зачем природа создала еще четыре кварка? Чем объясняются их свойства?

Аналогичная ситуация с электроном — легкой частицей в составе атомов. Ее "кузен" в третьем поколении — тау-лептон — почти в четыре тысячи раз тяжелее. Ученых интересует, может ли он превратиться в электрон напрямую, без участия тау-нейтрино — самого тяжелого типа нейтрино. Зачем вообще утраивать поколения элементарных частиц?

"Таких вопросов к Стандартной модели очень много", — констатирует академик Логачев.

Ученым хочется, чтобы была одна, простая и красивая теория, которая объяснит все и даже больше — сможет предсказывать, что там, в недоступных нам областях космоса, занятых темными материей и энергией.

"Сейчас ситуация напоминает конец XIX — начало XX века, когда были созданы квантовая механика, теория относительности, релятивистская теория гравитации, изучена структура атомов и атомных ядер. Поэтому, надеюсь, выход в Новую физику состоится очень скоро. И кто первый это сделает, кто окажется на гребне событий, тот снимет все сливки", — рассуждает директор.

Изучение физики тяжелых кварков и поиск Новой физики возможны не только при очень высоких энергиях, но и на ускорителях низких и средних энергий, увеличивающих в сотни раз число редчайших событий, в которых рождаются кварки. В результате удается собрать больше статистики за меньшее время и тем самым резко увеличить вероятность обнаружения новых явлений.

Такие установки называют суперфабриками. Они в сотни раз производительнее обычных ускорителей. Физики из Новосибирска решили пойти именно этим путем, чтобы изучить природу тау-лептона, самого тяжелого из известных "кузенов" электрона, и очарованного кварка (чарм-кварка, или c-кварка), представителя второго поколения кварков. 

"Мы хотим подобраться к Новой физике через другую дверь, пытаясь выявить невероятно редкие события, которые считаются в Стандартной модели строго запрещенными. Для этого нужны на порядки более высокая производительность — мы называем это светимостью, — чистота эксперимента, его точность. Все это достижимо на средних энергиях", — поясняет академик Логачев.

Установка, которую предлагают построить в ИЯФ, "Супер чарм-тау фабрика", — это коллайдер, где сталкиваются электроны и позитроны. Чтобы обеспечить его этими частицами, — а их потребуется десятки миллиардов ежесекундно, — нужны довольно сложный комплекс из линейных ускорителей и другие уникальные приборы, например, источник поляризованных электронов.

Позитроны — антиподы электронов — фабрике дает целый каскад ускорителей. Первый стреляет пучком электронов в танталовую мишень, рождающую смесь частиц, в том числе позитроны. Их собирают специальным устройством, направляют в следующий ускоритель, чтобы разогнать до нужных энергий, а затем — в кольцо-накопитель. Охлажденный там сгусток позитронов, накопленных за много выстрелов ускорителя, передают в основной линейный ускоритель, а оттуда — в коллайдер-фабрику, где в столкновениях электронов и позитронов рождаются очарованные кварки и тау-лептоны. И их фиксирует детектор. 

Столкновение и исчезновение частиц в фабрике происходит с огромной частотой, поэтому ускорительному комплексу придется работать непрерывно.

Идея резкого увеличения светимости электрон-позитронного ускорителя на встречных пучках — метод crab waist — принадлежит итальянскому физику Панталео Раймонди. Вместе с новосибирцами он смоделировал все нюансы процесса, а затем проверил на ускорителе DAFNE в Италии, сумев поднять светимость в три раза. Но увеличение этого параметра на два порядка требует особой подготовки. Для этого в ИЯФ планируют построить испытательный стенд в виде небольшого коллайдера размером всего тридцать метров — мюмютрон. В нем на очень низких энергиях, но с большими токами будут сталкиваться пучки электронов и позитронов.

В дальнейшем стенд можно использовать для изучения мюона — нестабильной элементарной частицы, которую регистрируют в космических лучах. Попробуют также получить димюоний — экзотический атом, состоящий из отрицательного и положительного мюонов. Отсюда и название коллайдера.

"Димюоний в двести раз меньше позитрония — системы из электрона и позитрона. Большое количество димюония — еще одна возможность для поиска эффектов Новой физики. Димюоний предсказан теоретически, но никто в мире его еще не получал экспериментально", — продолжает директор ИЯФ.

"Супер чарм-тау фабрика" заполнит пустующую в мире нишу установок среднего уровня энергий и высокой производительности. Проект горячо поддерживает международное сообщество: его реализация позволит проверить и уточнить данные, полученные в других экспериментах.

На БАК тоже можно изучать c-кварки. Однако там происходит очень много других событий, поскольку энергия гораздо выше. Чарм-кварками эффективнее заниматься при более низких энергиях, на которые и ориентированы новосибирцы.

В японской лаборатории КЕК кварки изучают на "Супер b-фабрике" с очень высокой светимостью. Но понизить энергию ускорителей, чтобы наблюдать прямое рождение очарованных кварков, на этой установке нельзя, поскольку все оптимизировано для других экспериментов.

Сегодня один из самых успешных в этой области — электрон-позитронный коллайдер BEPC II в лаборатории IHEP в Китае. Однако у него маленькая производительность. Использовать там идею Раймонди невозможно: он высказал ее в 2006 году, когда китайцы уже строили свою чарм-фабрику. Так что проект в Новосибирске уникален не только собственным колоссальным потенциалом, но и тем, что дает возможность проверить результаты других установок. Особенно это касается Новой физики. Здесь без дублирования не обойтись: если в одном эксперименте зафиксирован необычный эффект, его необходимо повторить в другом, независимом эксперименте.

"Супер чарм-тау фабрику" одобрили в 2011 году вместе с еще пятью megascience-проектами. Два из них уже получили финансирование и реализуются: исследовательский реактор на быстрых нейтронах ПИК под Санкт-Петербургом и коллайдер протонов и тяжелых ионов NICA в Дубне. 

Называть даже предварительные сроки запуска строительства "Супер чарм-тау фабрики" пока преждевременно. По словам академика Логачева, сначала правительство проработает поручение о создании комплекса синхротронных источников четвертого поколения (ИССИ-4), данное Владимиром Путиным в апреле этого года по итогам заседания Совета по науке и образованию. Это тоже один из проектов класса megascience. Строить синхротроны планируют в Новосибирске и Протвино — двух крупнейших ускорительных центрах страны. Решение, по словам директора, ожидается в конце года.

Ускорительная техника — область, где российская наука находится на мировом уровне. Иначе у наших физиков не было бы компетенций для разработки ИССИ-4. Развитие ускорительной техники подтягивает за собой и другие отрасли промышленности, а также служит коммерциализации технологий.

"Без коллайдеров не было бы первого в мире ускорительного источника для бор-нейтронозахватной терапии рака. И пока мы сохраняем лидерство. Мы делаем малодозные рентгеновские установки для систем безопасности в аэропортах. Они обеспечивают абсолютную надежность досмотра при эквивалентной дозе, получаемой пассажиром всего за пять минут полета. С "Супер чарм-тау фабрикой" мы сможем снизить и эту дозу. Если бы мы не занимались коллайдерами, то не сделали бы для нашей оборонной отрасли пушки для электронно-лучевой сварки. Раньше их производила Украина, а теперь мы. Коммерческий выход от проекта намного превысит затраты на него", — заключает академик Логачев.