Александр Бондарь (РАН) о видах "маленьких" коллайдеров

АрхивИнтерактив

Член-корреспондент РАН рассказывает о предназначении и принципе действия относительно небольших коллайдеров.

Физика высоких энергий ставит перед собой огромное количество самых разных задач. Для их решения строятся коллайдеры: для ответа на каждый научный вопрос разрабатывается, как правило, уникальная ускорительная система. Отсюда – большое разнообразие коллайдеров. Например, размер самого большого ускорителя элементарных частиц в мире – 27 километров в окружности, а один из самых маленьких ускорителей совсем недавно был сделан в Томске, его длина составляет около 50 см, а вес – всего 30 кг. Он предназначен для диагностики нефтяных, металлургических, водопроводных и тепловых сетей.

Об ускорителях высокой интенсивности, о коллайдерах вообще и о том, какие исследования на них можно проводить, рассказывает доктор физико-математических наук,  член-корреспондент Российской академии наук, заведующий лабораторией Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН, декан физического факультета Новосибирского государственного университета, профессор Александр Бондарь.

– Какие существуют виды ускорителей для изучения физики высоких энергий?

- Давайте начнем с установок, на которых физики получают пучки частиц рекордных энергий. Например, LHC – это протон-протонный коллайдер, где протоны сталкиваются с протонами при высоких энергиях (7 ТэВ). На LHC также предполагается режим ион-ионных столкновений. Есть и другой тип установок, такие, как Tevatron, там сталкиваются протоны и антипротоны, с энергиями пучков порядка ТэВ, то есть несколько меньше, чем на LHC. Но преимущество этой установки в том, что она уже давно работает. У нас в институте есть другой тип коллайдеров: электрон-позитронные ускорители ВЭПП-4 и ВЭПП-2000. На них сталкиваются пучки электронов и позитронов. Максимальная энергия частиц на ВЭПП-4 – 5,5 ГэВ, на ВЭПП-2000 мы сталкиваем пучки с энергией до 1 ГэВ. Поэтому, конечно, как и в других областях физики, у нас тоже есть большое разнообразие установок.

– Чем отличаются между собой ВЭПП-4 и ВЭПП-2000?

- И та, и другая установка – это электрон-позитронные встречные пучки, но область энергий у них довольно разная, практически не перекрывающаяся. На ВЭПП-4 диапазон энергий от 1 до 5,5 ГэВ, это 5,5 миллиардов электроновольт. На ВЭПП-2000 область энергий – от порога рождения легчайших адронов (пионов) в районе 150 МэВ до 1 ГэВ. Эта область энергий уже изучалась на других установках.

– Диапазон энергий до 2 ГэВ сравнительно плохо изучен. Почему так получилось, ведь это относительно доступные энергии?

- Потому что установки, которые работали в этой области, имели относительно маленькую интенсивность, то есть светимость. Плотности пучков было недостаточно, чтобы исследовать редкие процессы. Науке все больше интересны редкие явления, которые не так часто происходят, поэтому ВЭПП-2000 – это установка нового поколения по светимости, хотя в этой области энергии уже работали и другие ускорители. У нас, например, была установка ВЭПП-2М, которая проработала 25 лет на энергии пучков до 700 МэВ (0,7 ГэВ). После того, как все возможности в исследованиях на этой установке были исчерпаны, мы решили, что нам проще сделать ее модернизацию, и построили ВЭПП-2000. Новый коллайдер работает приблизительно в такой же области энергий, но с заметно большей интенсивностью. Сейчас эта установка создана и начинает работать, то есть выдавать научную продукцию.

– Что такое В-фабрики?

- Это другой класс электрон-позитронных коллайдеров высокой интенсивности, который нацелен на исследование b-кварка. Почему «b»? Название происходит от английского beauty quark – это так называемый пятый кварк. Мы знаем, что в природе наблюдается 6 кварков: u-кварк, d-кварк, c-кварк, s-кварк, b-кварк, t-кварк. Они имеют разные массы. Масса b-кварка около 5 ГэВ. Ясно, чтобы изучать частицы, содержащие b-кварк, нам нужна энергия больше 5 ГэВ. В-фабрики – это электрон-позитронные установки с энергией приблизительно 5, 5 ГэВ в пучке с максимально возможной эффективностью, потому что мы исследуем очень редкие явления распада b-кварка. Две таких установки успешно работали последние десять лет в США и Японии. Мы принимаем активное участие в разработке, создании, проведении самих экспериментов и получении конечных физических результатов на этих установках.

– А чем вы сейчас занимаетесь на ВЭПП-4?

- Особенностью этой установки является то, что мы научились на ней как никто другой хорошо измерять энергию пучков. Для наших экспериментов нужна либо большая энергия, либо большая интенсивность, но есть еще и третий параметр, это высокая степень точности определения энергии. Оказывается, что для некоторых экспериментов это очень важно.

– Расскажите, пожалуйста, подробнее про процесс ускорения пучка!

- Что такое пучок частиц? Это, скажем, десять миллиардов частиц, такое количество электронов в пучке, каждый из которых обладает энергией, близкой к 5,5 ГэВ. Это означает, что этот электрон движется практически со скоростью света и обладает энергией, равной приблизительно 5,5 массам покоя протонов. Как мы управляем энергией частиц? Мы их ускоряем в электрическом поле. Пройдя разность потенциалов в несколько сотен киловольт, частица увеличивает свою энергию, дальше она делает оборот в магнитном кольце ускорителя, и снова влетает в ускоряющее устройство. Потом, если бы эта частица не теряла энергию, ее энергия увеличивалась бы до тех пор, пока магнитное поле в установке позволяло бы удерживать ее на нужной траектории движения. На самом деле электроны и позитроны, двигаясь в магнитном поле ускорителя, излучают фотоны, тем самым теряют часть энергии. Поэтому мы добавляем энергию, а за время оборота частицы ее теряют. Можно подобрать такой режим работы установки, что энергия будет расти, пока не достигнет необходимой величины, и на этой энергии частицы попадают в состояние равновесия. То есть, сколько электронам добавляют энергии в ускоряющем промежутке, столько они ее и теряют на одном обороте. Установившаяся энергия есть энергия эксперимента. Сталкивают электроны и позитроны при этой установившейся энергии. Энергия частиц в коллайдере - управляемая величина. Энергию пучков для некоторых экспериментов нужно знать с предельно возможной точностью. Оказывается, что это технически непростая задача. Мы научились решать ее. Например, если энергия электрона 5 ГэВ, то мы можем знать ее с точностью до 10 КэВ. В некоторых экспериментах, особенно по измерению масс частиц, это оказывается очень важным. Наша установка является уникальной. Подобных ускорителей, на которых энергию можно измерять с такой точностью, в мире больше нет. Поэтому мы используем ее в основном для прецизионных измерений такого важного параметра для частиц, как масса. Мы измерили массы целого набора частиц. Этот эксперимент будет продолжаться до тех пор, пока мы сможем получать новую недоступную никому информацию.

– Ускоритель работает в непрерывном режиме?

- Наши установки работают, как правило, полгода в год. Сейчас ускоритель остановлен для небольшой модернизации, а в начале ноября мы планируем его снова включить.

– Расскажите, пожалуйста, про концепцию Круглых Пучков! Как она помогает повысить светимость?

- Для этого нужно понимать, что ограничивает интенсивность установки. Казалось бы, производи больше частиц, помещай их в этот ускоритель, сталкивай, и светимость будет расти. К сожалению, все гораздо сложнее. Вы знаете, в чем проблема управляемого термоядерного синтеза?

– Сложно удержать плазму.

- А почему ее сложно удержать? Строят же установки, чтобы удержать плазму и нагреть ее до нужной температуры и плотности. Казалось бы, заливай эту плазму как можно больше, вот тебе и термояд. К сожалению, плазма так же, как и электронный или протонный пучок, очень своеобразная материя, обладающая особыми свойствами. В частности, она не хочет удерживаться, она обладает таким количеством степеней свободы, что не хочет пребывать в состоянии управляемости, в ней все время норовят развиться различного типа неустойчивости. Это приводит к тому, что плазма попадает на стенку и теряется. Похожим образом ведет себя и пучок в ускорителе. Для того чтобы удержать сгусток внутри накопителя или коллайдера, требуются специальные меры. И чем больше интенсивность пучка, тем труднее его удержать в такой установке. Более того, в момент столкновения сгустков частиц, электромагнитное поле одного пучка действует на другой пучок, и возбуждает колебания. Развивается неустойчивость, пучок попадает на стенку и теряется. Это довольно сложный процесс, поэтому физика коллайдеров высокой интенсивности – это самостоятельная отрасль науки. У нас есть даже отдельная специализация – физика ускорителей. Для того чтобы создать новую установку, надо сначала понять, а будет ли пучок в ней жить, то есть предсказать «на бумаге», что она будет работать.

Зачем нужен круглый пучок? Обычно электронный пучок в накопителе плоский. Это происходит потому, что вертикальные колебания в пучке гораздо слабее, чем горизонтальные. Частицы, двигаясь по окружности, излучают фотоны. В момент излучения равновесные энергия и радиус орбиты частицы меняются скачком. Поэтому в горизонтальном направлении (в плоскости кольца ускорителя) размер пучка в разы больше, чем в вертикальном. При проектировании установки ВЭПП-2000 была предложена необычная схема, когда колебания частиц в накопителе в вертикальной и горизонтальной плоскостях принудительно делаются симметричными. Оказывается, что при определенных условиях, круглые пучки позволяют получить большую светимость. В настоящий момент установка начала работать. И действительно, первые результаты показали, что для условий нашего эксперимента при низких энергиях такие пучки дают преимущество по сравнению со стандартным подходом.

– Каких Вы ждете результатов от ВЭПП-2000?

- Установка начала свою работу на эксперимент в прошлом году. Во-первых, было продемонстрировано, что круглые пучки позволяют получить большую светимость. Второе, что теперь нужно сделать, это испытать новые модернизированные детекторы, показать, что они тоже работают. Так что пока главный результат – это то, что установка работает. Мы уверены, что в последующем будет получена новая научная информация. Будут измерены с лучшей точностью те физические процессы, которые уже ранее изучались. Например, аннигиляция электрон-позитронной пары в адроны. То есть на этой установке могут рождаться разные типы частиц, и мы хотим более точно измерить вероятность этих процессов. Кроме того, поскольку энергия пучков сейчас стала несколько больше, на этой установке появляется возможность рождать протон-антипротон и нейтрон-антинейтрон пары вблизи порога рождения этих частиц. До сих пор детально изучать такое явление было невозможно. Это будет новая информация, которая недоступна другим установкам с гораздо большей энергией и светимостью.

– Расскажите, пожалуйста, про использование выведенных пучков синхротронного излучения, которое осуществляется на ВЭПП-3 и ВЭПП-4.

- Как я уже говорил, при движении частицы в накопителе излучают свет. Этот свет называется синхротронным излучением. Оказывается, свойства этого синхротронного излучения уникальны. Дело в том, что излучение имеет очень высокую яркость. Рентгеновские аппараты не позволяли достичь такой яркости. Таким образом, накопители электронов являются уникальными источниками рентгеновского излучения для многих экспериментов по физике твердого тела, структурному анализу и других, где нужны очень качественные источники излучения. Поэтому, естественно, физики решили использовать накопители электронов не только для экспериментов по физике высоких энергий, но и в качестве источников света с уникальными возможностями для исследований в других областях науки. И, действительно, это очень плодотворное направление. Получается, что решая задачи в одной области науки, мы создали установки, позволяющие исследовать широкий класс явлений в других науках. Это биология, медицина, геология, то есть целая новая отрасль.

– А как отводится синхротронное излучение?

- Создаются специальные каналы, через которые рентгеновское излучение транспортируется к экспериментальной установке. В результате, пучок света становится тем инструментом, с помощью которого вы что-то исследуете, например, материал, либо новые явления. Сейчас стало ясно, что использование коллайдеров в качестве источника синхротронного излучения не всегда оказывается оптимальным. Гораздо выгоднее построить специализированную установку, основной задачей которой будет являться не исследование взаимодействия частиц, а именно проведение большого количества экспериментов с использованием синхротронного излучения.

– К вам приходят другие ученые?

- Да, у нас в институте на комплексе ВЭПП-3/ВЭПП-4 созданы условия для исследований с использованием синхротронного излучения. Многие научные сотрудники из соседних институтов используют эти возможности. Но нужно сказать, что сейчас мировая наука в этой области ушла гораздо дальше. Специализированные источники синхротронного излучения строятся по всему миру, а у нас в Академгородке, к сожалению, их нет. Это очень странная ситуация, потому что как раз сильной стороной Сибирского отделения всегда были междисциплинарные исследования. Мне кажется, что специализированный источник синхротронного излучения в Академгородке был бы очень полезен, в том числе и для развития новых технологий.

– А можно ли сообща всеми институтами профинансировать этот проект?

- Стоимость такой установки недоступна для того, чтобы ее построить в складчину. Должно быть целенаправленное государственное финансирование. Мы видим, что она необходима, например, по опыту других стран, где такие специализированные синхротронные установки уже используются в промышленности для производства уникального коммерческого продукта. Если мы хотим развивать у себя высокие технологии, почему мы не строим такие установки? По-видимому, разговоры и дело в данном случае между собой слабо связаны.

– Каким образом коллайдеры могут использоваться в прикладных разработках?

- Считается, что фундаментальные исследования – это исследования ради абстрактных знаний. Мы не знаем, пригодятся они нам в жизни, или нет. Мы только следуем историческому опыту, который показывает, что любое знание рождает новые возможности. Часто мы думаем, что фундаментальная наука – это знание само по себе, а прикладная наука для того, чтобы сделать что-то полезное в народном хозяйстве. Но современная наука не имеет четкой границы между фундаментальными и прикладными исследованиями. Более того, эти два направления не могут существовать одно без другого, причем фундаментальная наука является необходимым условием для развития прикладной. В чем это проявляется? Для того чтобы проводить исследования на рубеже известного и неизвестного, мы должны создавать все новые и новые установки со свойствами, которые ранее не были доступны. Например, создание пучков частиц высокой интенсивности, или пучков с энергией, недоступной ранее, ставит перед исследователями новые технические задачи, которые сами по себе в обычной нашей практике никогда не возникают. Возьмем, для примера, LHC. Задача заключалась в том, чтобы построить коллайдер с ранее недоступной энергией. Это потребовало создания нового типа сверхпроводящих магнитов, которые раньше делать не умели. Сверхпроводящая катушка, по которой течет ток, в этом ускорителе работает при температуре 1,9 градуса Кельвина. Чтобы получить высокую напряженность магнитного поля, потребовался большой ток, который можно было получить только при такой температуре или ниже. Казалось бы, разве это так сложно? Почему же это принципиально новый шаг? Дело в том, что при температуре ниже 2 градусов Кельвина жидкий гелий становится сверхтекучим, то есть в гелии образуется фракция жидкости с квантовыми свойствами. Это создает, с одной стороны, целый ряд новых возможностей, а с другой, массу технических проблем. Благодаря тому, что сверхтекучий гелий обладает еще и сверхтеплопроводностью, удалось решить проблемы с охлаждением сверхпроводящих магнитов с параметрами ранее недоступными. По существу, для решения этой задачи пришлось создать новую отрасль в криогенной промышленности.

Взаимосвязь между прикладной и фундаментальной наукой очевидна. Сейчас нельзя просто сесть, упереть палец в лоб и придумать нечто, что окажется полезным для человечества. Если мы будем заставлять всю науку непосредственно создавать коммерческий продукт, наука погибнет. Этому есть большое число исторических примеров. А вот если наука будет существовать ради науки, производить знание ради знания, тогда она многократно окупит все затраты, которые человечество несет на ее содержание. Это позволит питать прикладную науку, а прикладная наука, в свою очередь, станет основой инновационной индустрии и экономики. Эта цепочка должна быть свободна от бюрократического регулирования. Ученые должны сами решать, куда и какие средства направлять. Только в этом случае мы будем получать максимально возможную отдачу от фундаментальных исследований и науки в целом.