«COLLID-04» —
СТЭНФОРД — НОВОСИБИРСК
В майские дни в Новосибирске, в Институте ядерной физики имени
Г. И. Будкера СО РАН проводился международный симпозиум «40 лет
лептонным коллайдерам» — «COLLID-04» («НВС»,
№ 19).
Галина Шпак,
«НВС»
Вперед и вверх
Именно сорок лет назад почти одновременно начались эксперименты
на ускорителях высоких энергий в новосибирском Академгородке
(СССР) и в Стэнфорде (США), которые дали начало методу встречных
пучков.
 |
| Участники Международного симпозиума «40 лет лептонным
коллайдерам».
|
В новосибирском эксперименте на установке ВЭП-1 (встречные
электронные пучки) первую встречу пучков зафиксировали в мае 1964
года. Интересно отметить, что сама установка ВЭП-1 была
изготовлена на заводе «Сибэлектротяжмаш».
 |
| Экскурсия по Институту ядерной физики. «Монумент» ВЭП-1. |
Первый ускоритель ВЭП-1 должен был работать в Институте атомной
энергии, в Москве, в недрах которого в 1958 году и зарождался
Институт ядерной физики СО РАН. Однако Г. И. Будкер, основатель
Института ядерной физики, решил, что эта работа должна делаться в
Новосибирске, и все оборудование было перевезено в ИЯФ, хотя это
было не просто. С именем Г. И. Будкера связано создание и развитие
ускорительной школы ИЯФ и метода встречных пучков.
ВЭП-1 давно превратился в памятник. Маленький по сегодняшним
меркам ускоритель (около четырех метров в высоту — просто
настольная установка по сравнению, например, с трехсотметровым
ВЭПП-4!) стоит сейчас в коридоре на первом этаже, и это первое,
что показывают посетителям, проводя экскурсию по институту.
Примечательно, что это единственная в мире машина с вертикальной
орбитой. Ускоритель похож на модернистскую скульптуру, а его
рабочая часть — два кольца — кому-то напоминает большую
железную восьмерку или даже знак бесконечности…
Результаты, полученные на первый установке, продемонстрировали
техническую осуществимость метода встречных пучков. В дальнейшем
это направление экспериментальной физики развивалось стремительно
и в настоящее время — одно из основных в физике элементарных
частиц.
Властелины колец
 |
| Профессор В. Пановски (США) и член-корреспондент РАН А. Бондарь (ИЯФ). |
Ученый секретарь COLLID-04, член-корреспондент РАН Александр
Бондарь, конкретизировал задачи конференции:
— Мы пытались организовать не просто конференцию
воспоминаний — что было сорок лет назад и что за это время удалось сделать.
Основная задача — обсудить, разобраться, какие перспективы у
этого направления, в том числе в строительстве новых установок.
Это была научная конференция о будущем метода встречных пучков.
Будущим проектам, таким как линейные, мюонные коллайдеры,
посвящалось несколько докладов.
Мы общались в рабочей комнате лаборатории А. Бондаря, которая
занимается подготовкой и проведением экспериментов на
ускорительных комплексах ИЯФ со встречными электрон-позитронными
пучками. В нашем разговоре принимали участие физики Б. Шварц и
С. Эйдельман. Для меня они были одновременно собеседниками и
переводчиками, потому что рабочим языком конференции был
английский. Я попросила назвать наиболее яркие из множества
докладов, и надеюсь, что их выбор совпадает с мнением большинства
участников COLLID-04: А. Хоффман (CERN) — «Onwards and Upwards»
(«Вперед и вверх», исторический обзор установок со встречными
пучками); Д. Хитлин (SLAC, США) — «Physics of Super B Factories»
(«Физика на супер В-фабриках); Ю. Шатунов (ИЯФ СО РАН) — „High
Precision energy measurements“ (»Прецизионные измерения энергии);
Л. Ривкин (PSI, Швейцария) — «Synchrotron Radiation Facilities»
(«Установки для синхротронного излучения»).
 |
| Профессор А. Хоффман (CERN) и академик Г. Кулипанов (ИЯФ). |
Доклад Альбера Хоффмана логически продолжал обзор Александра
Скринского «Первое поколение накопительных колец». Создание
первых установок и развитие метода встречных пучков действительно
двигалось по восходящей: вперед и вверх по энергиям, качеству
установок, точности измерений энергии и других параметров,
необходимых в эксперименте. Само название доклада — «Вперед и
вверх» — отражает романтизм в физике тех далеких лет.
— И все-таки, кто был первым? А. Скринский упоминал имя
Дж. О’Нила, который предложил использовать затухание в электронных
ускорителях, связанное с синхротронным излучением, для получения
пучков с высокой интенсивностью и малыми размерами.
— Знаете, это вопрос сложный, — заметил Б. Шварц. — Сама
идея — «давайте столкнем два пучка» — довольно простая. Ее
высказывали разные физики в разное время. Проблема была в том,
как это сделать, как создать эти пучки. И достаточно плотные,
чтобы они, вращаясь в ускорителе, не разваливались, не
рассыпались, были бы достаточно компактными и так далее. Вот эти
вещи абсолютно нетривиальные. Как получить позитрон? Ведь в нашем
мире, состоящем из обычной материи, позитроны, частицы
антиматерии, существуют лишь в мизерных количествах и очень
короткое время. Значит, их надо изготовить, грубо говоря, и
собрать в плотный пучок.
В мире было всего несколько лабораторий, которые взялись за эту
работу. Например, в Италии, на установке АДА, во Фраскати, в 1961
году только наблюдали существование электронных и позитронных
пучков и их взаимодействие между собой. Это было уже немало, и
большой вклад здесь внес выдающийся итальянский физик Бруно
Тушек. И Карло Бернардини, который был на этой конференции, тоже
один из основателей метода встречных пучков. И тот же Альбер
Хоффман, который работал в Кембридже (Бостон, США), а сейчас в
ЦЕРНе, в Швейцарии.
 |
| Академик А. Скринский (ИЯФ) и професор В. Пановски (США). |
И все же, говоря о присутствовавших на конференции пионерах
встречных пучков, в первую очередь следует упомянуть профессора
Вольфганга Пановски (почему-то физики зовут его просто Пиф).
Благодаря его энергии в США был создан Стэнфордский Центр
линейного ускорителя (SLAC), где, в параллель с ИЯФ, был
осуществлен метод встречных пучков. Именно этим двум лабораториям
удалось провести первые физические эксперименты на установках
нового типа в 1964-66 годах. Необходимо отметить отношения
сотрудничества и доброжелательности, установившееся в те годы
между SLAC и ИЯФ. Несомненно, существенную роль при этом сыграла
и взаимная симпатия двух выдающихся физиков, Г. Будкера и
В. Пановски. Это сотрудничество продолжалось даже в самые
трудные годы для советско-американских отношений. Сейчас «Пиф»
уже на пенсии, но у него остался свой кабинет в Стэнфорде. И,
несмотря на свой весьма зрелый возраст (а ему за 80), он
преодолел расстояние в половину земного шара и активно участвовал
в работе конференции.
— Мы все время говорим о «методе встречных пучков»,
в названии же конференции значится иностранные слова «лептонные коллайдеры».
С чем это связано?
— Изначально в мире было принято название «электрон-позитронные
встречные пучки». Через некоторое время на Западе появилось
слово «collider» — коллайдер, по-русски просто — «столкновитель».
Слово удобное, короткое и постепенно физики к
нему привыкли. С другой стороны, кроме электрон-позитронных ,
появились протонные, где сталкиваются протоны и антипротоны. Уже
говорят о мюонных коллайдерах. На конференции обсуждались такие
проекты далекого будущего. В первых же коллайдерах, 40 лет назад,
электроны сталкивались с электронами или позитронами. Электроны и
позитроны, так же, как и мюоны, относятся к классу элементарных
частиц, называемых лептонами (от греческого leptos — легкий).
Это историческое название, а на самом деле сейчас известны
лептоны с массой большей, чем протон, это — тау-лептоны.
Особенность лептонов в том, что, по сегодняшним представлениям,
они действительно элементарные, то есть никакой внутренней
структуры у них до сих пор не обнаружено. Поэтому они гораздо
удобнее для проведения экспериментов, чем, например, протоны.
— Позвольте, ради интереса, нарушая логику, дамский вопрос.
Считается, что вся материя состоит из кварков. А их увидят
когда-нибудь?
— Лет тридцать назад еще велись активные поиски свободных
кварков в природе, однако с тех пор теория сильных взаимодействий
сильно продвинулась вперед и, по сегодняшним представлениям,
кварки существуют только в составе сильновзаимодействующих
частиц, таких, как протон или нейтрон, а в свободном состоянии не
наблюдаемы. Тем не менее, в современной физике элементарных
частиц кварки — это такая же реальность, как фотоны и электроны.
Впрочем, в физике никакая теория не абсолютна. Если вы спросите
физика (в особенности экспериментатора), увидит ли кто-нибудь
когда-нибудь свободные кварки, он приведет вам численные
ограничения на вероятность рождения свободных кварков, полученные
из эксперимента, и вряд ли станет делать безапелляционные
утверждения. Физика — наука экспериментальная и любит числа, так
что иногда и кварки полезно поискать…
 |
| Профессор С. Курокава, зам. главы отдела ускорителей KEK (Япония). |
И в двадцать первом веке физическая мысль направлена в будущее, а
в применении к данной конференции, — в будущее развития метода
встречных пучков. Ведь семьдесят-восемьдесят процентов
исследований по физике элементарных частиц в мире сейчас
проводятся на установках со встречными пучками.
Список только наиболее важных открытий, сделанных на установках
со встречными пучками, впечатляет: множественное рождение адронов
в электрон-позитронной аннигиляции (Новосибирск — ВЭПП-2,
Фраскати (Италия) — ADONE); двухфотонное рождение е+е- пар
(Новосибирск — ВЭПП-2); открытие семейства мезонов, содержащих
с-кварки (Стэнфорд, США — SPEAR); открытие тау-лептона
(Стэнфорд, США — SPEAR); первое наблюдение глюона (ДЭЗИ,
Германия — PETRA); открытие W- и Z-бозонов, переносчиков слабых
взаимодействий (ЦЕРН — SppS); наблюдение нарушения СР-симметрии
в распадах В-мезонов (КЕК, Япония — КЕКВ, Стэнфорд, США — РЕР-II).
Требуются тысячи физиков
Программа конференции охватывала широкую тематику физики высоких
энергий и по ускорительной части, и по экспериментальной.
Рассматривались и действующие проекты. Например, эксперименты на
больших установках в США, в лаборатории имени Ферми, Фермилабе,
как говорят физики, в Германии, в России.
В ИЯФе в настоящий момент продолжаются эксперименты на накопителе
ВЭПП-4М с детектором «КЕДР». А ближайшее будущее — ияфовская
установка ВЭПП-2000, которая сейчас изготавливается в мастерских
и лабораториях института. Руководит ускорительно-накопительным
комплексом Юрий Шатунов. Физики надеются, что уже в 2005 году
появятся первые пучки.
 |
| Профессор Б. Ерозолимский и академик Л. Барков (ИЯФ). |
Чтобы дать представление, насколько вперед и вверх продвинулась
современная ускорительная техника и эксперимент по сравнению с
первыми результатами, полученными 40 лет назад, достаточно
сказать, что энергия установок возросла примерно в 30-50 раз, а
эффективность или интенсивность их увеличилась приблизительно в
сто тысяч раз.
— Если рассматривать наиболее важные эксперименты в физике
элементарных частиц в настоящее время, — продолжил свою мысль
А. Бондарь, — хочется в первую очередь упомянуть
электрон-позитронные накопители с предельно высокой
светимостью — так называемые В-фабрики. Это прямое продолжение исследований,
начатых 40 лет назад. Высокая производительность этих установок
позволяет проводить тонкие эксперименты по исследованию свойств
симметрии в мире элементарных частиц.
В свое время ияфовский проект В-фабрики был детально разработан,
поэтому я полюбопытствовала, каково сегодня место ИЯФ в этой
области исследований?
— Сейчас работают две установки такого типа, и обе, к сожалению,
за рубежом: одна в Японии, другая в США, — ответил А. Бондарь, — но наш
институт и конкретно — две группы сотрудников ИЯФ
принимают активное участие в работе. Это очень большие и
дорогостоящие проекты. В каждом участвуют физики из
десяти-пятнадцати стран, а это несколько десятков лабораторий,
сотни физиков.
— Я знаю, что вы делаете «особое железо» для этих установок.
— Не только «железо», приносящее какие-то деньги. Мы еще делаем
физику, как говорится, а все вместе важно не только для нас
лично, но и для института. И то, что физики ИЯФ играют заметную
роль в этих проектах, свидетельствует о высоком уровне и
авторитете нашего института.
— Мы участвуем в проекте Belle в Японии, в КЕКе, — сказал Семен
Эйдельман, — а вторая ияфовская группа входит в американскую
коллаборацию в СЛАКе. Стараемся сотрудничать в рамках разумного.
На конференциях у нас отводится достаточное время для
неформального общения, обмена научными идеями. Мы много общались
с Дэвидом Хитлиным из Калифорнийского технологического института.
Он как раз участвует в экспериментах на В-фабрике в СЛАКе.
Независимые группы работают над одной и той же тематикой, и
поэтому интересно обменяться свежими новостями, еще не
опубликованными.
— Важно отметить, что, несмотря на финансовые
трудности, ограничивающие возможности создания больших установок,
тем не менее, в ИЯФе ведется работа над новыми проектами
накопителей и детекторов для экспериментов по физике элементарных
частиц. Есть надежда, что через какое-то время, при
соответствующей поддержке правительства РФ, удастся осуществить
давно обсуждаемый проект с-тау-фабрики.
Помимо вопросов ускорительной и экспериментальной физики, на
конференции была представлена тематика, связанная с «побочным
продуктом» фундаментальной науки — использованием синхротронного
излучения. Вопрос об использовании достижений науки в других
областях чрезвычайно важен — ведь и электромоторы, и радио с
телевидением, и атомные электростанции, и даже вездесущий сегодня
интернет такие «побочные продукты»! В промышленно-развитых
странах фундаментальная наука в сильной степени финансируется
именно в расчете на такой предметный выход. Следует отметить, что
Г. Будкер хорошо понимал это уже в те далекие времена, когда
проблем с бюджетным финансированием не было. И сейчас прикладная
тематика активно развивается в институте.
— В институте достаточно новых идей, — снова вступил в разговор
С. Эйдельман. — Известно, что физика встречных пучков породила
совершенно новые направления. На конференции обсуждались новые
задачи использования синхротронного излучения, лазеров на
свободных электронах. Центр СИ и Центр фотохимии активно
развиваются в Сибирском отделении.
— Синхротронщики готовятся к собственной конференции в июле.
Тогда будет повод более подробно поговорить об этой тематике.
Скажите, — обращаюсь я к Александру Бондарю, — сравнимы ли по
затратам современные физические эксперименты на земле или под
землей с космическими?
— Все-таки, нет. Масштабы другие. Ориентировочно можно сказать,
сколько стоит, например, В-фабрика: 400-500 миллионов долларов и
плюс еще эксплуатационные расходы. Речь идет о действующих
установках в СЛАКе (США) и в КЕКе (Япония). Масштабы МКС — международной
космической станции — в денежном выражении как
минимум на порядок больше.
— Тем не менее В-фабрики или более крупные установки требуют
государственного целенаправленного финансирования, более того — объединенных
усилий нескольких государств. Это общеизвестно, -сказал
Б. Шварц. — Как в ЦЕРНе: все европейские страны
вкладывают деньги в развитие этого Европейского центра ядерных
исследований.
— Россия не является действующим членом ЦЕРН, но практически все
российские научные институты, связанные с физикой высоких
энергий, участвуют в больших международных проектах, — пояснил
С. Эйдельман.
Максимальная энергия электронов и позитронов, 100
гигаэлектронвольт, была достигнута в ЦЕРНе, на накопителе LEP.
Чтобы дальше «подниматься по энергии», — нужно строить линейные
встречные пучки. Эта тематика уже давно разрабатывается в ИЯФ и в
нескольких зарубежных физических центрах.
— Я бывала в Протвино лет пятнадцать назад. В тогдашнем филиале
ИЯФ на московской земле сибиряки — команда Владимира
Балакина — проводили эксперименты на прототипе линейного ускорителя.
— Это так называемые разработки НИР и ОКР — собственно по
ускорительной технике. Линейные коллайдеры относятся к проектам
относительно далекого будущего.
— А если говорить о завтрашнем дне, то мировое сообщество физики
высоких энергий привлечено к созданию гигантской установки,
которая строится в ЦЕРНе уже более десяти лет — большой адронный
коллайдер — пояснил А. Бондарь. — Гигантский ускорительный
комплекс с несколькими детекторами. Длина орбиты составляет 27
километров. Ускоритель расположен под землей — наполовину в
Швейцарии, наполовину во Франции, то есть ускоряющиеся частицы
все время пересекают границы двух государств.
— В каком он состоянии сейчас находится?
— Тоннель уже давно готов (раньше в нем размещался другой
ускоритель). Длинный тоннель — ничего необычного, метро длиннее.
Но ведь почти тридцатикилометровая орбита заполнена
сверхпроводящими магнитами с гигантским полем порядка ста
килогаусс (в 10 раз сильнее, чем можно достичь с помощью обычного
«железного» магнита). Каждый сверхпроводящий магнит охлаждается
гелием при температуре 3 градуса по Кельвину, и все это должно
бесперебойно функционировать. В этом проекте задействованы тысячи
физиков. Не одна, а несколько тысяч физиков! Тяжелый и очень
дорогой проект. Ускоритель по планам должен заработать в 2007
году. Кроме названных проектов, в том числе проектов линейных
коллайдеров, на этой конференции рассматривались более
«фантастические» — мюонные коллайдеры, о которых уже
упоминалось. Директор нашего института академик А. Скринский
большой энтузиаст и первопроходец в этой области. Фантастическим
этот проект я назвал потому, что будут сталкиваться не стабильные
электроны и позитроны, а короткоживущие мюоны. Их надо создать,
поймать, ведь они живут всего 2,2 микросекунды, ускорить до
нужной энергии и столкнуть друг с другом. Задача, конечно,
чрезвычайно сложная. Если бы она осуществилась, то позволила бы
выйти, скажем так, за пределы той области, которая нам сейчас
известна.
— Александр Евгеньевич, вы имеете в виду «размеры» частиц или
что?
— Можно говорить и о размерах. Дело в том, что для физики
высоких энергий электрон с позитроном хорошие объекты, они
«удобны» для экспериментов. По сегодняшним представлениям — это
точечные частицы, вступающие в электромагнитные и слабые
взаимодействия (между ними нет ядерных сил, как скажем, между
протонами). Однако практически достижимая энергия
электрон-позитронных пучков ограничена различными эффектами.
Когда частицы движутся по окружности, они излучают энергию, что и
называется «синхротронным излучением». При этом потери энергии за
счет этого излучения обратно пропорциональны квадрату массы
частицы и крайне быстро растут с увеличением ее энергии. Именно
эти потери ограничивают максимальную энергию электронов и
позитронов в циклических ускорителях. Мюоны в двести раз тяжелее,
чем электроны и позитроны, но в то же время очень похожи на них.
Поэтому в принципе мюоны можно разогнать до гораздо больших
энергий.
Захотелось тут же поговорить с директором Института ядерной
физики о перспективах метода встречных пучков. Мне повезло: после
заседания ученого совета А. Скринский легко согласился на
экспресс-интервью. Я спросила о давних работах в Протвино. Эта
работа, как оригинально выразился Александр Николаевич, «имела
две ноги».
— Лаборатория Балакина разделилась на две части. Он остался в
Протвино директором (сегодня это самостоятельный институт), а
здесь продолжались работы на экспериментальных стендах. Вообще
идея линейных коллайдеров возникла еще в конце шестидесятых годов
прошлого века. В 1978 году мы официально представили законченный
проект такого линейного коллайдера на международном уровне.
Первый проект назывался ВЛЭПП — встречные линейные
электрон-позитронные пучки. Вначале проект воспринимался
скептически, но постепенно эти идеи были восприняты мировым
сообществом физиков. В Стэнфорде, например, перестроили
ускоритель на «полулинейные» встречные пучки. Это еще не был в
полном смысле линейный ускоритель высоких энергий. Высокие
энергии — это 300-500 ГэВ, а тот ускоритель давал максимально
на пучок 50 ГэВ. Но эксперименты были очень полезны для развития
таких машин. Стало понятным, что можно сделать такие
однопролетные встречные пучки.
Проекты таких установок разрабатывались в мире параллельно в
нескольких лабораториях: в США, Германии, Швейцарии (ЦЕРН),
Японии и в России. В пяти местах так и шли независимые работы до
1993 года, когда эта программа в России полностью прекратилась. В
наши дни ситуация такая: официально принято, что именно линейные
встречные электрон-позитронные пучки будут следующим глобальным
проектом за большим адронным коллайдером в ЦЕРНе, который должен
заработать в 2007 году. Где будет строиться линейный
коллайдер — большой политический вопрос. Идет «страшная борьба» между
Европой, Америкой и Японией. В любом случае, мы будем принимать
участие в этом проекте, конечно, лимитированное российскими
возможностями.
Следующий обсуждаемый проект в этом ряду — мюонные встречные
пучки. Время жизни этих частиц — всего две миллионных доли
секунды. Но при больших энергиях их скорость становится настолько
близкой к скорости света, что время жизни их значительно
увеличивается из-за релятивистского замедления времени в их
системе отсчета. При этом они успевают сделать до тысячи и более
оборотов в кольце накопителя до распада.
Построить линейный ускоритель со встречными электрон-позитронными
пучками с энергией выше одного ТэВа, то есть тысячи ГэВ, — очень
трудно. Два ТэВа — почти невозможно. А вот мюонные встречные
пучки позволяют достичь таких энергий.
— Это будут кольцевые коллайдеры?
— Да, кольцевые с системами инжекции и охлаждения мюонных
пучков. Точнее — конечный коллайдер будет кольцевым, где мюоны
живут ограниченное время, совершая до двух тысяч оборотов в
больших магнитных полях. И эти идеи также развивались в ИЯФ. Мы
объявили о своем проекте также еще в конце шестидесятых годов.
Андрей Михайлович Будкер тогда обнародовал идею проекта. Потом я
в 1971 году подробно рассказал об этом на международном семинаре
в Швейцарии, но мое предложение в то время не привлекло внимания.
Развитие этих идей началось только после того, как мы с Василием
Васильевичем Пархомчуком в 1981 году в совместной статье о
методах создания плотных пучков различных частиц довольно
подробно описали так называемое ионизационное охлаждение мюонов и
оценили возможности создания мюонных коллайдеров на базе
ионизационно-охлажденных мюонов. Постепенно в мире возрастал
оптимизм в этом вопросе, и к 2000 году уже было очень много
групп, занимающихся подобными задачами. Сейчас ситуация более
сложная из-за финансовых затруднений. Оказалось, что в начале XXI
века фундаментальная физика в мире, в том числе в США и России,
финансируется очень неохотно. И все же, кооперируясь, научные
группы работают. Кроме действующих проектов, идет поэлементное
развитие техники мюонных пучков. По логике науки мюонные
пучки — естественное развитие электрон-позитронных, но, видимо, построят
мюонные коллайдеры уже наши дети.
Фото Н. Купиной.
стр. 9-10
|
