«Наука в Сибири»
№ 26-27 (2462-2463)
2 июля 2004 г.
«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). |
— 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