Наука и технологии России

Вход Регистрация

Высокие энергии международного взаимодействия: Россия и KEK

Любая наука, по своей сути, – стремление познать, как устроен мир. Физика высоких энергий подходит к этому вопросу, сочетая предельно малые масштабы объектов исследования с глобальностью выводов. Открытие новых элементарных частиц и изучение их мира позволяет прикоснуться к феноменам, определяющим облик Вселенной и историю её развития. Как изучаемые объекты и получаемые результаты, инструменты физики элементарных частиц – коллайдеры, ускорители – во многих отношениях рекордны: по своим размерам, объему финансирования и, как следствие, по интересу со стороны общественности. STRF.ru уже рассказывал о публичных слушаниях Минобрнауки России, посвящённых участию российских исследователей в работе ЦЕРНа и ДЕЗИ. На очередной сессии слушаний сотрудник Института ядерной физики им. Г.И. Будкера (ИЯФ СО РАН) Александр Кузьмин рассказал о японской исследовательской организации ускорителей высоких энергий (KEK) и о роли российских учёных в ее работе.

KEK Подпись к фото: KEK был основан недалеко от города Цукуба в Японии в 1971 году

KEK: прошлое и настоящее

KEK был основан недалеко от города Цукуба в Японии в 1971 году, и наиболее крупными установками центра стали протонный синхротрон, проработавший более 30 лет с момента основания KEK, и электрон-позитронный коллайдер. Актуальные на сегодняшний день проекты – это эксперименты Belle и Belle II на коллайдере KEKB и исследования осцилляции нейтрино (K2K, T2K) – масштабные международные программы, в которые вовлечено множество научных групп со всего мира.

Среди российских партнеров KEK – Институт теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ), ИЯФ СО РАН, Институт физики высоких энергий (ГНЦ ИФВЭ), Курчатовский институт, НИИЯФ МГУ и другие исследовательские центры. В уходящем году в проектах KEK принимали участие 85 российских учёных, причём научные группы практически наполовину состояли из молодых сотрудников или студентов.

Фундаментальные вопросы, решаемые KEK, разнообразны, но можно выделить две глобальные задачи: изучение нейтринных осцилляций и исследование нарушения CP-инвариантности в слабых взаимодействиях.

Нейтринные эксперименты

Нейтрино повсюду: излучаются Солнцем, возникают при взрывах сверхновых звёзд, образуются в процессе работы реакторов и в атмосфере при прохождении космических лучей. Только от Солнца на один квадратный сантиметр Земли падает 65 миллиардов нейтрино в секунду. Ну и, конечно, пучки нейтрино могут быть получены с помощью ускорителей.

Коллайдер_KEKB
Элементы электронного (синие) и позитронного (зелёные) колец коллайдера KEKB

Но исследовать их не так уж просто – нейтрино участвует лишь в слабом и гравитационном взаимодействии, причем в последнем – крайне незначительно из-за своей малой массы. Поэтому нейтрино очень неохотно «идёт на контакт»: в частности, оно было впервые зарегистрировано лишь через 20 лет после теоретических предсказаний Вольфганга Паули и Энрико Ферми.

Эксперименты K2K (KEK to Kamioka) и T2K (Tokai to Kamioka) направлены на изучение нейтринных осцилляций. Нейтринные осцилляции – превращение нейтрино одного типа в другой (переход электронных, мюонных и таонных нейтрино друг в друга). Это явление было предсказано в 1957 году советско-итальянским физиком Бруно Понтекорво. Экспериментальные подтверждения данного феномена до опытов K2K и T2K были получены лишь для атмосферных нейтрино, и одной из задач проектов была проверка и уточнение «атмосферных» данных на ускорителе нейтрино. В экспериментах K2K и T2K нейтрино рождались в KEK или на ускорителе в Токаи, соответственно, и проделывали путь более чем в 250 км для регистрации на нейтринном детекторе на другом побережье острова Хонсю. Учёные из Института ядерных исследований (ИЯИ РАН) участвовали в установке фотоэлектронных умножителей для детектора, с помощью которого было подтверждено явление нейтринных осцилляций.

Синхротрон_J-PARC Сверхпроводящие магниты канала транспортировки протонного пучка из 50 ГэВ синхротрона J-PARC к нейтринной мишени

Маленькое нарушение с большими последствиями

Законы классической физики характеризуются симметрией относительно инверсии пространства (P-чётность), времени (Т-чётность) и заряда (С-чётность). То есть, с физической точки зрения, мир не меняется, если посмотреть на него через зеркало, обратить время вспять или заменить все заряды частиц противоположными (иначе говоря, поменять частицы на античастицы). Такие закономерности выполняются в случае электромагнитных и сильных взаимодействий. До середины прошлого века считалось, что симметрия сохраняется и в случае слабых взаимодействий, однако экспериментальные данные показали изменение как пространственной, так и зарядовой симметрии. Для объяснения этих явлений Лев Ландау в 1950-х годах предложил использовать комбинированную СР-чётность. Другими словами, он предположил, что мир из античастиц будет зеркально аналогичен миру частиц. Но и эта гипотеза вскоре была опровергнута – уже в 1964 году появились первые данные, свидетельствующие о нарушении СР-инвариантности при распаде 0,2% нейтральных К-мезонов. Более того, именно этот небольшой (с первого взгляда) дисбаланс в одном из четырёх фундаментальных типов взаимодействия оказался необходим для того, чтобы Вселенная имела тот облик, к которому мы привыкли. Эти совсем небольшие различия в свойствах частиц и античастиц предопределили появление нашего мира – мира, в котором антивещество стоит 62,5 триллиона долларов за грамм.

KEK как критерий истины

Объяснить нарушение СР-инвариантности и вернуть, тем самым, стройность в фундаментальные основы мироздания взялись японские физики – Макото Кобаяши и Тосихидэ Маскава. Для этого нужно было «всего лишь» предположить существование третьего поколения кварков – и нарушение СР-инвариантности переставало быть «незаконным». KEK был призван подтвердить теоретические предположения в эксперименте с поэтичным названием Belle. В 1994 году началось строительство KEKB – ускорителя для опыта Belle, требования к которому были весьма амбициозны: для осуществления столкновения 100 миллионов пар В-мезонов с последующей регистрацией продуктов их распада планировалось в 100 раз увеличить светимость ускорителя по сравнению с имеющимися на тот момент аналогами. При непревзойдённых (до сих пор) величинах светимости (2,11×1034 см-2с-1) создание детектора, который мог бы работать в таких условиях, является далеко не тривиальной задачей. И на этапе разработки, и в процессе изготовления детектора для Belle значительный вклад внесли учёные из ИЯФ СО РАН (Новосибирск) и Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ). Две трети счётчиков были изготовлены в Новосибирске. В итоге долгий путь, потребовавший вложения как интеллектуальных, так и материальных ресурсов (только на обеспечение KEKB электричеством уходило 400 миллионов долларов в год), привёл к положительному результату: в 2001 году были получены первые подтверждения СР-нарушения. Финальным аккордом стало присуждение Кобаяши и Маскаве Нобелевской премии по физике в 2008 году. На очереди – эксперимент Belle II, который планируется начать в 2016 году, с ещё большей светимостью и улучшенной статистикой. И, конечно же, с лучшими в мире специалистами из 21 страны, в том числе – из России.

РЕЙТИНГ

4.50
голосов: 14

Галереи

Синхрофазотрон и нуклотрон – ускорители Объединённого института ядерных исследований в Дубне

Синхрофазотрон, впервые запущенный в 1957 году, несмотря на свой неприглядный вид, готовится к кардинальному обновлению – на его базе учёные и инженеры ОИЯИ строят новый ускоритель, который, по их словам, не менее важен для науки, чем Большой адронный коллайдер. Нуклотрон успешно работает с 1993 года.

26 фото

Обсуждение