Что дали миру коллайдеры, или Как разгадать тайну Вселенной

Высокоскоростные сети, вычислительные мощности и облачные технологии созданы благодаря экспериментам в области физики частиц. Ученые уверяют, что вложения в такие проекты как коллайдеры, не только приблизят человечество к разгадке тайны Вселенной, но и очень скоро изменят качество повседневной жизни. Новосибирские физики, которые принимали участие в создании японского коллайдера SuperKEKB, рассказали о том, какие эксперименты планируются на новом ускорителе.

Новый коллайдер SuperKEKB, который начал работать в Японии — это проект, продолжающий крупный международный эксперимент Belle (проводился в японской лаборатории КЕК в 1999-2010 годах). Тогда был достигнут последний мировой рекорд светимости установок со встречными пучками (один из параметров ускорителя, характеризующий интенсивность столкновения частиц двух встречных пучков). По этому параметру электрон-позитронный коллайдер SuperKEKB в 40 раз превышает возможности своего предшественника КЕКВ.

Фото: © www.kek.jp

ЗАГАДКА ВСЕЛЕННОЙ

Физики строят коллайдеры для того, чтобы разгадать тайну мироздания. Одной из главных для ученых загадок является асимметрия вещества и антивещества во Вселенной, сказал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН Борис Шварц.

«Как отмечал академик Андрей Сахаров, если бы не было асимметрии после большого взрыва, то вещество с антивеществом проаннигилировало (реакция превращения частиц и античастиц в другие частицы при взаимодействии) и во Вселенной были бы только фотоны, только электромагнитные излучения. Но вещества оказалось больше антивещества на одну десятимиллиардную долю. Все вещество с антивеществом проаннигиллировало и этот остаточек и есть наша Вселенная и мы с вами», — пояснил Шварц.

Происхождение и законы этой асимметрии и изучают физики, в том числе с помощью коллайдеров, уточнил он.

Директор ИЯФ СО РАН Павел Логачев добавил, что среди коллайдеров есть два направления: ускорители, на которых эксперименты проходят на высоких энергиях, как на Большом адронном коллайдере, и поиск в уже изученном энергетическом диапазоне очень редких событий, которые раньше не могли быть зафиксированы из-за низкой производительности более ранних машин.

«Почему ускорители второго типа называются фабриками? Потому что очень производительные, много столкновений в секунду происходит, настолько много, что вы можете найти супер-редкие процессы и их будет такое количество, которое позволит собрать статистику», — сказал Логачев.

Именно с такими редкими явлениями будет работать коллайдер SuperKEKB в Японии, одним из основных российских партнёров которого является ИЯФ. Институт разработал и изготовил более 700 вакуумных камер общей длиной около 2 километров, предназначенных для обеспечения сверхвысокого вакуума в позитронном кольце коллайдера, и 220 корректирующих магнитов.

Все это изготавливалось по контракту с Японией, и на полученные деньги институт купил оборудование для изготовления вакуумных камер, которые теперь использует для работы над другими заказами.

Фото: © Павел Красин

Также ученые института разработали одну из ключевых систем детектора Belle – 40-тонный электромагнитный калориметр на основе кристаллов йодистого цезия. Колориметр определяет тип частиц и их энергию.

«Еще в эксперименте предложен метод амплитудного анализа для измерения параметров нарушения ЦП-симетрии, это впервые применено нашими сотрудниками. Сейчас этот метод используется и в эксперименте на Большом адронном коллайдере и на KEKB», — рассказал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Павел Кроковный.

КРАСАВИЦА И ЧУДОВИЩЕ

«Сейчас коллайдер KEKB работает в тестовом режиме, идет оптимизация ускорителя, в 2017 году пойдет набор данных, и мы планируем время работы ускорителя около десяти лет. Сейчас на коллайдере стоит простой детектор под названием BIS (от названия «Красавица и чудовище» по-английски «Beauty and the Beast»). В 2017 году вместо него въедет по рельсам детектор Belle на пучок и будет работать», — сообщил журналистам Кроковный.

По его словам, ученые впервые планируют поставить эксперимент с такими высокими параметрами светимости, в 40 раз больше, чем показывал предыдущий японский коллайдер. Светимость увеличили благодаря тому, что уменьшили размеры пучка, сделав его плотнее.

«Пучок — это облако электронов и позитронов, они через друг друга проходят и частицы должны подойти близко к друг другу. Если облако плотное, эффективность повышается. Нужно как можно сильнее сжать пучки — это довольно трудно. Для этого создаются специальная электронная оптика и система магнитов», — сказал Шварц.

При этом заявленная светимость пока существует только в расчетах, подтвердить ее и реализовать — задача ученых в 2017 году.

«Там пока не установлена сверхпроводящая финальная фокусирующая оптика: очень сильные квадруполи (линзы для фокусировки пучков с помощью магнитного поля), в них размер пучка раздувается до максимального, а после сжимается до минимального значения. Сейчас в технологическом режиме ускоритель полностью отличается от того, что будет, когда поставят детектор и оптику», — объяснил Логачев.

По его словам, на создание одного только ускорителя без инфраструктуры Япония потратила около 300-350 миллионов долларов.

Работа с частицами требует особой системы безопасности, так как, по словам Логачева, энергия одного пучка равна ручной гранате и когда один из магнитов, удерживающих пучки, перестает работать, пучок может пробить оболочку ускорителя.

«При аварийной ситуации пучок сбрасывается в специальный канал, где равномерно принимается на большой объем и не вызывает разрушительных последствий. Если какой-то параметр машины выходит за критическую отметку, сразу автоматически включается сброс пучка в эту систему. Она сделана максимально энергонезависимой чтобы при любых отключениях системы или аварий пучок сбросился штатным образом», — рассказал директор ИЯФ.

ОЧАРОВАННАЯ ФИЗИКА

Работа в международных проектах, таких как БАК и КЕКВ позволяет новосибирским физикам реализовать и отработать многие идеи, которые затем применяются на установках в Новосибирске. Так, результаты работы на коллайдере в Японии могут потребовать изучения физики очарованных кварков, для которых свой мощный коллайдер хотят построить в ИЯФ.

«В КЕК В-фабрика, она работает на энергии, где рождаются в-мезоны, а у нас планируется изучать с-кварки, d-мезоны и тау-мезоны в принципе. D-мезоны и тау-мезоны будут рождаться и на КЕК, но там их там будет на порядок меньше. Если мы хотим проверять Стандартную модель в области с-кварка, то конечно надо это делать специальной фабрике», — отметил Кроковный.

Строительство «Супер чарм-тау фабрики» в Новосибирске тормозит только отсутствие денег, на этот проект необходимо потратить 27 миллиардов рублей. Ученые уверены, что при наличии средств смогут за пять лет построить установку и за два года выйти на проектную мощность.

«Евросоюз сказал, что на один евро, вложенный в ЦЕРН, получают два евро налогов. Нельзя сказать, что все деньги, которые вложили в БАК, ушли в черную дыру», — сказал Кроковный.

Он отметил, что благодаря экспериментам в области физики частиц уже создали высокоскоростные сети, вычислительные мощности и облачные технологии.

«Наука всегда требует технологий, которые находятся на грани возможного, которые затем находят применение в обычной жизни. Возьмите сверхпроводимость, что было открыто как некий физический эффект. Сейчас это явление используется в томографии», — добавил Шварц.