Лоб в лоб: с чего начиналась эпоха коллайдеров

22.05.2024

 

19 мая 1964 г. команда физиков ИЯФ СО АН наблюдала первое рассеяние электронов на установке ВЭП-1. Член-корреспондент РАН главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, физик-теоретик, специалист в области физики высоких энергий Виктор Фадин рассказал, в чем важность этого события, какие эксперименты проводились на первом коллайдере ИЯФ, и к чему придут электрон-позитронные коллайдеры в будущем.

Виктор Фадин Фото А. Сковородина 700– Важность этого события, в первую очередь, в том, что была продемонстрирована принципиальная возможность экспериментов на встречных пучках. Преимущество таких экспериментов по сравнению с экспериментами на покоящейся мишени связано с тем, что энергия, выделяемая при столкновении частицы с такой же частицей, летящей ей навстречу, гораздо больше, чем при столкновении с покоящейся частицей. Для релятивистской частицы отношение этих энергий гораздо больше, чем это следует из нерелятивистской (ньютонотовской) механики, и растет с ростом энергии частицы. В ультрарелятивизме это отношение растет как корень квадратный из отношения энергии этой частицы к ее энергии покоя. Это релятивистский эффект, совершенно ясный с точки зрения теории относительности. Он и определяет преимущество экспериментов на встречных пучках по сравнению с экспериментами на покоящейся мишени. Идея использования встречных пучков возникла еще в первой половине 20-го века. Немецкий патент на нее был выдан норвежскому физику Рольфу Видероэ в 1943-м году . Однако сделать работающую установку со встречными пучками не так-то просто. ВЭП-1, созданный по инициативе и под руководством Г.И. Будкера, был одной из первых в мире таких установок. Недаром Курчатов называл Будкера релятивистским инженером, о чем Будкер, помнится, не раз говорил на лекциях, которые читал в НГУ.

Так вот, главный результат ВЭП-1 – это сам ВЭП-1, показавший возможность экспериментов на встречных пучках. Кстати, тогда коллайдеры даже в англоязычной литературе назывались встречными пучками, но потом это название исчезло, и даже в русскоязычной литературе прижилось название коллайдеры. Отчасти из-за того, что в мире доминируют (до сих пор) англосаксы, отчасти из-за так называемого русского протеизма, которым многие восхищались в Пушкине, и который порой переходит в обезьянничанье. Ну это к слову.

Кроме демонстрации работы встречных пучков, на ВЭП-1 был получен ряд физических результатов. Например, измерено сечение рассеяния электронов на электронах при наибольших в то время передачах импульса, также были исследованы процессы однократного и двойного тормозного излучения. Процесс двойного тормозного излучения в разные стороны наблюдался впервые в мире. Могу похвастаться, что вместе с моим однокурсником В.А. Хозе я был соавтором нашего научного руководителя В.Н.Байера в работах по теоретическому описанию этих процессов.

Но еще в 1959-м году, гораздо раньше запуска ВЭП-1, началась работа над установкой с встречными электрон-позитронными пучками – ВЭПП-2. Идея такой установки была высказана В. Н. Байером Будкеру, расстроенному более чем сдержанным отношением к научной программе ВЭП-1 высокого научного начальства, посетившего ИЯФ еще в Москве. Эта история описана В.Н. Байером в препринте Budker INP 2006-50. Дело в том, что на ВЭП-1 могли исследоваться только процессы квантовой электродинамики, которая в то время была уже устоявшейся теорией. Гораздо более интересными являются процессы рождения адронов. А такие процессы проще исследовать на электрон-позитронных пучках, чем на электрон-электронных. Дело в том, что электрон с позитроном могут аннигилировать и превратиться в адроны, а два электрона не могут этого сделать, потому что электрон имеет не только электрический, но и лептонный заряд, который тоже сохраняется. Так что хотя адроны и могут рождаться при столкновении электронов, но только в дополнение к ним, а это значит при более высоких энергиях и с меньшей вероятностью, чем при электрон-позитронных столкновениях. Поэтому во всем мире сейчас работают электрон-позитронные встречные пучки. Самые интересные процессы, исследуемые на них – процессы рождения адронов. Они исследуются и в настоящее время в ИЯФ на детекторах СНД и КМД-3 на ВЭПП-2000, и на детекторе КЕДР на ВЭПП-4.

Конечно, при больших энергиях адроны можно рождать и при столкновении электронов с электронами. При этом наибольший вклад в сечение вносит так называемый двухфотонный механизм рождения, при котором каждый электрон испускает по фотону, эти фотоны сталкиваются, и рождаются адроны. Электроны при этом теряют часть энергии, но не исчезают. Этот механизм отличается от однофотонного, который является основным при электрон-позитронных столкновениях. Он не менее интересен, чем однофотонный. Получается, что при большой энергии, наряду с недостатками, имеется определенное преимущество именно электрон-электронных соударений. При электрон-позитронной аннигиляции адроны тоже могут рождаться через двухфотонный механизм, но изучать этот механизм трудно, поскольку преобладает однофотонный механизм. Поэтому для исследования двухфотонного механизма электрон-электронные пучки даже имеют преимущество по сравнению с электрон-позитронными. Так что сейчас существуют предложения по созданию установок для электрон-электронных соударений. Сейчас нет работающих встречных электрон-электронных пучков, но иногда возможность их сооружения обсуждается. Надо сказать, что на таких пучках можно исследовать и однофотонный механизм рождения адронов. Хотя он и подавлен по сравнению с двух-фотонным, но подавлен слабее, чем двух-фотонный механизм на электрон-позитронных пучках по сравнению с однофотонным.

В начале 60-х годов были запущены еще две установки с встречными пучками : электрон-электронными CBX (Princeton-Stanford Colliding Beams eXperiment) в Национальной лаборатории США SLAC, под руководством Вольфганга Панофского и электрон-позитронными ADA ( Anello Di Accumulazione) в Италии, Фраскати, под руководством Бруно Тушека. Надо сказать, что от начала работы над установкой до ее запуска проходит обычно несколько лет (так, работа над ВЭП-1 началась в 1958-м году, а первое рассеяние наблюдалось в 1964-м году, работа над ВЭПП-2 началась в 1959-м году, а запущен он был в 1965-м году), поэтому я не берусь судить, какая из этих трех установок была первой. Однако должен сказать, что когда я попал во Фраскати, то увидел там установочку типа одного кольца нашего ВЭП-1 (электрон-позитронные пучки, в отличие от электрон-электронных, могут циркулировать в одном кольце) на которой написано что-то вроде «Первый в мире электрон-позитронный коллайдер». Действительно, работа над ADA началась в 1960-м году, и уже через год была зарегистрирована (по синхротронному излучению) циркуляция пучков в кольце. Такая быстрота обусловлена простотой всей системы ADA, в частности, примитивностью системы инжекции. Но она привела к тому, что светимость (величина, определяющая скорость регистрации событий: число событий какого-либо процесса в секунду равно произведению светимости на сечение процесса) оказалась настолько низкой, что электрон-позитронные столкновения зарегистрированы (по тормозному излучению) только в 1964-м году, когда кольцо ADA было перевезено в Орсэ, Франция, и для инжекции был использован имеющийся там линейный ускоритель электронов.

Повторюсь: главное достижение ВЭП-1 состоит в том, что он продемонстрировал возможность экспериментов на встречных пучках. Можно сказать, ВЭП-1 открыл дорогу для установок с встречными пучками. По современным понятиям, параметры ВЭП-1 были весьма скромными: максимальная энергия в пучке 160 МэВ, пиковая светимость 4×1028 см−2с−1. После него было построено более двух десятков электрон-позитронных коллайдеров, с десяток адронных (протон-протонных, протон-антипротонных и ионных) коллайдеров и электрон-протонный коллайдер. Достигнутые энергии—104 ГэВ в пучке на электрон-позитронном коллайдере LEP (Церн, Щвецария) и 6.8 ТэВ в пучке на протон-протонном коллайдере LHC (Церн, Щвецария); светимости -- 6.5×1035 cm−2с−1 на электрон-позитронном коллайдере SuperKEKB (КЕК, япония) и 2⋅1034 cm−2⋅s−1 на LHC.

Будущее коллайдеров – за все более высокими энергиями и большими светимостями. Наиболее масштабный проект на сегодняшний день – китайский CEPC-CppC с кольцом длиной 100 км для электрон-позитронного о коллайдера CEPC с полной энергией до 360 ГэВ и парой колец в том же тоннеле для протон-протонного CppC с полной энергией до 125 ТэВ. Проект CEPC уже практически принят, начало его реализации запланировано на 2027 г., а окончание – на 2035 г. Я не сомневаюсь, что китайцы его построят. А некоторые уже говорят и о таких коллайдерах, которые будут опоясывать земной шар, но это вопрос если не фантастики, то очень далекого будущего. Более того, в литературе обсуждается и Планкатрон — коллайдер с энергией порядка планковской (2,43⋅1018 ГэВ) с радиусом порядка радиуса Млечного Пути. Но это уже область чистой фантастики.

 

Подготовила – А. Сковородина. Фото – А. Сковородина.