О новой фабрике для сибирской науки
/imgs/2020/01/08/15/3726167/89c4bb11e8e24d40dfe9ea7b4528f685c955c43a.jpg)
Детектор на коллайдере ВЭПП-2000
Евгений Курсков/ТАСС
Как повышение точности измерений в коллайдерах может привести к Новой физике, почему страны отказываются от «своих» установок и как надо «разрываться» между коллаборациями и собственными проектами, в интервью Indicator.Ru рассказал заведующий лабораторией Института ядерной физики СО РАН Владимир Дружинин.
— В ИЯФ СО РАН вы работаете на коллайдере ВЭПП-2000. Расскажите немного об этой установке – когда она начала свою работу?
— Первые данные мы набрали в 2010 году. Когда машина была построена, инжекционный комплекс (ИК) ВЭПП-5, который сейчас обеспечивает электронами и позитронами оба наших коллайдера, еще не запустили, поэтому ВЭПП-2000 работал с инжекционной системой, доставшейся ему от предшественника – коллайдера ВЭПП-2М. Эта система не обеспечивала нужную производительность, но мы отработали с ней четыре года – с 2010-го по 2013-й – и потом остановились на модернизацию. После запуска ИК производительность ВЭПП-2000 выросла сразу в три раза. Статистику, набранную за первые три года работы, сейчас мы можем получить за год и даже быстрее, поэтому, по-хорошему, наш отчет можно начинать вести с 2016 года. Пока мы не вышли на проектную светимость, потому что с машиной, конечно, тоже нужно учиться работать, но у нас коллайдер совсем молодой.
– Сколько лет в среднем нужно, чтобы установка вышла на проектную светимость?
– Бывает по-разному. Например, φ-фабрика в Италии, очень долго выходила на проектную светимость. В то же время, B-фабрики, которые работали в США и Японии – наоборот, вышли довольно быстро и даже ее превзошли. Все зависит от конструкции – сложная машина или простая. В этом смысле ВЭПП-2000 – коллайдер необычный: мы используем уникальные круглые пучки, таких в мире нет больше нигде.
– Расскажите подробнее об этих пучках. Они дают какое-то преимущество?
— Обычно в современных коллайдерах имеется два кольца, в каждом из которых крутится много сгустков, они сталкиваются друг с другом по очереди, а у нас одно кольцо и два сгустка, электронный и позитронный. Высокая светимость получается за счет круглых пучков, обеспечивающих необычную динамику столкновений. Проблема в том, что до нас с этой технологией никто не работал, поэтому было сложно предсказать, что получится. В свое время, например, коллайдер DAFNE (Италия), где впервые в мире начали работать с большими токами и с большим количеством пучков, тоже был таким первопроходцем – конечно, им было трудно. У нас на ВЭПП-2000 сейчас происходит примерно то же самое.
— Сегодня часто говорят об уменьшении энергии и об увеличении точности. А есть какой-то предел этой точности, которого можно достигнуть?
— Физики работают в основном со Стандартной моделью (СМ), которая описывает строение материи в нашей Вселенной, хотя и понимают, что она не полная. Например, LHC (Большой адронный коллайдер, — прим. Indicator.Ru)_ был построен, чтобы выйти за рамки этой модели, увидеть явления, которые в нее не вписываются, и соответственно расширить ее, сделать более красивой, более всеобъемлющей. СМ описывает не все явления, но, тем не менее, все, что мы сейчас можем получить на экспериментальных установках, она предсказывает. На LHC ожидали увидеть что-то новое, но ожидания не оправдались. Понятно, что следующий шаг, если не получилось так сразу – делать прецизионные эксперименты, искать редкие процессы. Но дело не только в точности: часто большую роль играет не только точность, но еще и интенсивность. Для физиков, конечно, чем больше интенсивность – тем лучше, однако предел упирается в технологии, существующие на данный момент.
— Если совсем упрощенно, верно ли будет сказать, что чем больше светимость, тем больше данных, и тем больше точность измерений?
— В принципе да, но тут есть нюансы. Например, чтобы получить процентную точность для полного сечения рождения резонанса J-ψ, высокая светимость не нужна, потому что он рождается достаточно часто. Есть еще эксперименты по поиску редких процессов: в них никакой точности не надо - если увидели, условно, пять событий, уже хорошо. Для таких процессов, конечно, нужна высокая интенсивность, и коллайдеры, как правило, ориентируются именно на них. В то же время, для получения высокой точности нужен особый подход. Такой подход был, например, реализован в нашем институте на коллайдере ВЭПП-4, где проводятся прецизионные измерения параметров ψ-мезонов. В этих измерениях основную роль играет точность определения энергии, понимание работы детектора и устройства установки, но никак не светимость.
— А зачем вообще нужна такая сверхвысокая точность измерений? Почему все к этому стремятся?
— Возьмем для примера аномальный магнитный момент мюона, который в основном определяется электромагнитным взаимодействием и частично – сильным, и вклад каждого взаимодействия можно посчитать. С помощью известной физики они рассчитываются до уровня 10-6. На уровне выше свой вклад уже может дать что-то новое, пока нам не известное. Грубо говоря, повышение точности – это повышение чувствительности к Новой физике. Это как повышение энергии на больших коллайдерах, которое позволяет рождать частицы со все большей и большей массой. Повышая точность, мы увеличиваем чувствительность к рождению виртуальных частиц все больших масс. Как поиск новых частиц на LHC, так и сверхточные измерения необходимы для понимания вкладов новых неизвестных взаимодействий.
— В Новосибирске активно разрабатывается проект нового электрон-позитронного коллайдера — Cупер С-тау фабрика. На установке ВЭПП-2000 два детектора, на LHC еще больше, а на будущей фабрике планируется только один, универсальный. Почему так? Если будет только один детектор, не потеряет ли коллайдер в эффективности?
— На каждой из B-фабрик, которые работали в Японии и в США, было по одному детектору. На итальянской φ-фабрике – тоже. Вообще, для электрон-позитронных машин стандарт – это один детектор. Но два детектора хороши тем, что это две разные команды: они по-разному анализируют данные и друг друга перепроверяют. На LHC два универсальных и, по большому счету, одинаковых детектора (ATLAS и CMS) работают как раз по такому принципу. В то же время, на LHC есть еще, например, LHCb и ALICE – это уже специализированные детекторы, каждый из которых заточен под определенные задачи.
C нашей Супер С-тау фабрикой ситуация другая: в той же области энергии (от двух до пяти ГэВ) сейчас работает китайская машина, пусть и с меньшей светимостью, но тем не менее. Кроме того, будет работать B-фабрика, и есть еще эксперимент LHCb. Oни довольно сильно пересекаются по физической программе с нашей установкой, поэтому взаимная проверка будет обеспечена.
— Зачем тогда строить у себя новую установку? Участия в различных коллаборациях недостаточно?
– На самом деле, во многих странах собственных установок нет – даже, например, в Германии, где свои электрон-позитронные коллайдеры работали много лет, на сегодняшний день нет ни одного. Великобритания – страна, известная своими физиками, также не имеет сейчас собственных ускорителей встречных пучков, а у итальянцев остался последний – DAFNE, который тоже скоро закроется. Все эти страны объединяются вокруг CERN, а также участвуют и в других экспериментах – в Китае или Японии, например.
— Получается, люди участвуют в коллаборациях и, грубо говоря, ни о чем не переживают
— Не то, чтобы совсем не переживают – они бы рады, конечно, работать на своих установках, но правительства их стран сочли, что такая система будет выгоднее. Ну и вообще говоря, для детекторной физики это, может быть, вполне разумный подход, ведь большой эксперимент требует большого коллектива ученых: в экспериментах CERN участвует по три тысячи человек, а в экспериментах на B-фабриках было задействовано по триста на каждом. Причем, на этих машинах получают очень много данных – даже большие коллективы не успевают все обработать. И на своей Супер С-тау фабрике мы тоже ничего не сможем сделать, если не привлечем ученых извне, поэтому уже сейчас мы создаем международную коллаборацию – множество специалистов по всему миру выразили желание к нам присоединиться.
При этом, если в плане развития детекторной физики такая «коллаборационная» тактика вполне оправдана, то с точки зрения ускорительной физики обязательно нужна школа. В странах, где перестают строить свои ускорители, такие школы исчезают. И это очень печально.
— То есть строить новые ускорители нужно, чтобы сохранить специалистов?
— Прежде всего, это нужно для развития науки: в мире обязательно должно быть несколько центров, которые готовят физиков. Конкуренция всегда важна: разные команды придумывают разные идеи, разные подходы, обмениваются ими… Развитие всегда предполагает несколько центров, а Новосибирск всегда был и остается таким центром, и утратить этот статус было бы очень нежелательно. Если мы сейчас все бросим и не будем строить свои установки, а станем только ездить в другие страны – тогда у нас задела хватит, может, еще лет на 20, а потом все постепенно сойдет на нет. И особенно ускорительная физика.
— Сколько времени в среднем тратят сотрудники на работу вовне и на собственные проекты? Как происходит такое разделение?
– Везде по-разному. Например, в одной из лабораторий (ИЯФ, - прим. Indicator.Ru) сотрудники большую часть времени работают на эксперименте Belle (KEK, Япония), а в работах ИЯФ СО РАН задействованы в меньшей степени, другие же наоборот – большую часть времени проводят здесь и суммарно только 30% времени в год тратят на работу вне института.
— После запуска Супер С-тау фабрики ученые ИЯФ СО РАН продолжат участвовать в этих международных проектах или больше сосредоточатся на своей установке?
— Конечно, продолжат, ведь это же обмен знаниями, идеями, технологиями. В свое время, я, например, участвовал в эксперименте ВаВаr (лаборатория SLAC, Стэнфорд, США), каждый год проводил там по несколько месяцев и, конечно, многому научился. Это было очень полезно: все, что удалось почерпнуть там, мы потом начали применять на нашем детекторе СНД на ВЭПП-2000. В свою очередь, американские специалисты чему-то научились от меня – такие поездки очень важны для науки, ну и, конечно, просто нельзя все время сосредотачиваться только на одной задаче.
— У ИЯФ есть опыт создания коллаборации на базе собственных коллайдеров?
— Попытки были, например, на детекторах КМД-2 (коллайдер ВЭПП-2М) и КМД-3 (коллайдер ВЭПП-2000) работали ученые из США и Италии, но в плане организации это, конечно, было очень непросто. Во-первых, мы ведь работаем – набираем данные – в основном зимой, но тяжелые сибирские зимы не все переносят хорошо. Во-вторых, для организации международной коллаборации нужна, конечно, хорошая инфраструктура: гостиницы, гестхаусы, специальные службы, которые работают с людьми. Когда приезжает человек, и его нужно где-то разместить – это уже целая задача, а если их приедет, например, сразу 200, как на будущую Супер С-тау фабрику, где специалистов ожидается несколько сотен? Инфраструктура – это очень важная часть, без нее вообще никак нельзя.
— Когда речь заходит о мега-проектах, очень сложно бывает объяснить публике, не связанной с наукой, зачем нужно тратить столько денег. Какие еще более осязаемые «плюшки» получит общество, помимо престижа и движения мировой науки вперед?
— Прикладные технологии в результате реализации мега-проектов также развиваются очень сильно. Один из примеров – позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), где используются те же самые кристаллы-сцинтилляторы (так называемые кристаллы BGO), которые установлены в наших калориметрах. Производством кристаллов, при активном участии ИЯФ СО РАН занимается Институт неорганической химии СО РАН. Для детекторов с большей интенсивностью, и для Супер С-тау фабрики в том числе, нужны более быстрые сцинтилляторы – кристаллы LSO, но точно такие же понадобятся и для ПЭТ, потому что в новом поколении этих томографов используются уже более быстрые кристаллы. Грубо говоря, если мы начнем делать такие кристаллы для себя, то сможем захватить и эту нишу для томографии, потому что сейчас в мире их умеют делать очень немногие.
— Как вы думаете, как будет развиваться физика частиц дальше? Будет ли построен гигантский коллайдер FCC? Или, может быть, от него откажутся, и по всему миру останутся только небольшие установки?
— Я думаю, что программа CERN по строительству FCC однозначно будет реализована в далеком будущем. Но и на ближайшие годы программа у нас уже есть: B-фабрика в Японии, эксперименты на LHC. Следующий шаг – это уже FCC и, возможно, аналогичная машина в Китае. Вкладом ИЯФ СО РАН может стать Супер С-тау фабрика. Это план на ближайшие 20 лет, в случае FCC – немного дальше, а уж что будет потом – пока и предположить сложно.