Сотрудники Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) представили последние наработки по проекту электрон-позитронного коллайдера Супер С-Тау фабрика на международном рабочем совещании, посвященном будущим электрон-позитронным коллайдерам в области энергий рождения с-кварков и тау-лептонов.
Совещание прошло в онлайн-формате на площадке Научно-технического университета Китая. Ранее аналогичные встречи проводились в Орсе (Франция) в 2018 году и в Москве (Россия) в 2019 году.
В настоящий момент существует два проекта электрон-позитронных коллайдеров. Один из них развивается в Китае (Хэфэй), второй – в России (Новосибирск). Основная цель экспериментов на этих установках класса мегасайенс – изучение частиц, содержащих очарованные кварки; изучение тау-лептонов; поиск новых физических эффектов, не описываемых Стандартной моделью. На совещании обсуждался ряд проблем, решение которых принципиально для реализации проектов.
«Уникальность научной программы обоих проектов очевидна, – комментирует профессор Научно-технического университета Китая Хайпин Пенг. – Обе установки внесут значительный вклад в исследование квантовой хромодинамики, физики кварков, тау-лептонов и CP-нарушения, в также в поиск Новой физики за пределами Стандартной модели. У проектов много общего – в научной программе, в физике ускорителей, а именно, в решениях, направленных на обеспечение высокой светимости в области встречи пучков, в методах поляризации пучков частиц, в технологии создания ВЧ-резонаторов, прецизионных и сильных магнитов. При этом проекты различаются некоторыми подходами и акцентами, например, предполагается, что установки будут иметь разный диапазон энергий в системе центра масс, различные решения в детекторных технологиях».
Китайский проект электрон-позитронного коллайдера находится в настоящий момент в стадии развития. Прежде чем вступить в фазу реализации, проект крупной установки в Китае должен пройти несколько этапов.
Как отметил профессор Пенг, к таким этапам относится поддержка научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по ключевым технологиям установки, которая в случае проекта нового коллайдера частично финансировалась Научно-техническим университетом Китая, Китайской академией наук и Национальным фондом естественных наук Китая.
«Далее мы планируем искать поддержку со стороны Министерства науки и технологий КНР и местного правительства. Следующим этапом станет выбор места строительства установки, обсуждение деталей с местным правительством, далее – поддержка специальной комиссии Центрального Правительства и местных органов власти уже на этапе строительства», – прокомментировал профессор Пенг.
Российский проект Супер С-тау фабрики находится в финальной стадии разработки. В 2011 г. правительственная комиссия отобрала шесть проектов класса мегасайенс для реализации на территории РФ, среди которых был коллайдер Супер С-тау фабрика. В 2017 г. проект Супер С-тау фабрики был включен в План реализации Стратегии научно-технологического развития России, а в 2018 г. вошел в число проектов, планируемых к реализации в рамках программы развития Новосибирского научного центра СО РАН «Академгородок 2.0».
«Тот факт, что Китай и Россия проявили интерес к созданию похожих установок, – отметил Микаэль Дюрен, профессор Гиссенского университета имени Юстуса Либиха, – только подчеркивает важность проектов. Не думаю, что в конце получатся две одинаковые машины. Я вижу два варианта: либо богатая научная программа этих проектов будет изучаться с помощью двух коллайдеров, где каждый эксперимент фокусируется на определенных задачах, либо будет реализован один проект «супер-машины», и все работы будут вестись на ней. С научной точки зрения большое значение для проекта имеет многолетний опыт Новосибирска в области поляризации пучков. В 1990-х, когда я был моложе, я работал над поляризацией электронной машины HERA, и большая часть того, что мы делали для этой установки, была основана на расчетах и идеях, взятых из старых статей, написанных специалистами из Новосибирска».
На совещании обсуждалась физическая программа проектов, детекторные и ускорительные технологии. По всем трем направлениям у обоих проектов наблюдается значительный прогресс.
Что касается новосибирского коллайдера, в данный момент продолжается оптимизация магнитной структуры, проводится детальное моделирование, тщательно изучаются эффекты, ограничивающие светимость и время жизни пучка, нелинейные эффекты. Развитие детекторной части новосибирского проекта происходит не только силами сотрудников ИЯФ СО РАН, но также поддерживается программой Cremlin Plus, в рамках которой ИЯФ СО РАН со своими зарубежными партнерами работают над созданием прототипов ключевых подсистем детектора: внутреннего трекера, дрейфовой камеры и системы идентификации заряженных частиц.
«Физическая программа проекта Супер С-тау фабрика проработана достаточно хорошо, –прокомментировал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Виталий Воробьев, – однако ее актуализация и детализация – это непрерывная работа, в частности, потому, что на протяжении развития проекта возникают новые идеи. На совещании детально обсуждались возможности экспериментальной программы с поляризованным пучком электронов. Показано, что поляризация позволяет в несколько раз улучшить точность измерения различных формфакторов и CP-нарушающих величин, связанных с тау-лептоном и барионами. Кроме того, поляризация позволяет выполнить прецизионное измерение угла Вайнберга – одного из фундаментальных параметров Стандартной модели – на Супер С-тау фабрике. Эти эксперименты позволят искать эффекты за пределами Стандартной модели».
Еще одной темой для обсуждения стала монохроматизация пучков частиц.
«Одной из важных характеристик коллайдера, – пояснил главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, заведующий лабораторией Междисциплинарного центра физики элементарных частиц и астрофизики НГУ, доктор физико-математических наук Семен Эйдельман, – является монохроматизация, то есть уменьшение энергетического разброса частиц при столкновении. Энергия, которую имеют электроны и позитроны при столкновении, определяется величиной магнитного поля и размером кольца коллайдера. Размер кольца известен заранее, и когда мы задаем магнитное поле, мы тем самым определяем энергию частиц в пучке. Но это «расчетная» энергия, в реальном эксперименте при столкновении пучков частиц различные эффекты приводят к тому, что энергия пучков немного отличается от расчетной. Точность, которую удается достичь без потери светимости, составляет примерно 10-3. При этом энергия столкновения двух пучков особенно важна, если мы хотим изучать узкое состояние, иначе мы не попадем в пик. В этом случае сечение, то есть вероятность взаимодействия электрона и позитрона, будет уменьшаться, а вместе с ним и количество событий распада узкого резонансного состояния. Поэтому любые идеи, направленные на задание энергии пучков во время столкновения максимально точно и без сильного уменьшения светимости, крайне важны для эксперимента».
В ИЯФ СО РАН эффективный метод монохроматизации ранее был предложен академиком Александром Николаевичем Скринским и его командой, сейчас эти идеи дополняются и развиваются.
Последний день участники посвятили обсуждению возможной синергии между двумя проектами.
«Оба проекта по своей сути – международные, – пояснил Виталий Воробьев, – поэтому очень важно вовлекать в работу над ними зарубежных коллег. Интерес к экспериментам на Супер С-тау фабриках был отмечен при обсуждении обновления Европейской стратегии по физике частиц (инициирована ЦЕРН) и зафиксирован в резюмирующем документе. Для наших проектов это еще одно свидетельство актуальности научных задач, которые будут решаться на наших установках».
Схема С-тау