Ученые ФИАН играют важную роль в эксперименте Belle II, который проводится на электрон-позитронном коллайдере SuperKEKB. О том, какие проблемы стоят перед современной физикой элементарных частиц, как устроен эксперимент и каких открытий можно ожидать в ближайшем будущем, рассказал доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник лаборатории тяжелых кварков и лептонов ФИАН Павел Николаевич Пахлов.

     Физика элементарных частиц изучает, как устроена материя на самом глубинном уровне – сейчас наука имеет возможность исследовать законы физики на масштабах одной тысячной размера протона. Ученые, работающие в этой области, пытаются выяснить, из каких «кирпичиков» складывается окружающий нас мир, и какими силами они друг к другу притягиваются. Роль «кирпичиков» играют разнообразные частицы, такие как электроны и кварки, а силы – это фундаментальные взаимодействия четырех типов. Самым первым из них была обнаружена гравитация, и по иронии судьбы сейчас именно ее ученые понимают хуже всего.

    Другие три взаимодействия удалось описать единым образом, и все они участвуют в формировании материи. Электромагнетизм собирает из заряженных частиц (ядер и электронов) атомы и отвечает за всю химию. Ядра, в свою очередь, формируются так называемым сильным взаимодействием, которое также ответственно за удержание в протонах и нейтронах еще более маленьких частиц, кварков. Последнее взаимодействие – слабое – долгое время казалось ненужным, однако в тридцатые годы прошлого столетия выяснилось, что именно благодаря ему существуют термоядерный синтез, отвечающий за горение звезд и обеспечивающий нас энергией.

    Объединение электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий на основе калибровочного принципа произошло в шестидесятых годах двадцатого века. Ученым удалось создать достаточно красивую модель, названную Стандартной. Она хорошо описывала все известные на тот момент частицы, и более того, сумела предсказать обнаружение новых. В 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК) после многолетних поисков была обнаружена последняя частица Стандартной модели – бозон Хиггса.

    Несмотря на все успехи и достоинства этой теории, физики имели к Стандартной модели претензии еще с момента ее создания. Первым ее недостатком считается то обстоятельство, что она искусственно подстроена под описание экспериментальных данных, а не выведена исходя из какого-то фундаментального первого принципа. Следующее слабое место проявилось при попытке использовать Стандартную модель для описания Вселенной, причем не только ее нынешнего вида, но и эволюции. Астрофизика и космология требуют новых ингредиентов, таких как взаимодействия, нарушающие барионное число, или частиц, ответственных за быстрое раннее расширение (инфляцию), не заложенных в Стандартную модель. Но, возможно, это проблемы космологии, а не теории частиц? Однако в девяностые годы оказалось, что существует такой таинственный объект как темная материя. При расчете масс галактик для описания движения звезд выяснилось, что должно существовать огромное количество материи, которая является невидимой, а значит, не участвует в электромагнитном взаимодействии и не описывается Стандартной моделью. Наконец, третья претензия – техническая: при расчетах на больших масштабах энергии взаимодействий в модели появляются противоречия. Сегодня физики ставят перед собой задачу построить новую теорию, лишенную недостатков Стандартной модели, однако пока что сложно даже наметить ее контуры.

    «Сейчас в нашей области физики наступает кризис (а в науке это прекрасно, это заставляет людей больше думать, позволяет совершить прорыв): почти все эксперименты удовлетворительно описываются неудовлетворительной теорией. Но мы уже подошли к той черте, за которой Стандартная модель должна сломаться. Поэтому существует уверенность, что скоро мы найдем что-то, что укажет, в каком направлении должна двигаться теория», – объясняет Павел Николаевич.

    Существует два возможных направления развития экспериментальных исследований. Одно из них – увеличение энергии в экспериментах по столкновению частиц. Создание Большого адронного коллайдера позволило в несколько раз поднять энергетическую планку. Хотя исследования на БАК ведутся уже более десяти лет, ученым пока не удалось обнаружить никаких отклонений от Стандартной модели. Увеличить энергию в существующей конфигурации почти невозможно, поэтому в настоящий момент идут работы по поднятию светимости (количества соударений частиц в секунду), что позволит увеличить вероятность обнаружения каких-то редких событий.

    Второе направление – поиск редких явлений при относительно невысоких энергиях взаимодействия. Демонстрировать отклонение от предсказаний Стандартной модели могут и довольно легкие частицы. Примером может служить аномальный магнитный момента мюона, масса которого в десять раз меньше массы протона, но который чувствует существование частиц тяжелее протона в сотни и даже тысячи раз. Другие интересные частицы, изучением которых как раз и занимается группа Павла Николаевича, – B-мезоны. В них содержится тяжелый b-кварк, аналогичный d-кваркам – составным частям протонов и нейтронов, но имеющий гораздо большую массу и быстро распадающийся. Интерес к этим частицам Павел Николаевич объясняет так:

    «Тяжелые кварки "знают" все физические законы, в том числе и то, что происходит при больших энергиях. За время до распада B-мезоны успевают "вспомнить" всю физику от начальных классов до неизвестных ученым закономерностей, и изучая такие распады, мы как бы "допрашиваем" частицы о том, как устроена физика, причем и на энергиях пока для нас недостижимых. Чем тяжелее частица, тем ближе ей эта интересующая нас шкала высоких энергий».

    Рождаются B-мезоны парами при столкновениях электронов и позитронов. За время жизни, составляющее несколько пикосекунд, они успевают пролететь расстояние порядка сотни микрон, а затем за счет слабого взаимодействия происходит распад. Напрямую B-мезоны обнаружить нельзя, регистрируются только продукты их распада. Получившиеся частицы также нестабильны и распадаются на еще более легкие. Задача физиков – по результатам измерений восстановить всю цепочку распадов, рассчитать ее свойства и сверить с моделью. Если в результате обнаружат расхождение с теорией, то это и будет свидетельствовать об отклонении от Стандартной модели.

 
На мезонной фабрике SuperKEKB (изображение с 24hitech.ru)

    Эксперимент Belle II, в котором принимают участие ученые ФИАН, проводится на ускорителе, расположенном в японском городе Цукуба. На протяжении двадцатого века Япония имела сильную школу теоретической физики, однако в области больших экспериментов традиционно соревновались между собой США и Европа (иногда СССР). В восьмидесятые годы Япония включилась в эту гонку, построив первый крупный ускоритель. Эксперименты на нем оказались неудачными, однако позднее в этом же тоннеле была построена B-фабрика (KEKB), называемая так за большое количество рождаемых в столкновениях B-мезонов. Она проработала более 10 лет и дала множество важных, интересных и подчас неожиданных результатов. Два года назад был официально запущен ускоритель следующего поколения – SuperKEKB, который позволит увеличить количество рождаемых B-мезонов на два порядка. Этот ускоритель гораздо скромнее Большого адронного коллайдера, как по размерам (подземное кольцо диаметром 4 км), так и по масштабам денежных вложений. Однако его преимущество – огромное число сталкивающихся электронов и позитронов. При наличии большого числа частиц основной проблемой является их удержание: необходимо провести частицу, не теряя, по кольцу тысячи раз, при этом пучки удерживаются с точностью в нескольких нанометров. Успешно решить задачу удалось за счет продвинутой магнитооптической системы, а рекордная светимость была достигнута сильным сжатием пучков в точке взаимодействия.

    Помимо ускорителя успех эксперимента определяется детектором. Уже сейчас ясно, что сконструированный детектор, в создании которого активное участие принимали ученые ФИАН, получился удачным. Детектор представляет собой «сэндвич» из под-детекторов, каждый из которых предназначен для решения конкретной задачи. Около точки взаимодействия расположены вершинные детекторы размером всего около 10 сантиметров из кремниевых пластинок, которые измеряют трек частиц с точностью до десятков микрон; данные с них считываются десятками тысяч электронных каналов. Чуть дальше расположена дрейфовая камера, которая реконструирует треки продуктов распада B-мезонов. По изгибу трека в магнитном поле измеряется импульс частицы, а для определения типа частицы используется черенковский детектор, принцип действия которого был разработан в ФИАН в середине прошлого века. Следующей частью детектора является калориметр, регистрирующий фотоны. Наконец, на наибольшем удалении от зоны взаимодействия стоит созданная нашими учеными мюонная система. Мюоны мало взаимодействуют с веществом, поэтому пролетают дальше других частиц и попадают в сцинтиллятор – вещество, излучающее свет при прохождении сквозь него частиц. Эта система состоит из большого количества слоев и является самой большой по объёму и весу – суммарно она покрывает площадь более тысячи квадратных метров. Сцинтилляционный пластик, используемый в системе, был произведен в России по особой технологии, позволяющей очень эффективно собирать сцинтилляционный свет.

Схема детектора эксперимента Belle II (изображение с www.kek.jp)

    Российские физики из ФИАН регулярно бывают в Японии: они не только обрабатывают экспериментальные данные и обсуждают результаты, но и следят за правильной работой детектора. Работа ускорителя обходится очень дорого (потребляемая им мощность сравнима с мощностью целой электростанции), поэтому нельзя, чтобы ускоритель работал вхолостую, детектор должен функционировать и записывать интересные события постоянно. За секунду происходит около миллиарда столкновений, большинство из которых неинтересные, поэтому электроника детектора должна очень быстро принимать решение – сохранить считываемое событие или нет (записывать все подряд просто физически невозможно). Электроника работает на пределе возможностей, и часто возникают сбои, так что ученым приходится перезагружать систему или останавливать ее для ремонтных работ.

     В данный момент идет процесс настройки детектора и плавного увеличения светимости. Павел Николаевич оптимистично смотрит в будущее:

    «Пока в нашем эксперименте только начался набор данных, почти никаких результатов еще нет, и мы можем говорить только о планах. Предвкушение получения новых, никем пока не исследованных данных – самое интересное время для ученых, особенно для молодых. Обычно кажется, что если в какой-то области произошло открытие, то это очень интересная область. Но ведь открытие уже сделано, значит, скорее всего, дальше все будет скучно. А у нас уже очевидно, что ускоритель и детектор работают, значит скоро нас ожидает целый поток новых данных. Велики шансы, что в ближайшие лет пять будет открыто что-то, указывающее направление развития физики элементарных частиц на следующие десятилетия».

К. Кудеяров, ФИАН