Физика элементарных частиц — в мире, в ИЯФ, на кафедре ФЭЧ С. И. Середняков (Институт ядерной физики СО РАН) 29 апреля 2003 г.

1.	Введение
2.	Достижения последних лет
3.	ВЭПП-2М, КЕДР
4.	Вопросы

Некоторые достижения последних лет.

Число поколений равняется 3. Этот результат важнейший, он будет ещё длительное время оставаться главным. Другим важным результатом является обнаружение t-кварка, потому что он является последним недостающим звеном Стандартной модели. Теорию элементарных частиц иногда называют Стандартной моделью. Это теория — физика элементарных частиц в современном понимании.

Далее о нейтринных результатах. В последние годы был обнаружен дефицит атмосферных нейтрино. Земля подвергается бомбардировке космических лучей высоких энергий и естественно этот пучок состоит из стабильных частиц, прежде всего протонов и когда они входят в атмосферу, они рождают ядерные ливни, которые содержат огромное количество частиц, которые начинают распадаться, во что им предписано распадаться (Рис.4).

	Рис. 4.  а) Взаимодействие космических частиц с Землей б) Полярная асиметрия счета в нейтринном детекторе

В частности, образуется нейтрино, которые имеют замечательную способность: они взаимодействуют очень слабо, но взаимодействие всё-таки не равно нулю. Если рассмотреть детектор, который расположен в старой шахте внутри Земли, где добывали раньше золото, и всё вытащили, пришли физики и установили свои детекторы. Всё первичное космическое излучение поглощается. Если грунт содержит известняк, в нем, как правило, нет радиоактивного фона.

Мы видим две гистограммы, одна из них — это расчетная кривая, сколько должно быть нейтрино, если у нас все нормально — если нейтрино, которые летят из-под Земли, никуда не исчезают (Рис.4). А эксперимент показывает картину совершенно обратную, вы видите, что из-под Земли почему-то нейтрино исчезают. Это исчезновение объясняется как эффект, когда нейтрино мюонное переходит в другие типы частиц, пока неизвестно, какие. То есть, мы имеем по крайней мере, отклонение от Стандартной модели, так как в ней такие сценарии не предусмотрены.

Несколько слов о таком свойстве элементарных частиц, как тождественность. Все элементарные частицы каждого типа абсолютно одинаковы. В этом смысле мир ФЭЧ отличается от нашего обыденного мира. Например, если взять кирпичный завод, который делает кирпичи, то кирпичи отличаются друг от друга, хотя и очень похожи. Другой случай: монеты, отчеканенные на монетной фабрике, почти одинаковые, но с микроскопом можно установить, что и они отличаются. А вот элементарные частицы — абсолютно тождественны. Этот факт — свойство микромира. Это не так в более крупных образованиях. Если взять какой-то сложный атом, в нем ядро может быть чуть-чуть возбуждено, в атоме много уровней, и когда сравниваешь два атома, никакой уверенности, что у них совпадают все уровни, нет. Если другой уровень, то уже другая масса, другая частица. Тождественность в атомной и молекулярной физике не является такой абсолютной. А вот в ФЭЧ это — важнейшее свойство.

Другое свойство — это виртуальные частицы. С ними всегда приходится иметь дело. Простейшая из них — фотон. Свободные фотоны, которые дают свет и летают по нашей аудитории, как известно, имеют нулевую массу. Однако те же самые фотоны определяют и взаимодействие частиц. Мы имеем электрон с позитроном, которые налетают друг на друга, сталкиваются и рассеиваются, и их взаимодействие определяется обменом виртуальным фотоном (Рис.2). Этот фотон, который излучается одной частицей и поглощается другой, уже имеет массу. Правда, квадрат массы отрицательный. Если стандартное определение массы в теории относительности E² — p², то здесь квадрат массы отрицательный. Другой случай — когда электрон с позитроном аннигилируют, и получается виртуальный фотон с положительным квадратом массы. Оказывается, любая частица может быть виртуальной. Она может иметь квадрат массы положительный и отрицательный. Виртуальные частицы играют важнейшую роль в ФЭЧ. Их иногда называют пропагаторами. Взаимодействие частиц друг с другом определяется тем, что в нем участвуют виртуальные частицы. Это могут быть переносчики взаимодействия, но это могут быть и сами лептоны и кварки. Они тоже могут быть переносчиками взаимодействия, тут довольно широкие возможности.

Наконец, частицы и резонансы. Есть элементарные частицы и есть резонансы. Это относится в большей степени к частицам, которые называются мезонами, которые, как правило, имеют очень маленькое время жизни, и по квантовой механике у них разброс по массе большой. И каждый раз, когда вы будете измерять массу, будет получаться измененное значение (в пределах ширины резонанса). Но в целом распределение по массе имеет определённое среднее значение.

Я теперь перейду к физике в нашем Институте ядерной физики, куда вы придёте на практику. В 1963-67 годах проходили первые в мире эксперименты на встречных пучках (Рис.5),

и электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-2, первый в мире, был создан у нас в Новосибирске. Сегодня в институте сооружается коллайдер, который называется ВЭПП-2000 (Рис.6), его энергия небольшая,

	Рис. 6. Схема ускорительного комплекса ВЭПП-2000. Коллайдер с двумя детекторами СНД и КМД-2М показаны в правой части рисунка

от 0.4 до 2 ГэВ. В этой области масс и энергий есть много интересных задач. Другой важный проект — коллайдер ВЭПП-4М. Для обоих коллайдеров в ИЯФ существуют детекторы КЕДР, КМД-3, СНД (Рис.7,8).

	Рис. 7. Детектор КМД-2М: вид вдоль направления пучков; 1 — вакуумная камера, 2 — дрейфовые камеры, 3 — BGO калориметр, 4 — Z-камера, 5 — сверхпроводящий соленоид, 6 — LXe калориметр, 7 — CsI калориметр, 8 — ядро магнита, 9 — сверхпроводящие фокусирующие соленоиды

	Рис. 8. Детектор СНД: вид в плоскости поперек направления пучков; 1 — вакуумная камера, 2 — дрейфовые камеры, 3 — аэрогелевые черенковские счетчики, 4 — NaI(Tl) счетчики, 5 — фототриоды, 6 — железный поглотитель, 7 — стриммерные трубки, 8 — сцинтилляционные счетчики

Далее о некоторых достижениях последних лет в ИЯФ.. Один из примеров и уже показывал, это обнаружение зависимости сечения рождения от энергии, которое позволило сделать вывод о кварковой структуре адронов. На ВЭПП-4М был наблюден интересный процесс — это рассеяние света на свете. Реально речь идет не о свете, а о g-квантах высокой энергии, с энергией в сотни МэВ. В электродинамике известен принцип суперпозиции, поля, волны проходят друг сквозь друга, не останавливаясь, не видя друг друга. А вот в КЭД они друг друга видят. Когда два фотона находятся вблизи, могут рождаться виртуальные электрон-позитронные пары. И на компонентах этих пар происходит рассеяние фотонов. Этот эффект очень подавленный, в классической электродинамике он запрещен полностью, а в КЭД он разрешен. Удивительно, что его никто не видел до сих пор, и вот он обнаружен у нас ВЭПП-4. Это было примерно 10 лет назад.

ИЯФ имеет широкую программу сотрудничества с ведущими зарубежными центрами, например, с лабораторией SLAC — Stanford Linear Accelerator Center, в Калифорнии. Здесь находится B-мезонная фабрика, детектор BaBar. Вторая — лаборатория KEK в Японии вблизи Токио, также электрон-позитронный коллайдер. И CERN, Женева, где физики участвуют в подготовке эксперимента на детекторах ALTAS, LHCb.

Картинки: ВЭПП-2000 (Рис.6). Схема комплекса: коллайдер ВЭПП-2000, два детектора. Наша кафедра ФЭЧ — обычно физики-детекторщики. Это означает, что те, кто придет, будут делать аппаратуру, детекторы для регистрации элементарных частиц и для поиска новых явлений, относящихся к ФЭЧ. Детектор КМД (Рис.7) и детектор СНД (Рис.8). Здесь фотография зала, там находятся магниты. Здесь указано место для КМД-3 и СНД, двух основных детекторов.

Показаны картинки детекторов КМД-3 и СНД. В центре электроны и позитроны, сталкиваются в этой точке. Само кольцо имеет размер примерно с этот зал. Электроны и позитроны вращаются в магнитном поле коллайдера практически со скоростью света. Энергия превышает массу в тысячи раз. Сам пучок электронов имеет вертикальный размер 0,05 мм, радиальный размер — 0,5 мм. Длина пучка — три сантиметра. Плотность такая, что в этом объеме находятся 10¹¹ частиц. Пучок виден благодаря синхротронному излучению (СИ). Пучок измеряется и определяется его форма. Вы его видите на экране телевизора. Я не советую смотреть простым глазом. Обычно наблюдают с экрана монитора, а напрямую никто этого не делает. Пучки, содержащие 10¹¹ частиц в каждом сгустке, проходят друг через друга и вращаются со скоростью света. Количество столкновений составляет приблизительно 20 миллионов раз в секунду. В основном электроны и позитроны в большинстве случаев проходят друг через друга, практически без результата, но достаточно редко, может быть, раз в минуту или раз в час, раз в сутки происходят действительно редкие и наиболее интересные события, когда рождаются мезоны или другие частицы, которые нас интересуют. Наша задача — сделать детектор, который бы видел и распознавал все интесующие нас события. Прибор для измерения треков называется дрейфовой камерой, в ней находятся несколько тысяч проволочек, на проволочки подается высокое напряжение, камера наполнена газом. Частицы проходят через газ, газ ионизуется. Вблизи той проволочки, где прошла частица, возникает электрический импульс, и по номеру проволочки вы определяете координату частицы. Поскольку проволочек очень много, набор сработавших проволочек образуют трек, и по ним вы определяете треки частиц. По кривизне трека — импульс. Остальные системы — калориметры, черенковские счетчики, служат для уточнения сорта частиц.

А. С. Золкин: Сергей Иванович, можно ли сказать, что детектор использует физику газового разряда?

С. И. Середняков: Тот, который дрейфовая камера, в некотором смысле — да.

Другой детектор для ВЭПП-2000 называется СНД — Сферический Нейтральный Детектор (Рис.8). Здесь также в центре находятся координатно-трековая газовая система, на проволочки подается высокое напряжение, газ — аргон. В принципе, используются и другие газы. Здесь находится система калориметров и система идентификации мюонов. Это сложные и дорогие приборы, их сооружают десятки физиков в течение длительного времени. Зато потом они долго используются и производят такое количество информации, что с каждого детектора публикуется десятки и сотни статей по ФЭЧ. Работа достаточно крупномасштабная.

Здесь есть фотография уже собранного детектора СНД (Рис.9), вид сверху. Видны эти полусферы

	Рис. 9. Фотография детектора СНД

с кристаллами, а здесь — точка столкновения. Электроны летят с этой стороны, позитроны — навстречу. Внутри вакуумной камеры происходит столкновение. Рождаются частицы высоких энергий, сотни МэВ, поэтому они проходят сквозь вещество очень легко. Пробеги в твердом веществе исчисляются метрами, поэтому всякие фольги и прочее вещество для них прозрачно. Они, правда, оставляют маленькую часть своей энергии на ионизацию. Люди, которые делают детектор, должны изучить, как элементарные частицы разного типа проходят через вещество и как нужно построить систему, чтобы можно было распознавать все частицы.