Денис Драгунский о мужестве
честно вглядеться в лица
своих предков

Все, кроме «хиггса»

Завтра завершает работу коллайдер Тэватрон, прославившийся открытием всех элементарных частиц Стандартной модели

Лектор: (none) 29.09.2011, 15:53
Коллайдер Тэватрон Wikimedia Commons
Коллайдер Тэватрон

30 сентября прекращает свою работу Тэватрон, бывший (до запуска Большого адронного коллайдера) крупнейший ускоритель элементарных частиц на Земле. Экспериментами на Тэватроне была завершена «таблица Менделеева» физики элементарных частиц — Стандартная модель. Об истории открытий рассказывает Дмитрий Денисов, руководитель коллаборации Тэватрона D0.

28 лет успеха
История Тэватрона началась в 1983 году, когда в США, в лаборатории имени Энрико Ферми в городке Батавия (штата Иллинойс) был построен мощнейший ускоритель. 1 октября 1983 года стартовала первая научная программа Тэватрона. Тогда он еще не был коллайдером — то есть ученые исследовали столкновение пучка частиц с неподвижной мишенью. Тогда на Тэватроне было пять экспериментов (то есть детекторов). Первый пучок частиц, пущенный в ускоритель, имел энергию 512 ГэВ, но уже в 1984 году энергия пучка была доведена до 800 ГэВ. В 1985 году Тэватрон перешел в режим коллайдера, то есть начал сталкивать между собой элементарные частицы — протоны и антипротоны. Для этого был смонтирован источник антипротонов.

Тэватрон стал первым ускорителем, энергия частиц в котором приближалась к гигантской величине в 1 ТэВ (отсюда и произошло его название). В момент постройки он стоил $129 млн (на сегодняшние деньги это уже $265 млн).

В том же 1986 году энергия пучка протонов была доведена до 900 ГэВ и были проведены первые столкновения частиц на суммарной энергии в 1,8 ТэВ, зарегистрированные экспериментом CDF. В 1992 году был введен в строй второй детектор, наблюдающий столкновения частиц, — D0. Энергия Тэватрона была увеличена в ходе самого значительного этапа модернизации ускорителя — строительства главного инжектора в 1994—1999 годах, стоившего $290 млн (сегодня — $369 млн).

В 1986 году Тэватрон был внесен в список десяти самых выдающихся инженерных достижений XX века.

Комплекс ускоритель Лаборатории им. Энрико Ферми//final.gov
Комплекс ускоритель Лаборатории им. Энрико Ферми//final.gov

Ускорение частиц в Тэватроне проходит в несколько стадий. Первая стадия — это «предускоритель» Кокрофта — Уолтона, имеющий энергию 750 кэВ. В нем газообразный водород ионизируется, и созданные анионы разгоняются в положительном поле. Затем ионы проходят через 150-метровый линейный ускоритель, который использует переменное электрическое поле для разгона ионов до 400 МэВ. Затем ионы проходят через графитовую мишень, очищаясь от электронов. «Голые» протоны оказываются в так называемом бустере.

Бустер — это кольцевой ускоритель. Протоны пролетают около 20 000 кругов в этом ускорителе и приобретают энергию около 8 ГэВ. Из бустера частицы поступают в главный инжектор, выполняющий несколько задач. Он ускоряет протоны до энергии 150 ГэВ, производит протоны энергии 120 ГэВ для рождения антипротонов и ускоряет антипротоны также до 150 ГэВ. Последняя его задача — инжекция протонов и антипротонов в главное ускорительное кольцо Тэватрона. Антипротоны рождаются в так называемом антипротонном источнике, где протоны энергии 120 ГэВ бомбардируют неподвижную никелевую мишень. В результате рождается огромное число частиц разных типов, включая антипротоны, которые накапливаются и охлаждаются в накопительном кольце. Затем антипротоны инжектируются в главный инжектор для ускорения.

Тэватрон ускоряет протоны и антипротоны до энергии 980 ГэВ и сталкивает их между собой (поэтому он и является коллайдером).

Чтобы удержать частицы в канале ускорителя, используется 774 ниобиево-титановых сверхпроводящих дипольных магнитов, охлажденных до температуры жидкого гелия.

Магниты создают магнитное поле напряженностью 4,2 Тесла. Для фокусировки пучка используются еще 240 квадрупольных магнитов. Протоны и антипротоны ускоряются в противоположных направлениях и пересекаются в двух точках, там, где в туннеле Тэватрона установлены два независимых различных по конструкции детектора — CDF и D0. На них работают две коллаборации, анализирующие данные.

Изначально светимость Тэватрона (величина, характеризующая число взаимодействий между протонами и антипротонами) составляла 1030 см−2 с−1, в процессе модернизации она была увеличена до 3x1032 см−2 с−1.

Сенсоры на подземных магнитах Тэватрона способны регистрировать самые незначительные сейсмические колебания, вызванные землетрясениями, произошедшими за тысячи километров от Батавии.

Тэватрон регистрировал пики колебаний, последовавшие за землетрясением 2004 года в Индийском океане, вызвавшем разрушительные цунами, землетрясением 2005 года на Суматре, землетрясениями 2010 года на Гаити и в Чили.

Дописать «таблицу Менделеева»

Важнейшая заслуга экспериментов коллайдера Тэватрон — это открытие последних частиц, предсказанных современной теорией физики элементарных частиц — Стандартной моделью.

В 1995 году коллаборации CDF и D0 выступили с совместным заявлением об открытии топ-кварка — самой тяжелой элементарной частицы и последнего кварка, предсказываемого Стандартной моделью.

К 2007 году масса топ-кварка была измерена с точностью до 1%; были изучены более 20 различных характеристик этой загадочной частицы.

В 1996 году был открыт Bc-мезон — последний недостающий «кирпичик» в парах «кварк — антикварк» Стандартной модели.

В 2000 году эксперимент DONuT сообщил о первом прямом наблюдении тау-нейтрино, последнего из трех типов нейтрино, предсказанных Стандартной моделью. Таким образом, «периодическая система» элементарных частиц была завершена на Тэватроне, это важнейшая заслуга научного коллектива ускорителя.

В 2006 году коллаборация CDF провела первые прецизионные измерения осцилляций в системе Bs-мезонов и показала, что переходы «материя — антиматерия» в этой паре частиц происходят с фантастически высокой частотой — 3 трлн раз в секунду. Это измерение показало, что существование частиц с массой выше, чем у топ-кварка, маловероятно, что впоследствии было подтверждено экспериментами на Большом адронном коллайдере.

В 2007 году D0 и CDF сообщили о наблюдении Ξ-b-бариона — уникального тяжелого бариона, родственника протона и нейтрона, состоящего из кварков всех трех поколений. В 2008 годy эксперимент D0 сообщил о наблюдении Ω-b — «двойного странного» омега-бариона. В мае 2009 года коллаборация CDF опубликовала данные о поиске Ω-b и показалa, что его масса (6,054.4±6,8 МэВ/c2 ) полностью соответствует предсказываемой Стандартной моделью.

С конца 2000-х годов на Тэватроне ведутся работы по поиску бозона Хиггса. Эта фундаментальная частица является, как предполагается, возбуждением «поля Хиггса», ответственного за существование массы у всех элементарных частиц. Поиск бозона Хиггса является одной из основных физических задач Тэватрона в течение последних трех лет.

В результате наших работ исключен диапазон масс 156—176 ГэВ, предполагаемая масса «божественной частицы» — 115—185 ГэВ.

Поиск бозона Хиггса активно продолжается на Тэватроне, особенно в области масс около 115 ГэВ, где его существование наиболее вероятно.

Русский след
В создании ускорителя Тэватрона в прямом смысле этого слова российские ученые вовлечены не были, так в то время как у нас была своя школа — в Новосибирске, Серпухове и Дубне. Тогда, в начале 80-х годов, началось строительство ускорительно-накопительного комплекса (УНК) в Протвино, и все ученые этим были заняты. Но поскольку строительство УНК началось, то были необходимы отечественные кадры, которые имели опыт работы на аналогичных установках. Так я сам и ряд моих коллег попали на Тэватрон. Это было серьезное и правильное решение, что ведущие центры, включая Протвино, приняли участие в экспериментах в Фермилабе на ускорителе, который тоже в то время только запускался — в 1985—1987 годах. Я хорошо помню, что с политической точки зрения тогда не все было просто.

Уже когда была достигнута договоренность о работе, началось притеснение Сахарова, и американцы отказались от участия советских ученых. И только после начала перестройки активное сотрудничество продолжилось.

В Протвино мы создавали мюонные детекторы, их же мы сделали и для детектора D0. В России были созданы части детектора, в конце 80-х их привезли в США, смонтировали и запустили. Все шло по плану, мы поработали, получили опыт, но пришел 1991 год, распался СССР, финансирование упало, однако наша группа — около 20 человек — отстояла свою программу. В течение 90-х годов все шло довольно хорошо, мы продолжали работать, участвовали во всех работах, открытиях. После 1992 года к группе Института физики высоких энергий на Тэватроне стали присоединяться другие группы из России — уже было создано хорошее реноме советских физиков. В средине 90-х годов в связи с планами по модернизации D0 к работе подключились МГУ, ОИЯИ, Гатчина, ИТЭФ, и все эти группы стали принимать активное участие. В это время участие российских физиков составило до 10% коллаборации (сначала это были лишь несколько процентов). И к 2001 году, когда Тэватрон во второй раз начал работу после модернизации, группы российских физиков отвечали почти за все элементы установки, то есть вклад был заметно больше, чем при первом пуске.

С тех пор, конечно, российские физики — около 60—70 человек — принимали участие во всех областях жизни эксперимента, включая участие в сменах и поддержку аппаратуры, большая часть которой была создана в России, собрана в России и привезена в Фермилаб — это часть установки размером с четырехэтажный дом. Российские физики принимали участие в развитии алгоритмов, которые нужны для анализа данных, а также в интерпретации данных и публикации статей.

Вначале мы входили в Тэватрон как участники со стороны той или иной российской группы.

Во втором сеансе Тэватрона (после масштабной модернизации) оказалось очень много российских физиков «из-за рубежа», представлявших американские и европейские исследовательские группы.

Хотя основное ядро из России существует, в эксперименте D0 работают около 30—40 человек, которые получили образование и опыт в России, но сейчас работают в немецких, французских, английских или американских вузах. И здесь нужно отдать должное нашему образованию, которое позволяет растить талантливых ученых.

Что дальше?
Коллаборации Тэватрона не завершают свою работу: анализ и обработка собранных данных займут еще несколько лет. Более того,

возможно, главные открытия ускорителя увидят свет уже после официального выключения Тэватрона.

Главное кольцо Тэватрона, возможно, будет перестроено для новых экспериментов, а компоненты оборудования будут переданы в другие лаборатории с ускорителями элементарных частиц.