Рождение антиматерии

Interfax-Russia.ru – Новосибирский коллайдер достиг максимальной проектной энергии, необходимой для рождения частиц антиматерии, которые несут в себе сведения о возникновении Вселенной.

Сибирские ученые работают над получением и изучением барионной антиматерии. Для этого они создали собственный электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-2000. Частицы антиматерии несут в себе информацию о строении и возникновении Вселенной, а потому эксперименты, которые ставятся на сибирском ускорителе, имеют для науки огромное значение.

"Барионная антиматерия, или антибарионы, - это частицы микромира, состоящие из трех антикварков. Наиболее легкими антибарионами являются антипротон и антинейтрон, состоящий из двух кварков анти-у и одного кварка анти-д, и антинейтрон, состоящий из одного кварка анти-у и двух кварков анти-д. Антипротон и антинейтрон – партнеры протона и нейтрона – самых легких и самых распространенных барионов. Именно в протонах и нейтронах сосредоточена основная масса вещества – звезд, планет", - рассказал Interfax-Russia.ru ученый секретарь Института ядерной физики им. Г.И.Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) Алексей Васильев.

Тем не менее, некоторые свойства легчайших барионов, например, их строение, на сегодняшний день исследованы очень слабо. Если эксперимент сибирских ученых окажется успешным, то эти пробелы в знании можно будет заполнить.

Коллайдер ВЭПП-2000 – гордость Института ядерной физики им. Г.И. Будкера. Именно здесь он был разработан и изготовлен. Проект коллайдера у сибирских ученых родился еще в 2000 году, тогда же они приступили к его реализации. Уже в конце 2007 года на ВЭПП-2000 начались первые пробные эксперименты, а с 2009 года ученые ведут на нем регулярные исследования с использованием двух различных детекторов.

Идею создания коллайдера – ускорителя частиц на встречных пучках – еще в 60-ых годах прошлого века выдвинул советский физик, основатель ИЯФ Герш Будкер, однако тогда ее восприняли как фантастику. Новосибирским физикам лишь со временем удалось доказать, что эта идея жизнеспособна. В 1964 году метод встречных пучков был экспериментально проверен в Новосибирске. Результаты оказались настолько впечатляющими, что коллайдер быстро превратился в один из основных инструментов исследований в физике элементарных частиц.

"Суть подхода заключается в том, что частицы в ускорителе сталкиваются не с неподвижной мишенью, как это было раньше, а с летящими навстречу другими частицами", – пояснил собеседник Interfax-Russia Алексей Васильев.

Схематично это выглядит так: миллиарды частиц, проходя через электрическое поле, увеличивают свою энергию. Затем они делают оборот в магнитном кольце ускорителя и снова влетают в ускоряющее устройство. Электроны и позитроны, двигаясь в магнитном поле ускорителя, излучают фотоны, а значит, "отдают" часть энергии. Поэтому ее все время нужно "добавлять". Ученые подбирают такой режим работы установки, при котором энергия растет до тех пор, пока не достигнет необходимой для проведения эксперимента величины. После этого, двигаясь с околосветовыми скоростями по замкнутым орбитам, электроны и позитроны многократно сталкиваются между собой, ‘‘рождая интересную физику‘‘.

Самый большой в мире и самый известный сегодня коллайдер – Большой адронный коллайдер (БАК) – построен в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований на границе Швейцарии и Франции, недалеко от Женевы. БАК – это самая крупная экспериментальная установка в мире: более 10 тыс. ученых из 100 стран принимали участие в его создании и задействованы сейчас в проводимых на нем исследованиях. Большим его назвали из-за выдающихся размеров. Длина только основного кольца этого ускорителя частиц превышает 26,6 км. Из названия понятно также, что ускоряет он частицы адроны. Ученые намерены использовать БАК, чтобы определить, как была создана Вселенная. В частности, они намерены экспериментально доказать существование бозона Хиггса, или "частицы Бога", которая, как считается, ответственна за существование массы Вселенной.

ИЯФ, надо отметить, помимо самой идеи встречных пучков, внес и другой вклад в создание Большого адронного коллайдера. Он изготовил для него целый комплекс оборудования на сумму около $200 млн: систему электронного охлаждения и несколько сотен больших дипольных, квадрупольных и шестиметровых магнитов общим весом около 5 тыс. тонн, много вакуумного оборудования.

В начале апреля ученые, которые участвуют в новосибирском проекте ВЭПП-2000, отпраздновали очередную победу – их коллайдер впервые достиг максимальной проектной энергии. "Максимальная проектная энергия – 1 тыс. мегаэлектронвольт на пучок", - сообщает ученый секретарь института Алексей Васильев.

Поскольку пучков – два, то суммарная энергия столкновений составила 2 тыс. мегаэлектронвольт. Теперь, когда коллайдер достиг такой энергии, частицы после столкновения в нем начинают рождать антибарионы.

"Достигнут режим работы, при котором началось массовое рождение антинуклонов. В экспериментах на встречных электрон-позитронных пучках антинуклоны – антипротоны и антинейтроны – рождаются в парах со своими частицами-партнерами – протонами и нейтронами. Энергетический порог такой реакции – около 1870 млн электронвольт (МэВ) – и область энергии выше него доступны новосибирскому коллайдеру ВЭПП-2000. К настоящему моменту произведено уже больше тысячи событий с рождением антинуклонов", - отметил Алексей Васильев.

Сейчас ВЭПП-2000 приостановлен: ему требуется техническое обслуживание. Но уже в ближайшее время коллайдер снова запустят – впереди вторая фаза эксперимента. Теперь перед ученым предстоит продолжить набор экспериментальной статистики и убедиться в воспроизводимости получаемых результатов. А вообще во время экспериментов ВЭПП-2000 работает практически круглые сутки – 22 часа в нем непрерывно сталкиваются частицы, а еще 2 занимает необходимое техническое обслуживание.

Отметим, что ВЭПП-2000 обладает еще одной уникальной характеристикой – по сравнению другими существующими коллайдерами, он имеет рекордную удельную светимость. "Светимость – это очень важная характеристика коллайдера: чем она больше, тем чаще происходят столкновения частиц из встречных пучков. Создавая ВЭПП-2000, физики ИЯФ СО РАН решили опробовать совершенно новый поход к столкновению электронных и позитронных сгустков – круглые пучки. По этому принципу не работал ни один из существующих на тот момент коллайдеров в мире", - рассказал Васильев.

Он пояснил, что обычно в накопителе пучок оказывается плоским. Это происходит из-за потерь энергии на синхротронное излучение, в результате которых амплитуда горизонтальных колебаний частиц пучка вокруг равновесной орбиты намного больше амплитуды вертикальных колебаний. ВЭПП-2000 спроектирован таким образом, что амплитуды колебаний, а, следовательно, и размеры сгустков в вертикальной и горизонтальной плоскостях принудительно делаются симметричными. А такой круглый пучок, как показали эксперименты, дает намного более высокую светимость, чем плоский.

Коллайдеры различных мощностей и типов сегодня есть в нескольких странах мира – России, Китае, Италии, США, Японии. И каждый из них важен по-своему.

"Существующие коллайдеры работают в разных диапазонах – кто-то при более высоких энергия, кто-то – при более низких. Но данные, полученные в ходе этих исследований, одинаково важны. Так например, анализ информации, полученной на больших ускорителях, неразрывно связан с анализом данных о тех процессах, которые происходят при более низких энергиях, без них их точная интерпретация невозможна", - отметил ученый секретарь Института ядерной физики СО РАН.

Обозреватель Вера Широкова