Глава SHiP: российские ученые будут изучать прекрасные кварки в ЦЕРНе
Почему кварки названы прекрасными? Куда пропала антиматерия? Что хотят найти физики за пределами Стандартной модели? Об этом и многом другом рассказал РИА Новости глава крупного эксперимента на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе, профессор кафедры физики высоких энергий Университета Империал Колледж (Лондон), научный руководитель Центра инфраструктурного взаимодействия и партнерства MegaScience НИТУ "МИСиС" Андрей Голутвин. А в чем заключается ваша миссия в российском НИТУ "МИСиС"?
Наша общая цель, как и цель всего ЦЕРНа, - фундаментальная наука. Вместе с тем, в ЦЕРНе лишь 15 процентов сотрудников занимаются фундаментальной наукой, все остальные решают инженерные задачи.
На Большом Адронном Коллайдере действуют огромные установки, создание и эксплуатация которых требуют усилий большого количества инженеров. Так вот, сотрудники ЦЕРНа и университетов из разных стран мира объединяются с индустриальными фирмами, чтобы совместными усилиями проводить исследования и производить элементы для этих установок.
МИСиС уже является полноправным членом коллаборации SНiP (Search for Hidden Particles). Это один из крупных экспериментов, который я в данный момент возглавляю. Мы пытаемся найти объяснение явлениям, которые не описывает Стандартная модель физики элементарных частиц, например, существование темной материи и отсутствие антивещества во Вселенной.
Для этого будет создана детектирующая аппаратура (детектор SHiP) и специальный канал для вывода пучка частиц очень высокой интенсивности с ускорителя SPS в ЦЕРНе. МИСиС взял на себя ответственность за разработку большого магнита? одного из ключевых элементов этой установки.
Кроме того, российский вуз недавно начал процедуру вступления в коллаборацию LHCb. В этом эксперименте перед российскими учеными стоят интересные задачи, связанные с разработкой сплавов на основе тяжелых элементов (в частности, вольфрама) и радиационно-стойких сцинтилляционных материалов. В настоящее время установка находится в стадии кардинальной модернизации. В ближайшие 2-3 года предполагается увеличить интенсивность частиц, которые будут регистрироваться этой установкой, в 10 раз.
Я вовсе не исключаю, что еще через 5 лет потребуется вновь увеличить чувствительность установки еще в несколько раз. Судите сами: изначально программа была рассчитана на 10 лет. Проработав 5 лет, мы наберем половину изначально запланированной статистики. Продолжать дальше работать в таком режиме не слишком разумно - вряд ли удастся обнаружить новые эффекты. А вот если мы увеличим интенсивность в 50 раз, это позволит кардинально повысить чувствительность эксперимента для проверки Стандартной модели.
Что общего между установками LHCb и SHiP?
Они обе работают в потоках огромного количества частиц. В LHCb надо разработать элементы детекторов, которые позволят проводить точные измерения при больших загрузках.
А в проекте SHiP нужно сделать систему магнитов, которые позволят отклонить известные частицы, рождающиеся в столкновениях в пучках протонов с мишенью. Отклонив их, мы сможем искать редкие события за пределами Стандартной модели в очень выгодных условиях, т. е. фактически при отсутствии фоновых событий. Чем же они так прекрасны?
На самом деле есть 6 видов кварков. Принято считать, что все они представляют три поколения. Первое поколение кварков - down и up? верхние и нижние кварки. Из них сделаны все протоны, нейтроны, т. е. мы и все вещество, которое нас окружает. Второе поколение кварков - charm и strange? очарованные и странные. Третье поколение кварков - beauty и top - прекрасные и еще одни верхние кварки.
Зачем они нужны, если все сделано из первого поколения кварков?
Вселенная образовалась примерно 14 миллиардов лет назад. После Большого взрыва мы оказались во Вселенной, в которой есть только материя, а антиматерии нет. Но при этом мы знаем, что когда на БАК сталкиваются протоны, рождается примерно одинаковое количество материи и антиматерии, так же, как и во время Большого взрыва. Тем не менее, через очень короткое время мы оказались в мире, где осталась только материя, а антиматерия исчезла. Это означает, что материя и антиматерия развиваются во времени по-разному.
Так вот, в процессе с участием "бьюти" и "анти-бьюти" кварков очень удобно изучать разницу эволюции во времени материи и антиматерии: именно благодаря прекрасным кваркам мы знаем, что антиматерия во времени эволюционирует совершенно иначе, чем материя.
Существование этих кварков было предсказано как раз для того, чтобы объяснить отсутствие антиматерии в мире. И все было бы чудесно, но оказалось, что различие между эволюцией во времени "бьюти" и "анти-бьюти" в 10 миллиардов раз слабее того эффекта, который необходим, чтобы объяснить отсутствие антиматерии во Вселенной.
Выходит, что антиматерия есть, но ее, вроде, как бы и нет?
Мы пытаемся найти новые механизмы вне Стандартной модели, которые помогут объяснить развитие нашей Вселенной во времени и исчезновение антиматерии на очень ранней стадии развития.
Пока это остается загадкой. Кстати говоря, поиск таких механизмов также объединяет физические задачи экспериментов LHCb и SHiP. Но, по крайней мере, установка LHCb заведомо гарантирует очень точную проверку этой теории.
В эксперименте SHiP, если нам повезет, и если нам удастся обнаружить "спрятанные частицы", то это, несомненно, будет открытием с большой буквы, которое позволит ответить на многие фундаментальные вопросы природы. Чтобы увидеть один редкий сигнал, мне нужно в эксперименте SHiP собрать десять в двадцатой степени протонов и высадить их на мишень. С теми технологиями, которые у нас сейчас есть, это можно сделать за пять лет работы ускорителей в ЦЕРНе.
Мы, конечно, надеемся увидеть хотя бы одно сигнальное событие. Дальше все зависит от фона: если фон? тоже одно событие, значит, никаких заключений мы сделать не сможем. Если же фон окажется меньше, чем одна десятая события, то мы улучшим чувствительность всех предыдущих экспериментов подобного типа в десятки тысяч раз.
