ОИЯИ-50: страницы истории

Научно-экспериментальный отдел физики элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем создан в 1978 году приказом по ОИЯИ в составе Отделения физики элементарных частиц высоких энергий. В соответствии с решениями Комитета Полномочных Представителей и Ученого совета ОИЯИ ряд подразделений Института включились в совместные с ИФВЭ (Протвино) разработки ускорительно-накопительного комплекса ИФВЭ на энергию 3 ТэВ и подготовку физической программы для этого комплекса. В связи с этим приказом по ОИЯИ за отделением были закреплены как главные направления его работы исследования по физике элементарных частиц высоких энергий, разработка научной программы и экспериментальных установок по этой тематике.

Отделение физики элементарных частиц высоких энергий состояло из трех отделов: физики адронов (руководитель Ю.М.Казаринов), искрового спектрометра (А.А.Тяпкин) и вновь созданный отдел физики лептонов (С.А.Бунятов). Общая численность отделения составила 214 сотрудников, из них 154 - советских и 60 из других стран-участниц ОИЯИ. Начальником отделения был назначен С.А.Бунятов, а заместителем начальника - главным инженером - В.И.Снятков.

В отдел физики лептонов (ОФЛ) вошли: фотоэмульсионный сектор (руководитель В.М.Сидоров), сектор стримерной камеры (Ю.А.Щербаков) и две группы для обеспечения новых проектов: "Нейтринного детектора" (С.А.Бунятов) и NA-4 эксперимента в ЦЕРН (А.Г.Володько). Первоначальная численность отдела составляла 40 сотрудников.

В 1979-1982 гг. по указанию Н.Н.Боголюбова в ОФЛ был сформирован теоретический сектор (руководитель П.С.Исаев), в который вошли сотрудники С.Г.Коваленко, В.А.Бедняков, Ю.П.Иванов, А.А.Осипов.

В 1989 году в состав отдела вошел сектор под руководством Л.Л.Неменова, который в настоящее время успешно работает в ЦЕРН по проекту ДИРАК. Тогда же отдел приобрел свое нынешнее название - Научно-экспериментальный отдел физики элементарных частиц (НЭОФЭЧ).

В качестве основного направления научных исследований была выбрана физика нейтрино, которая и сегодня продолжает играть ключевую роль в физике элементарных частиц. Большое влияние на этот выбор оказали научные идеи академика Б.М.Понтекорво. Интересно отметить, что в 2006 году мы отмечаем не только 50-летний юбилей ОИЯИ, но и 50-летие экспериментального открытия нейтрино. Впервые антинейтрино было зарегистрировано в обратном бета-распаде Ф.Рейнесом и К.Коуэном в экспериментах на реакторе в Лос-Аламосе (США).

Уже первые ускорительные нейтринные эксперименты, выполненные с использованием пузырьковых камер, дали целый ряд значительных результатов. Однако к концу 1970-х годов, в связи с возросшими требованиями к точности измерений и, соответственно, к увеличению статистики зарегистрированных нейтринных взаимодействий, стали проявляться методические недостатки пузырьковых камер. Быстро прогрессирующие в то время многодетекторные спектрометрические установки с электронным съемом информации были практически лишены этих недостатков. К установкам такого типа относится "Нейтринный детектор", разработанный и созданный усилиями коллектива физиков из ИФВЭ и ОИЯИ. Руководителем группы сотрудников ОИЯИ был назначен С.А.Бунятов. Со стороны ИФВЭ работами руководил А.С.Вовенко.

Установка "Нейтринный детектор" (НД) - крупнейшая установка на ускорителе У-70 (ИФВЭ). От ОИЯИ в создании детектора участвовали Лаборатория ядерных проблем, Отдел новых методов ускорения, Опытное производство, Серпуховской научно-экспериментальный отдел. От научных центров стран-участниц ОИЯИ - Институт физики высоких энергий (Цойтен, ГДР) и ЦИФИ (Будапешт, ВНР). Следует отметить, что впервые установка такого большого масштаба создавалась силами подразделений ОИЯИ без участия промышленных предприятий страны. Вся магнитная система, состоящая из 50 магнитов, общим весом более 1000 тонн, и 120 больших дрейфовых камер, каждая площадью 4х2 м2, были изготовлены в Опытном производстве ОИЯИ. Электроника для дрейфовых камер была разработана и изготовлена в ОНМУ под руководством И.А.Голутвина.

Определяющий вклад в создание установки "Нейтринный детектор" внесли В.И.Снятков и Л.С.Барабаш, которые впоследствии защитили докторские диссертации. Активное участие в работе на разных этапах создания и эксплуатации установки принимали также сотрудники НЭОФЭЧ: Б.Ж.Залиханов, В.С.Курбатов, А.Д.Волков, В.В.Сидоркин, Е.В.Комиссаров, В.З.Сердюк, Н.А.Лебедев, Е.А.Севрук, В.В.Люков, О.М.Кузнецов, М.Ю.Казаринов, И.И.Сидоркина, И.А.Терещенко, Ю.А.Батусов, В.И.Третьяк, С.А.Баранов, О.Ю.Денисов, С.Н.Прахов, А.М.Рождественский, О.Л.Климов, В.В.Терещенко, Ю.А.Нефедов, Б.А.Попов, В.Ю.Валуев, А.В.Красноперов; группа сотрудников из ВНР (ЦИФИ): Д.Киш, З.Яки, Г.Калмар, Я.Яни, Л.Молнар, Д.Бенце, М.Шандор; группа сотрудников из ГДР (Цойтен): З.Новак, М.Вальтер, Й.Блюмляйн, Й.Руннер, П.Вегнер, Х.Грабош, П.Костка, В.Ланге, Х.Рысек, У.Хардер, К.Шпиринг.

В анализе данных, полученных на установке "Нейтринный детектор", активно участвовали сотрудники НЭОФЭЧ Ю.А.Нефедов (защитил кандидатскую диссертацию), В.Ю.Валуев, Б.А.Попов. Работы коллаборации отмечались премиями ЛЯП и ОИЯИ. Результаты по измерению полных сечений взаимодействия нейтрино и антинейтрино по каналу заряженного тока, а также пределы на элементы матрицы смешивания тяжелых нейтрино включены в обзор Review of Particle Properties. Последняя работа коллектива авторов "Пределы на параметры нейтринных vе vе осцилляций из эксперимента на "Нейтринном детекторе ИФВЭ-ОИЯИ" была отмечена премией издательства МАИК Наука/Интерпериодика "Лучшие публикации 2004 года".

Опыт работы на установке НД пригодился позже, когда в начале 1990-х годов сотрудники отдела активно включились в международный эксперимент NOMAD. Основная цель эксперимента - поиск нейтринных осцилляций в пучке нейтрино широкого спектра от ускорителя SPS (ЦЕРН) на близком расстоянии (1 км) от источника нейтрино. Сотрудники отдела принимали активное участие в эксперименте на всех этапах: от создания установки до анализа накопленных экспериментальных данных.

Главное преимущество эксперимента NOMAD перед другими нейтринными экспериментами на ускорителях - большой набор экспериментальных данных (1,7 миллиона нейтринных взаимодействий) с высоким качеством реконструкции событий в детекторе, обладающем возможностью восстанавливать траектории и импульсы отдельных частиц.

Группа сотрудников НЭОФЭЧ (слева направо): Б.А.Попов, Ю.А.Нефедов, В.Е.Кузнецов, С.А.Бунятов, И.В.Красин, В.Ю.Валуев перед детектором NOMAD. ЦЕРН, Женева, 1955 год. Фото Ю.Туманова.
В эксперименте NOMAD были получены лучшие на сегодняшний день пределы на вероятности нейтринных осцилляций в области разностей квадратов масс собственных состояний нейтрино, превышающих 30 эВ2. Уникальный набор данных был использован также для детального анализа нейтринных взаимодействий. Сотрудники отдела В.Ю.Валуев, Б.А.Попов, А.В.Красноперов, Д.В.Наумов внесли существенный вклад в анализ данных эксперимента NOMAD и защитили кандидатские диссертации.

На ближайшее десятилетие данные эксперимента NOMAD останутся уникальными для исследования нейтринных взаимодействий в интервале энергий нейтрино от 10 до 300 ГэВ. Это подтверждается интересом к анализу данных эксперимента NOMAD со стороны молодых сотрудников отдела - А.В.Чуканова, В.В.Любушкина и О.Б.Самойлова, которые активно работают над кандидатскими диссертациями. Важные научные результаты эксперимента NOMAD, полученные сотрудниками отдела, были отмечены премиями ЛЯП и ОИЯИ, сотрудники отдела неоднократно докладывали результаты своей работы на престижных международных конференциях.

В последние годы сотрудники НЭОФЭЧ вместе с сотрудниками отдела встречных пучков (руководитель Г.А.Шелков) приняли активное участие в эксперименте HARP на ускорителе РS (ЦЕРН). Основная цель этого эксперимента - получение более полных и точных данных о выходах вторичных адронов, образуемых в ядерных мишенях протонами и пионами в диапазоне импульсов от 1,5 до 15 ГэВ/с. Это необходимо для оптимизации проекта создания нового интенсивного источника нейтрино на базе мюонного накопителя (проект нейтринной фабрики). Дополнительно получена информация, позволяющая точнее предсказать нейтринные спектры и потоки в ускорительном эксперименте K2K (Япония). Аналогичные данные получены в настоящее время для эксперимента MiniBooNE (США). Такая информация крайне важна для правильной интерпретации результатов этих экспериментов по поиску нейтринных осцилляций.

Существенный вклад в создание детекторов и монтаж установки эксперимента HARP внесли сотрудники НЭОФЭЧ В.З.Сердюк и И.В.Красин. В создании системы сбора данных активно участвовали В.В.Терещенко и А.В.Красноперов. В анализе данных эксперимента HARP наряду с опытными сотрудниками Ю.А.Нефедовым и Б.А.Поповым участвует молодая сотрудница отдела аспирантка А.Е.Большакова.

Важно отметить, что, несмотря на трудности, связанные со сменой руководителя эксперимента, коллаборации HARP удалось получить и опубликовать в 2005 году первые результаты.

В связи с открытием в 1975 году очарованных частиц вновь возникла потребность в использовании ядерных фотоэмульсий. Были поставлены уникальные гибридные эксперименты по исследованию очарованных частиц в нейтринных взаимодействиях и выполнен первый эксперимент по поиску в протон-ядерных взаимодействиях очарованных суперядер - ядер нового типа. В результате впервые было зарегистрировано рождение очарованного нейтрального сигма-гиперона и установлены жесткие пределы на образование суперядер. Эти исследования вошли в кандидатские диссертации сотрудников НЭОФЭЧ О.М.Кузнецова и В.В.Люкова.

Хотелось бы особо отметить дружный коллектив лаборантов по просмотру ядерной фотоэмульсии: Л.А.Василенко, Л.Э.Василенко, Р.И.Заплатину, В.Ф.Зулькарнееву, В.В.Крикунову, К.И.Меркину, М.Я.Никонорову, В.А.Парамонову, В.П.Румянцеву, Т.И.Рыбакову, Д.А.Флягину, М.Н.Шелаеву, сотрудниц из Болгарии К.Петрову и М.Иванову. На разных этапах в этой работе принимали участие также научные сотрудники из Румынии - А.Михул, М.Петрашку и Т.Вишки, Болгарии - Х.Чернев и Л.Визирева, КНДР - До Ин Себ, Пак Бун Сун и Пан Ен Ран, Монголии - Д.Тувдендорж, Грузии - Н.И.Костанашвили, Армении - Г.Гулканян и Н.Агабабян и другие. В 1981 году внезапно скончался руководитель и основатель фотоэмульсионного сектора В.М.Сидоров. Начальником сектора был назначен Ю.А.Батусов.

Многие годы в рамках проекта "Нейтринный детектор" для исследования рождения очарованных частиц в нейтринных взаимодействиях велась методическая работа по автоматизации просмотра ядерных фотоэмульсий альтернативным методом по сравнению с известной телевизионной техникой. Научным руководителем этих работ являлся старейший сотрудник нашего отдела Л.М.Сороко, который в 2003 году к своему 80-летию защитил докторскую диссертацию по этой тематике.

В 2003 году по инициативе директора ЛЯП А.Г.Ольшевского сотрудники нашего отдела начали работу по проекту OPERA (руководитель Ю.А.Горнушкин). Основная цель этого проекта - прямое доказательство существования нейтринных осцилляций v v посредством регистрации появления тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино от ускорителя SPS (ЦЕРН).

Детектор OPERA расположен в подземной лаборатории Гран-Сассо (Италия) на расстоянии 732 км от источника нейтрино. Взаимодействия тау-нейтрино регистрируются в блоках из ядерной фотоэмульсии, прослоенной свинцовыми пластинами. Для эффективного нахождения фотоэмульсионного блока, в котором произошло нейтринное взаимодействие, используется трековая система целеуказания на основе сцинтилляционных счетчиков. В создании системы целеуказания для эксперимента OPERA активное участие принимают физики из ОИЯИ. Молодой сотрудник НЭОФЭЧ С.Г.Дмитриевский работает над совершенствованием алгоритмов и созданием программного обеспечения, позволяющего с высокой эффективностью находить фотоэмульсионные блоки, в которых произошли искомые нейтринные взаимодействия. В последнее время в эту работу активно включился А.В.Чуканов.

Под руководством В.В.Терещенко в фотоэмульсионной группе нашего отдела ведется большая и трудная работа по созданию в ОИЯИ автоматической сканирующей станции для просмотра ядерной фотоэмульсии для эксперимента OPERA. Планируется создать сканирующую станцию на основе телевизионной техники, успешно используемой японскими физиками, но при этом будут применяться компоненты преимущественно отечественного производства. Запуск нейтринного пучка из ЦЕРН в Гран-Сассо намечен на июль 2006 года.

50-летию экспериментального открытия нейтрино посвящены в этом году две крупные международные конференции. Одна из них состоялась в феврале и называлась "Нейтринные осцилляции в Венеции". Возможность осцилляций нейтрино была предсказана Б.М.Понтекорво еще в 1957 году. По просьбе председателя оргкомитета конференции профессора Милы Балдо Чеолин С.М.Биленький сделал доклад "Бруно Понтекорво - Мистер Нейтрино", в котором осветил работы Бруно Максимовича в области нейтринной физики, в том числе предсказания нейтринных осцилляций. Следует отметить, что с докладами на конференции выступили три лауреата премии имени Б.М.Понтекорво, учрежденной в ЛЯП ОИЯИ.

Открытие осцилляций нейтрино стало одним из наиболее важных и впечатляющих в физике частиц за последние 15 лет. Первые открытия были сделаны в экспериментах с солнечными и атмосферными нейтрино. Важным этапом было подтверждение эффекта нейтринных осцилляций в реакторном (КАМLAND) и ускорительных (К2К и MINOS) экспериментах, так как в этих исследованиях источники "искусственных" нейтрино, создаваемые самими физиками, позволяют изменять условия эксперимента и тщательно их контролировать.

Из открытия нейтринных осцилляций следует, по крайней мере, два важных вывода. Нейтрино имеют массу, и массы у всех трех типов нейтрино должны быть разные. Лептонные заряды не сохраняются. Оба этих вывода противоречат предположениям общепринятой Стандартной модели электрослабых взаимодействий.

Наступает время более прецизионных измерений. Нейтринная физика на ускорителях становится важным и актуальным направлением научных исследований. В настоящее время начинается работа над ускорительными нейтринными экспериментами нового поколения: Т2К в Японии и NOvA в США. Начало эксперимента T2K запланировано на 2009, а эксперимента NOvA - на 2011 год. В этих проектах будут использованы пучки нейтрино от сверхмощных протонных ускорителей (от 1 до 4 МВт). Впервые будет реализована методика постановки эксперимента с использованием детектора, расположенного на большом расстоянии от источника нейтрино и под малым фиксированным углом к оси пучка (в интервале 2-3 градуса). Конечной целью этих экспериментов является не только измерение угла смешивания Х13 - ключевого элемента матрицы Понтекорво - Маки - Накагава - Саката, но и определение иерархии масс нейтрино с использованием влияния вещества Земли на осцилляции нейтрино (эффект Михеева - Смирнова - Вольфенштейна, лауреатов премии имени Б.М.Понтекорво за 2005 год), а также исследование возможности нарушения СР-симметрии в нейтринном секторе. Есть и более отдаленная перспектива, связанная с созданием новых источников нейтрино: ускорительные комплексы Нейтринной фабрики и "бета-пучки" нейтрино от распада ускоренных радиоактивных ионов.

Что необходимо, на наш взгляд, чтобы отдел мог эффективно выполнять текущие научные планы в области нейтринной физики и участвовать в подготовке экспериментов нового поколения? Теоретически все просто: актуальная и интересная физическая задача; кадры, которые могут ее решить, и необходимые для решения этой задачи финансовые ресурсы. Однако накопилось много проблем. Главная из них: низкий уровень оплаты труда всех категорий научных сотрудников и, как следствие, недостаток квалифицированных научных кадров как в возрастной категории 35-50 лет, так и молодежи.

С. Бунятов, главный научный сотрудник, Б. Попов, и.о. начальника НЭОФЧ.