Горизонты научного поиска

Л. Неменов

Завершился основной этап эксперимента ДИРАК (руководитель - профессор Л.Неменов). В течение семи лет, от момента утверждения проекта руководством ЦЕРН до начала обработки полученных данных, создавалась и развивалась уникальная экспериментальная база, формировалась коллаборация ученых-физиков из одиннадцати стран мира. О судьбе эксперимента, его результатах и перспективах рассказывает старший научный сотрудник ЛЯП Леонид Афанасьев.

ДИРАК - это аббревиатура от "димезонный релятивистский атомный комплекс" или "Dimeson Relativistic Atomic Complex" - DIRAC.

ДИРАК - это развитие эксперимента "Димезоатом", начавшегося в середине 80-х на ускорителе У-70 в Протвино. Тогда группа физиков из Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, СНЭО ОИЯИ, филиала НИИЯФ МГУ в Дубне и ИФВЭ под руководством профессора Л. Неменова проводила эксперимент "Позитроний" на ускорителе У-70 по наблюдению ультрарелятивистских атомов позитрония, рождающихся в распаде . Позитроний - это самый первый из наблюдавшихся и самый известный из экзотических атомов - водородоподобный атом, в котором протон заменен позитроном.

К началу 90-х годов в эксперименте в Протвино нашей группой было осуществлено наблюдение 270 димезоатомов и получена первая экспериментальная оценка их времени жизни. Однако дальнейшее продолжение работ в Протвино было невозможно, поскольку в ходе эксперимента стало понятно, что измерения на внутренней мишени могут приводить к большим систематическим ошибкам во времени жизни димезоатома, а выведенные пучки в ИФВЭ были заняты другими экспериментами. Таким образом, к началу 90-х была группа физиков, имеющих уникальный опыт по изучению экзотических атомов, и была интересная нерешенная задача. Благодаря поддержке дирекции ОИЯИ и дирекции ЦЕРН решение этой проблемы стало возможным в рамках международного сотрудничества.

Общий вид установки

Коллаборация ДИРАК собиралась вокруг дубненской группы, и основная часть проекта эксперимента на протонном синхротроне в ЦЕРН была разработана нашей группой. В физическое обоснование проекта большой вклад внес Р.Ледницкий. В создании установки дубненская группа также играла ключевую роль. Вакуумный канал вторичных частиц изготовлен в Дубне по чертежам В.Уткина. Основной трековый детектор установки - дрейфовые камеры - разработаны и изготовлены под руководством В.Круглова. Электроника к ним, как и большое число специализированных блоков, были разработаны В.Карпухиным. Техническую координацию по созданию установки осуществлял А.Купцов. Триггер установки был собран В.Куликовым, система сбора данных разработана С.Трусовым и В.Ольшевским. В программное обеспечение обработки данных большой вклад внесли В.Язьков, О.Горчаков, П.Зрелов и Л.Круглова. И в ходе эксперимента они были ведущими в своих областях.

Здесь стоит назвать всех членов дубненской группы, участвовавших в создании ДИРАКа и работающих сейчас. Из ЛЯП: Л.Афанасьев, А.Дударев, О.Горчаков, М.Жабицкий, В.Карпухин, В.Комаров, В.Круглов, В.Кудрявцев, А.Купцов, К.Курода, Л.Неменов, М.Никитин, Ж.Пустыльник, В.Ольшевский, А.Тарасов, В.Уткин; из ЛФЧ: Р.Ледницкий; из ЛИТ: О.Воскресенская, П.Зрелов, Л.Круглова. Вместе с сотрудниками ОИЯИ в работе принимают участие и физики филиала НИИЯФ МГУ в Дубне: Н.Калинина, С.Трусов и В.Язьков.

Большую роль в формировании коллаборации сыграл профессор Л.Монтане. Сейчас коллаборация ДИРАК - это более 80 физиков из ОИЯИ, ЦЕРН и 16 институтов и университетов из Греции, Испании, Италии, России, Румынии, Франции, Чехии, Швейцарии и Японии. Руководит коллаборацией профессор Л.Неменов.

Цель эксперимента ДИРАК сформулирована в его названии - измерение времени жизни атома, состоящего из и мезонов для проверки точных предсказаний КХД.

Предложение Л.Неменова сформулировано достаточно обще - если в процессах взаимодействия при высоких энергиях, идущих за счет сильного взаимодействия, рождается пара разноименно заряженных частиц, то существует точно вычисляемая вероятность образования этих частиц в атомно-связанном состоянии. Это происходит потому, что характерные расстояния в процессах, идущих за счет сильного взаимодействия, отвечающего за образование частиц, на два порядка меньше расстояний, характерных для кулоновского взаимодействия, отвечающего за формирование атома. Таким образом, атом формируется на расстояниях существенно больших, чем область образования составляющих его частиц, за счет кулоновского взаимодействия в конечном состоянии. Поскольку кулоновское взаимодействие существенно слабее сильного, то его интегральный вклад в вероятность образования частиц незначителен. Но в области малых относительных импульсов образующихся частиц, когда родившиеся частицы "длительное" время находятся на малых расстояниях, кулоновское взаимодействие существенно увеличивает вероятности рождения таких пар в свободном состоянии, а также приводит к образованию кулоновски связанных состояний, то есть атомов. Таким образом, соотношение между числом образованных атомов и свободных пар с малыми относительными импульсами задается в основном кулоновским взаимодействием, а сильное вносит лишь малые поправки.

Экспериментальная проверка столь общих утверждений является интересной задачей. Но электромагнитное (кулоновское) взаимодействие, отвечающее за образование атомов, достаточно хорошо изучено, и поэтому проведение эксперимента только для наблюдения таких атомов вряд ли оправдано. Однако атомы, образованные сильновзаимодействующими частицами, сами являются уникальным инструментом для изучения сильного взаимодействия в области малых передач, или непертурбативной КХД, недоступной в других экспериментах. Характерные расстояния и относительные импульсы частиц, формирующих атомы, задаются электромагнитным взаимодействием, для димезоатома это расстояние около 400 Ферми, а импульс около 0,5 МэВ. Тем самым создаются уникальные условия для изучения сильного взаимодействия, которое определяет время жизни таких атомов. Для димезоатома это время составляет около 3x10-15 сек. и задается параметрами, описывающими сильное взаимодействие пионов при низких энергиях, так называемыми длинами рассеяния. Именно измерение длин пион-пионного рассеяния с высокой точностью является основной целью эксперимента ДИРАК.

Прежде всего, длины пион-пионного рассеяния являются важными параметрами в низкоэнергетическом секторе КХД. Длины -рассеяния вычисляются в рамках киральной теории возмущений, которая эквивалентна КХД в области малых передач. К моменту подготовки проекта ДИРАК точность предсказания теории составляла 5 процентов, а точность экспериментальных данных была около 20 процентов. Поэтому 5 процентов были выбраны как цель эксперимента. При подготовке эксперимента было активное сотрудничество с группой теоретиков из Бернского университета Х.Лойтвиллером и Ю.Гассером. Вместе с С.Вайнбергом они являются создателями киральной теории возмущений. Увидев возможность проверки своей теории в готовящемся эксперименте, теоретики приложили большие усилия для увеличения точности предсказаний. К настоящему времени точность для длин рассеяния составляет 2,5 процента, а для времени жизни около 3. Кроме "стандартной" киральной теории, которая развивается в основном в Бернском университете, была сформулирована так называемая обобщенная киральная теория, которая развивается, в основном, в Орсэ такими теоретиками, как Я.Штерн, Х.Саждян, М.Кнехт и другие. В рамках этой теории допускается значение длин рассеяния больше величин, предсказанных "стандартной" теорией, а, следовательно, время жизни димезоатома может находиться в некотором интервале. Одно из основных различий этих теорий - величина кваркового конденсата, который зависит от структуры КХД вакуума. Имеющиеся сейчас экспериментальные данные не позволяют сделать однозначный вывод о значении этой величины. Тем самым результаты ДИРАКа критичны для теории и позволят зафиксировать одну из фундаментальных величин в КХД.

Дальнейшее сотрудничество с теоретиками в этом направлении продолжается. Как перспективная цель эксперимента в проекте было обозначено изучение других адронных атомов и первого из них - атома, состоящего из и К-мезонов. И сейчас теоретики из Берна, Орсэ и Бонна выполнили расчеты для таких атомов, существенно улучшив точность расчетов длин К-рассеяния и показали важность измерения свойств К-атомов для фиксирования новых параметров киральной теории, которая в случае К-атома включает также и странный кварк. До предложения этих измерений на ДИРАКе возможность получения таких экспериментальных данных просто не рассматривалась.

Другое важное теоретическое направление, связанное с экспериментом ДИРАК, относится к взаимодействию релятивистских водородоподобных атомов с атомами вещества. Образованный в протон-ядерном взаимодействии димезоатом движется в веществе той же мишени, взаимодействуя электромагнитным образом с другими атомами мишени. В результате ряда последовательных взаимодействий димезоатом либо диссоциирует (разваливается) на пару свободных и , либо переходит в возбужденное состояние. Этот процесс конкурирует с процессом аннигиляции димезоатома в пару нейтральных пионов, который и определяет время жизни атома. В эксперименте регистрируются пары от развала димезоатома и по их числу определяется время жизни. Из этого понятна важность точных расчетов вероятности развала. К моменту начала опытов с димезоатомами не существовало описание эволюции водородоподобного атома как многоуровневой системы, учитывающее его внутреннюю динамику при движении с релятивистскими скоростями в веществе. Поэтому нам пришлось начать разрабатывать ее самим. Конечно, сечения атом-атомного и ион-атомного взаимодействия вычислялись давно, однако никогда точность этих расчетов не являлась столь критичной для эксперимента. Здесь нужно подчеркнуть вклад А.Тарасова (ЛЯП) в это направление. Именно его работы в этой области инициировали все дальнейшее развитие. Недавно им получено квантово-механическое описание прохождения атома через вещество, что решает эту проблему полностью. Альтернативный подход к этой проблеме разрабатывается группой теоретиков из Базельского университета под руководством профессора Д.Траутмана. Таким образом, к настоящему времени мы можем гарантировать, что вероятность развала димезоатома как функция его времени жизни для различных мишеней может быть вычислена с точность лучше 1 процента. Все эти расчеты легли в основу планирования эксперимента, выбора вещества и толщин мишеней, которые обеспечивают наилучшую чувствительность при измерении времени жизни димезоатома.

Проект эксперимента был утвержден в 1996 году. 1996-1997 годы ушли на подготовку и создание детекторов. Монтаж установки начался в 1998 году. К концу 1999 года были получены первые экспериментальные данные. Реальный набор данных начался в 2000 году. Характерная особенность нашего эксперимента - необходимость набора огромного количества данных для получения требуемой точности. Наиболее важным изменением, внесенным по ходу эксперимента, было введение набора данных с многослойной мишенью. Это очень красивая идея - наряду со сплошной никелевой мишенью толщиной 100 микрон используется мишень, состоящая из 12 слоев около 8 микрон каждый, разделенных зазором в 1 мм. С точки зрения рождения частиц эти мишени абсолютно идентичны. А вот вероятность развала димезоатома в таких мишенях существенно различается, так как часть рожденных атомов выходит из тонких слоев и аннигилирует в зазоре между ними. Таким образом, в разности данных, набранных на однослойной и многослойной мишенях, "атомные" пары от развала димезоатома будут наблюдаться при очень простом подходе к обработке. В ходе обработки данных стало понятно, что измерения с многослойной мишенью могут существенно уменьшить систематические ошибки. Именно измерение с многослойной мишенью было одной из основных задач во время набора данных в 2003 году.

Итак, набор данных закончен, идет обработка. К настоящему времени наиболее детально обработано около одной четверти данных. Конечно, наиболее интересно время жизни - пока точность этих измерений около 25 процентов, и величина согласуется с предсказаниями теории. Полное число выделенных димезоатомов около 20 тысяч, что соответствует запланированному. Поэтому предполагаемая точность 10 процентов во времени жизни будет получена. Сейчас готовится публикация по наблюдению димезоатомов. До выхода журнальной публикации результаты ДИРАКа представлялись на многих международных конференциях, включая две последние Рочестерские.

Точность теоретических предсказаний существенно улучшилась, и это ставит новую задачу для нашей коллаборации. Поэтому продолжение эксперимента для улучшения точности измерения времени жизни димезоатома видится совершенно естественным.

Кроме того, рассматривается возможность изучения деталей строения димезоатома - измерение разности уровней энергии 2P и 2S, лэмбовского сдвига уровней. Это измерение позволит получить длины -рассеяния независимо. Наблюдение и изучение других адронных атомов, первый из которых - атом, образованный и K-мезонами, так же весьма важно. Поэтому программа по дальнейшему изучению адронных атомов выглядит далеко не завершенной и возможность продолжения определяется только ресурсами и приоритетами, которые выбирает научное сообщество.

В ближайшее время коллаборация ДИРАК представит в научный комитет ЦЕРН предложения о продолжении эксперимента на ускорителе PS в ЦЕРН в 2006 году.

Мы подготовили и направили письма о намерениях с предложением продолжить исследование адронных атомов на ускорителях J-PARC в Японии и GSI в Германии. Первое письмо было представлено в июне 2003 года на комитете J-PARC Л.Неменовым и было одобрено в августе того же года, что свидетельствует о признании важности этих исследований. Таким образом, у эксперимента по изучению элементарных адронных атомов просматриваются различные варианты развития. Выбор будет определяться различными факторами, среди которых определяющими могут быть ресурсы.

Материал подготовила
Надежда Кавалерова