ОИЯИ - ФНАЛ

Наша газета неоднократно писала о работе группы ученых из Лаборатории ядерных проблем имени В.П.Джелепова на установке CDF на Тэватроне ФНАЛ (США). В настоящее время именно Тэватрон является уникальным источником информации о столкновениях частиц при самых высоких в лабораторных условиях энергиях. В этот эксперимент ОИЯИ внес весомый вклад и сейчас ведет один из ключевых разделов исследований - измерение столь фундаментального параметра, как масса топ-кварка.

Корреспондент газеты Н.С.Кавалерова встретилась с научным руководителем группы Ю.А.Будаговым, с научными сотрудниками А.М.Артиковым и В.В.Глаголевым, участвующими в исследовательской программе по физике с, b, t-кварков на протон-антипротонном коллайдере ФНАЛ. В беседе приняли участие ученый секретарь ЛЯП В.А.Бедняков, начальник отдела Д.И.Хубуа.

Ю. Будагов: История с Тэватроном началась осенью 1993 года, когда в Далласе закрыли проект сверхпроводящего суперколлайдера (SSC) и нам пришлось выбирать между двумя исследовательскими программами на Тэватроне Фермилаб. Они сегодня широко известны под названиями CDF и D0. Группа Ю.Будагова вошла в CDF, Г.Алексеева - в D0, и обе внесли крупный вклад в создание этих детекторов и активно участвуют в получении уникальной физической информации. До пуска огромного коллайдера в Женеве (LHC) Тэватрон сохраняет монополию в области исследований при энергии около 2х1012 электрон-вольт и одновременно остается бесценной школой для "поступающих в университет LHC".

В. Бедняков: Недавно я писал в нашей газете о защите В. Глаголевым первой в ОИЯИ докторской диссертации по тематике Тэватрона, и там вместе с Ю. А. Будаговым мы немного рассказали о достижениях группы CDF/ОИЯИ на Тэватроне. Недавно в ОИЯИ побывал с визитом руководитель коллаборации CDF доктор Роберт Розер. Он встретился с научными сотрудниками, познакомился с работами, ведущимися в ОИЯИ, выступил с докладом на семинаре в ЛЯП, был принят директором Института А.Н.Сисакяном.

Насколько уникальна и значима роль ОИЯИ в ведущихся исследованиях?

А. Артиков: Наш Институт - активный и энергичный участник создания важнейших узлов установки CDF и ныне ведущегося анализа данных. Во всех исследованиях по физике тяжелых кварков в триггерах при отборе мюонов используются большие сцинтилляционные счетчики, изготовленные в ОИЯИ под руководством Ю.А.Будагова и И.Е.Чирикова-Зорина. Установка CDF и коллайдер Тэватрон прекрасно работают. Получены такие первоклассные результаты, как прецизионные измерения массы топ-кварка, массы и ширины W-бозона, открытие новых частиц, включая новый b-адрон; открыто и исследовано смешивание нейтральных странных B-мезонов.

В. Глаголев: На встрече с Р.Розером директор ОИЯИ отметил, что в настоящий момент одна из главных задач ОИЯИ по базовым установкам - это проект NICA для исследования сверхплотного состояния адронной материи, и выделил другое важное направление развития Института в области физики частиц - работы по программе ILC. Это, в частности, проектные разработки по криогенным модулям четвертого поколения для ILC. Были инициированы и успешно проведены в Сарове первые испытания по сварке взрывом титана и нержавеющей стали. Эти работы имеют высокий приоритет, так как позволяют значительно уменьшить стоимость создания ILC (где бы это ни произошло в будущем).

Расскажите о семинарах, прошедших в отделе и лаборатории, в которых принял участие американский ученый.

Д. Хубуа: 18 сентября прошел неформальный семинар отдела множественных адронных процессов (НЭОМАП) ЛЯП, который я бы назвал "коллоквиум". Обсуждались такие вопросы, как масса бозона Хиггса (Н.Джиокарис), первые данные по обнаружению корреляций в спектрах заряженных пионов на CDF по теоретическим идеям А.Сисакяна - И.Манджавидзе и корреляций Бозе - Эйнштейна по разработкам Г.Козлова (С.Токар и Ю.Кульчицкий), проектирование криомодулей ILC (А.Суханова), сварка взрывом (Б.Сабиров), сопутствующая электроника (А.Волков), лазерная метрология (Ю.Будагов) и др. Все это вызвало живой интерес Р.Розера. Возникшая дискуссия естественным образом вылилась в более конструктивное обсуждение планов будущих совместных работ ОИЯИ, FNAL, INFN (Пиза), университетов в Афинах и Братиславе.

Профессор Розер с удовлетворением отнесся к диссертационным планам нашего отдела по итогам работы группы Ю.А.Будагова на CDF. Защитил докторскую диссертацию В.Глаголев, готовят свои диссертации А.Артиков, Д.Чохели, И.Суслов и О.Пухов. Р.Розер видит схожесть подходов к диссертациям в нашем отделе и в коллаборации CDF: выполненные работы должны логически завершаться защитой диссертаций.

В. Бедняков: На следующий день, 19 сентября, прошел общелабораторный семинар, собравший многих ученых и специалистов из ЛТФ, ЛЯП, ЛИТ, ЛВЭ, ЛФЧ и ЛНФ. Доктор Р.Розер рассказал о полученных на CDF результатах и программе будущих исследований на Тэватроне. Он остановился на уникальной возможности обнаружения на Тэватроне бозона Хиггса. Особенно впечатляют планы почти вдвое увеличить светимость этого ускорителя к концу 2009 года. В настоящее время эта светимость составляет примерно 4 обратных фемтобарна (фб). Это означает возможность регистрации одного события, сечение которого не менее 4 фб. Так, например, ожидаемое сечение образования на Тэватроне бозона Хиггса (при "благоприятных условиях") составляет примерно 200 фб.

Ю. Будагов: В целом на CDF ведутся два типа исследований - это прецизионные измерения уже известных величин и поиск новых явлений, необходимые для проверки Стандартной модели. Особенно интересно и важно измерение сечений процессов с образованием струй для проверки квантовой хромодинамики, определения кварк-глюонного состава протона и т.п. Если измеренные сечения не совпадают с расчетными, это может быть первыми указаниями на "новую физику". Безусловно, чтобы сделать такого сорта утверждение о "новой физике", необходима абсолютная уверенность в правильном понимании функционирования самой детектирующей установки CDF. Последнее, на самом деле, имеет место, поскольку измеренные сечения образования адронных струй совпадают с расчетными значениями на протяжении более 8 порядков изменения их величин. Такая точность, помимо всего прочего, позволяет в значительной мере снизить неопределенности структурных функций протона в экстремальных кинематических областях.

Кроме измерения адронных струй важное значение имеет исследование свойств Z- и W-бозонов, поскольку, например, лептонные моды их распада относительно свободны от фоновых процессов и являются очень удобным средством разнообразной калибровки измеряемых сигналов. Прецизионное измерение сечений образования Z-бозона (примерно 250 пб) и W-бозона (2600 пб) демонстрирует хорошее согласие с теорией. С учетом этого появляется возможность контролировать абсолютную нормировку светимости ускорителя. Принципиальным (например, для проверки теории и поиска бозона Хиггса) является прецизионное измерение массы и полной ширины распада W-бозона.

В. Бедняков: Следующий важный вопрос, на котором остановился в своем докладе Р.Розер, - это обнаружение совместного образования Z- и W-бозонов (ZW-вершины) в протон-антипротонных столкновениях при тэвных энергиях. В настоящее время этот процесс является наиболее редким из надежно зарегистрированных коллаборацией CDF (на уровне 6 стандартных отклонений), его измеренное сечение составляет примерно 5 пикобарн (пб) и согласуется с расчетами в рамках Стандартной модели. Самым редким для CDF в настоящее время является "почти зарегистрированный" (на уровне 3 сигма) процесс "слабого" рождения одиночного топ-кварка (его сечение примерно 3 пб).

Далее Р.Розер рассказал о результатах CDF в области так называемой B-физики. Это открытие четырех новых барионов, содержащих b-кварки, - два заряженные Сигма_b барионные состояния, Тета_b-барион (5,6 ГэВ/c2) и новый b_с-барион (6,3 ГэВ/c2). Безусловно, наиболее фундаментальным достижением в этой области является обнаружение осцилляций (или смешивания) в системе нейтральных странных B-мезонов и измерение параметра этого смешивания (Dms=17,8 обратных пикосекунд, или, примерно, 0,012 эВ). Данное число означает, что 3x1012 раз за секунду материя "мигает": скачком превращается в антиматерию и обратно, как только ей предоставляется возможность "ощутить себя" в роли нейтральных странных B-мезонов.

Ю. Будагов: Значительное место в докладе было уделено изучению свойств топ-кварка, самой тяжелой из всех ныне известных фундаментальных частиц. Значение ее массы в рамках современных представлений теснейшим образом связано с массой бозона Хиггса, с характером нарушения так называемой электрослабой симметрии и, следовательно, с механизмом формирования масс элементарных частиц. В отличие от всех остальных пяти кварков Стандартной модели, топ-кварк так быстро распадается на b-кварк и W-бозон, что не успевает образовать связанного состояния с другими кварками, то есть в Природе нет (может быть пока) мезонов и адронов, содержащих t-кварки. В чем причина такой "спешки" - это еще одна загадка топ-кварка, быть может, связанная не только с его большой массой. Стоит отметить также, что важную роль в современном понимании механизма обсуждавшегося выше смешивания Bs-мезонов играет именно тяжелый топ-кварк.

В. Глаголев: При энергиях Тэватрона пары "топ - анти-топ" кварков образуются главным образом (на 85 процентов) за счет процесса жесткой аннигиляции кварков из сталкивающихся адронов. Остальные 15 процентов приходятся на вклады глюонов. Полное сечение образования топ-пары, измеренное коллаборацией CDF, составляет 7,3 пб, что хорошо согласуется с теорией. Более того, точность измерений становится такой высокой, что уже сравнима с теоретическими вычислениями, это в ближайшей перспективе открывает возможность проверки теории и поиска проявлений "новой физики" в процессах образования пар топ-кварков. Большая набранная статистка (1 обратный фб) позволила достичь беспрецедентной точности (на уровне 1 процента) в определении массы топ-кварка (170,9±1,8 ГэВ/c2). С дальнейшим ростом статистики абсолютная точность "неумолимо" приближается к отметке в 1 ГэВ/c2.

В. Бедняков: В эксперименте CDF исследовались также и другие характеристики топ-кварка. Были измерены полная ширина его распада, электрический заряд, спиральность W-бозона от распада топ-кварка, сечения образования W-бозона и нескольких адронных струй, получен предел на массу топ-кварка четвертого поколения (более известного как t'-кварк) и на вероятность образования узкого нейтрального резонанса (типа Z'-бозона), распадающегося на топ - анти-топ пару.

Наибольшие ожидания коллаборация CDF связывает с возможностью обнаружения бозона Хиггса (H-бозона). Сегодня поиск этой скалярной частицы, ответственной за механизм образования масс элементарных частиц, мало отличается от известной задачи о перспективах обнаружения иголки в стоге сена. В Стандартной модели нет строгих ограничений для массы этого бозона. Однако роль спасительной соломинки в данном случае играют радиационные поправки, связывающие уже измеренные массы топ-кварка и W-бозона с массой H-бозона. Именно отсюда следует та известная оценка, что масса бозона Хиггса не превышает 182 ГэВ/c2. Имея такую - оптимистическую для Тэватрона - перспективу, необходимо понять, как H-бозон образуется и по каким продуктам распада можно его зарегистрировать.

Как известно, чем больше масса у элементарной частицы, тем, следовательно, сильнее она взаимодействует с бозоном Хиггса. Поэтому для образования этого бозона необходимо участие наиболее массивных частиц - W-бозона и t-кварка. Действительно, при энергиях Тэватрона с наибольшей вероятностью (сечение 0,2-0,7 пб) H-бозон "вылетает из топ-кваркового треугольника, стоящего двумя вершинами на глюонах" (процесс gg H), а также путем тормозного излучения из W-бозона (процесс qq' W WH). Для регистрации образовавшегося бозона Хиггса предлагается опять воспользоваться отмеченным выше "правилом о массах" - то есть искать его по распаду на b - анти-b пару (если масса H-бозона меньше 140 ГэВ/c2) или по распаду на пару W-бозонов (если масса H-бозона больше 140 ГэВ/c2). К сожалению, в первом случае большой фон сводит практически на нет все попытки обнаружения "легкого" бозона Хиггса. Наиболее перспективным оказывается комбинированный поиск на CDF бозона Хиггса с массой в области 160 ГэВ/c2. Для этой области масс измеренный предел на сечение образования H-бозона уже лишь незначительно выше теоретически предсказанного в Стандартной модели. Достаточно улучшить CDF-анализ (а для этого есть значительные резервы) и увеличить статистику (ускоритель работает хорошо), и если "тэватронные" исследователи удачливы, то есть такой бозон Хиггса существует, то он будет ими зарегистрирован.

В контексте этого наблюдения Роберт Розер сравнил CDF эксперимент с хорошим калифорнийским вином - оба с возрастом становятся все лучше и лучше.

А. Артиков: Лидер коллаборации CDF особо отметил значительный вклад ОИЯИ в ряд ключевых систем CDF: создание и эксплуатация сцинтилляционного комплекса и кремниевого детектора вторичной вершины, анализ данных по топ-кварку и т.д. Сцинтилляционный комплекс ОИЯИ позволил получить наиболее точное значение массы W-бозона. Уникальный силиконовый детектор и триггер были незаменимы в задаче поиска смешивания B-мезонов, получено наиболее точное значение массы топ-кварка (в дилептонной моде распада топ - анти-топ пары).

Ю. Будагов: В заключительной части доклада Р.Розер еще раз перечислил наиболее яркие достижения коллаборации CDF за прошедший год - результаты наивысшего мирового уровня - прецизионные измерения массы топ-кварка, массы и ширины W-бозона, открытие новых B-барионов, открытие и измерение смешивания B-мезонов, регистрация WZ-вершины и т.д. Важнейшим достижением также является постоянное увеличение чувствительности как "к бозону Хиггса", так и к другим процессам. Вместе с ростом полной светимости ускорителя (почти втрое) это, в частности, позволяет коллаборации плодотворно работать, как минимум, до 2009-2010 года. Дальнейшая перспектива в сильной степени зависит от успехов LHC.

"Нечто новое может появиться в любую секунду, и коллаборация CDF уже готова к этому увлекательному моменту!" - так завершил свой доклад Роберт Розер. Его выступление было столь интересным, что обсуждение естественным образом перетекло из конференц-зала ЛЯП в комнаты физиков и продолжалось там еще довольно долго.