Еженедельник
Объединенного института ядерных исследований
(Электронная версия с 1997 года)
Архив Содержание номера О газете На главную Фотогалерея KOI8

№ 49-50 (3938-3939) от 26 декабря 2008:

Версия № 49-50 в формате pdf (~3.2 Mb)

Горизонты научного поиска

Сколько весит топ-кварк

2-4 декабря во Всероссийском НИИ метрологии имени Д.И.Менделеева (ВНИИМ) проходило Всероссийское совещание по квантовой метрологии и фундаментальным физическим константам, организованное по инициативе С.Г.Каршенбойма, известного физика-теоретика. Оно имело целью собрать "под одной крышей" специалистов, занимающихся метрологией на основе новейших достижений квантовой физики, и исследователей в области физики частиц, атомной физики и астрофизики. В совещании, кроме хозяев, приняли участие представители ряда академических институтов. От ОИЯИ был приглашен автор настоящего сообщения с докладом о программе экспериментов на пучке позитрония, которые возможны на установке LEPTA (ЛЯП ОИЯИ).

Программа совещания и состав участников отчетливо продемонстрировали общность проблем, с которыми имеют дело физики, работающие в далеких, на первый взгляд, областях исследований. Уже первый доклад, представленный А.С.Катковым (ВНИИМ): "Транспортируемый эталон Вольта, основанный на квантовом эффекте Джозефсона, и международные сличения эталонов", - ярко продемонстрировал одну из важнейших проблем современной физики и техники - абсолютные измерения и калибровку измерительных устройств. И здесь использование квантовых эффектов позволило выйти на качественно новый уровень. Эталон, представленный в докладе, обеспечивает абсолютную точность на уровне лучше 1 нановольта! Кроме того, этот эталон, основанный на использовании эффекта Джозефсона, - наглядный пример тому, как сегодня метрологи все чаще отказываются от "договорных" базовых единиц и переходят к эталонам, базирующимся на фундаментальным физических эффектах.

Эта тема была продолжена на следующий день в докладе С.Г.Каршенбойма "Недавний прогресс в уточнении значений фундаментальных физических констант", подготовленный по материалам (2006) рабочей группы CODATA (Committee on Data for Science and Technology). Прогресс в снижении неопределенностей таких констант составил с 1973 по 2006 годы от нескольких раз (гравитационная постоянная и постоянная Больцмана) до одного (постоянные Авогадро и Планка), трех (постоянная тонкой структуры) и четырех (отношение масс протона и электрона) порядков. Наиболее впечатляюще снижение неопределенности в значении постоянной Ридберга - примерно от 7x10-8 до 5x10-12.

Читателю интересно будет узнать, что значение скорости света в 1983 году принято равным 299 792 458,0 м/с точно (!), так что длина 1 метр не привязана больше к какой-то доле Парижского меридиана и платиново-иридиевым эталонам, хранящимся под "семью замками" в нескольких странах мира (два - в России). По существу, тем самым переопределено значение единицы длины! Впрочем, про "семь замков" участники совещания получили вполне серьезную информацию. Оказывается гиря "килограмм-эталон" извлекается из сейфа раз в несколько лет, и проблему составляет необходимость ее отмыть (буквально!), дабы избавиться от адсорбированных атмосферных примесей, искажающих "истинный" вес килограмма.

Спрашивается, какое отношение все это имеет к физике частиц? Как ясно уже из вышесказанного, - самое непосредственное. Физические константы, "появляющиеся" в результате исследований микро- (физика частиц) и макро- (астрофизика) мира, являются объективными "параметрами природы". Поэтому "переформулировка" метрологии на основе физических констант представляется неизбежной. Что и предполагается сделать в 2011 году, когда вполне вероятно будет введена новая система единиц СИ.

Первый же "физический" доклад, представленный И.Б.Хрипловичем (ИЯФ имени Г.И.Будкера), был посвящен обзору экспериментальных данных электрических дипольных моментов (ЭДМ) частиц и следующих из них ограничений на ЭДМ кварков и тау-лептона. Эта проблема - одна из фундаментальных в физике высоких энергий и связана с поисками "новой физики" (за пределами Стандартной модели).

Возможности таких поисков в процессах аннигиляции позитрония рассматривались в двух следующих докладах - С.Н.Гниненко (ИЯИ РАН) и автора этой заметки. Эти поиски имеют прямое отношение к современным проблемам "темной материи", гипотезам "Brane World" ("миры на брэнах"), и т.п. Считается, что прецизионные измерения времени жизни ортопозитрония позволят экспериментально "зацепить" эти проблемы. Необходимая для этого точность измерений времени жизни находится на уровне 10-6 (при достигнутой сегодня 10-4). Не меньший интерес представляют поиски гипотетической частицы "легкого аксиона", которая, как считают, может быть составляющей "темной материи".

Серия докладов первого и второго дня прошли "под флагом" квантовой электродинамики. В трех из них были представлены КЭД расчеты сверхтонкой структуры тяжелых ионов (С.И.Мармо, ВГУ, и В.М.Шабаев, СпГУ) и мюония (В.А.Шелюто, ВНИИМ).

Несколько докладов были объединены проблемой гиромагнитного отношения частиц. В.Я.Шифрин рассказал о работах ВНИИМ по прецизионному измерению гиромагнитных отношений протона, гелиона (ядро Не-3) и ядра Не-4. Приятно было узнать, что полученные результаты находятся на уровне лучших мировых (для протона 1,7x10-8 единиц СИ).

В докладе Ю.М.Шатунова (ИЯФ имени Г.И.Будкера) были представлены результаты сравнения гиромагнитых отношений релятивистских электрона и позитрона, выполненные на коллайдере ВЭПП-2М в 1987 году. До сих пор полученный тогда результат является непревзойденным - менее 10-8. Докладчик представил оценки возможного повышения этой точности на 2-3 порядка, что может быть сделано на коллайдере ВЭПП-2000, введенном в строй недавно в ИЯФ.

В следующем докладе Б.И.Хазин (тот же институт) обстоятельно рассказал об эксперименте по прецизионному измерению гиромагнитного отношения мюона в Брукхейвенской лаборатории, в котором участвуют и новосибирские физики. Как известно, в этом эксперименте точность значения "аномальной добавки" в гиромагнитном отношении мюона a=(g-2)/2 была улучшена более чем на порядок и, что важно, экспериментальное значение a "разошлось" с КЭД-расчетным на три стандартных отклонения. Пока все еще не ясно, что является причиной такого расхождения - недостаточная точность расчетов (обзор этих проблем был представлен в докладе А.А.Пивоварова, ИЯИ РАН), неучтенная систематическая погрешность или "долгожданное" обнаружение отклонения от Стандартной модели. Автор представил соображения о том, как увеличение набора данных позволит увеличить точность еще в 1,5 раза.

В свою очередь, повышение точности расчетов требует знания величины сечения двухпионной аннигиляции электрона и позитрона (e+e- =>2), так как эти "петли" диаграмм Фейнмана дают заметный вклад в КЭД-расчетное значение a. С этой целью на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2М в ИЯФ имени Г.И.Будкера были поставлены специальные измерения сечения этого процесса в диапазоне энергий = 0,58-1,38 ГэВ с точностью лучше процента. Результаты этих измерений были представлены Г.В.Федотовичем (публикации 2004-2006). Достигнутую точность планируется улучшить на порядок в новом цикле измерений, что становится возможным с вводом в действие коллайдера ВЭПП-2000 (в настоящее время он уже выведен на светимость 1031 см-2с-1). Позволят ли эти эксперименты "примирить" КЭД-расчетное значение с экспериментальным и, тем самым, "сохранить" Стандартную модель незыблемой (на этом "участке фронта" исследований), - покажет недалекое будущее.

Второй день работы завершили два доклада, относящиеся к проблеме прецизионной спектроскопии атома водорода. В последние годы был достигнут значительный прогресс в лазерной спектроскопии двух первых уровней этого атома. В докладе Н.Н.Колачевского (ФИАН) сообщалось, что благодаря значительному повышению стабильности лазеров и точности измерения оптических частот, а также применению "лазерного охлаждения" удалось достичь точности в сравнении лазерных частот на уровне 17-го знака "после запятой", что превышает точность цезиевых эталонов времени. Автор представил результаты экспериментов по измерению сверхтонкого расщепления 2S уровня водорода, проведенных на основе двухфотонного возбуждения 1S-2S перехода (напомним, что этот переход запрещен для однофотонного возбуждения). Изящество развитого в работе метода состоит в высокоточном измерении частоты двухфотонного перехода между подуровнями сверхтонкой структуры 1S и 2S состояний. Достигнутая точность значений сверхтонкого расщепления превзошла в несколько раз полученную ранее в известных радиочастотных измерениях.

Интерес к подобного рода прецизионной спектроскопии связан, во-первых, с "тестированием" КЭД-расчетов структуры атомов (доклад В.Г.Иванова, Главная астрономическая обсерватория РАН, и С.Г.Каршенбойма, ВНИИМ). Кроме того, сравнение частот 1S-2S перехода в водороде и антиводороде является задачей известных экспериментов ATRAP и ALFA в ЦЕРН, имеющих целью обнаружить различие материи и антиматерии. Эта проблема (как шутят физики, имеющие дело с антиатомами - "Does it matter that Matter differs from Antimatter?") давно ждет своего ответа. И впечатляющие результаты в двухфотонной спектроскопии (вместе с безуспешными пока попытками формировать антиатомы в ловушках) заставляют вернуться к рассмотрению экспериментов с потоками атомов.

Доклады третьего, последнего дня конференции объединяла проблема "постоянства констант". Эта фраза отнюдь не тавтология - эволюция физических (читай - природных!) констант в масштабах возраста Вселенной представляется одной из важнейших в космологии. Исследования этой проблемы ведутся как в лабораторных экспериментах (доклад М.Г.Козлова, ПИЯФ - поиски "непостоянства" постоянной тонкой структуры в молекулярных спектрах), так и с помощью анализа данных геофизических наблюдений (М.С.Онегин, ПИЯФ) и астрофизических и "спутниковых" измерений - доклады В.Н.Мельникова (ВНИИМС), Д.А.Варшаловича (ФТИ) и А.В.Иванчика (СпГПУ), М.Г.Козлова (ПИЯФ) и Е.В.Питьевой (Институт прикладной астрономии).

Завершал конференцию доклад Ю.И.Неронова (ВНИИМ), вернувший слушателей к проблеме гиромагнитного отношения - на этот раз для легких атомов. Докладчик представил обзор экспериментальных достижений в этой области таблицы Менделеева и обсудил существующие до сих пор расхождения результатов измерений, проведенных во ВНИИМ и за рубежом.

В числе участников конференции были студенты и аспиранты Петербургского и Самарского университетов, представившие несколько стендовых докладов. Организаторы конференции выразили желание сделать ее традиционной, что было встречено участниками с одобрением.

И. МЕШКОВ, член-корреспондент РАН


 Редакция Веб-мастер