 |
Еженедельник Объединенного института ядерных исследований (Электронная версия с 1997 года) |
№ 16 (4055) от 15 апреля 2011:
Горизонты научного поиска
COMPASS, COMPASS -II и другие
В этой статье мы хотели бы познакомить читателей с современными проблемами изучения структуры частиц - научного направления, инициированного в 1974 году в ОИЯИ его директором академиком Николаем Николаевичем Боголюбовым. Эта инициатива выразилась в предложении проводить соответствующие исследования совместно с ЦЕРН и другими лабораториями. В результате были проведены первый ЦЕРН-ОИЯИ эксперимент NA-4, эксперимент SMC, эксперименты HERMES и H1 в DESY с участием ОИЯИ. Продолжение этих исследований в ЦЕРН описано ниже.
Экспериментальная установка COMPASS, сооруженная усилиями более чем 300 специалистов из 26 институтов 13 стран и введенная в эксплуатацию в ЦЕРН в 2002 году, - самая большая установка в мире для изучения процессов взаимодействия частиц на так называемых фиксированных мишенях. В отличие от этих исследований, в исследованиях на коллайдерах обе взаимодействующие частицы - частица-снаряд и частица-мишень - двигаются. Эксперименты на коллайдерах имеют преимущества, когда требуется (при тех же затратах усилий) изучить процессы при максимальной энергии сталкивающихся частиц. Однако не все важные для науки исследования можно осуществить на коллайдерах. В частности, программу COMPASS практически невозможно осуществить на коллайдерах.
Вид части установки COMPASS в экспериментальном павильоне.
Физическая программа COMPASS, продление которой запланировано на COMPASS-II, зашифрована в названии установки. Это аббревиатура из нескольких английских слов, означающих "общая мюон-протонная аппаратура для изучения структуры протонов и спектроскопии связанных адронных (в основном кварковых и глюонных) состояний". Осуществление этой программы требовало использования одной и той же установки и двух типов падающих на мишень частиц высоких энергий (до 300 ГэВ) - поляризованных мюонов и пионов. Такая уникальная возможность создана в ЦЕРН, где в конце подземного канала длиной несколько километров, фокусирующего тот или иной тип пучка, расположен экспериментальный павильон длиной около 100 метров, где и работает установка COMPASS. Для изучения редких процессов пучки должны иметь высокую интенсивность - до 5·108, а аппаратура - эту интенсивность "переварить".
COMPASS состоит из крупнейшей в мире поляризованной мишени и из двух спектрометров. Первый из них оптимизирован на регистрацию частиц, вылетающих из мишени в более широком интервале углов и имеющих сравнительно меньшую энергию (импульс), а второй - в более узком интервале углов и с большими импульсами. Каждый из спектрометров оборудован системой координатных детекторов и детекторов, производящих идентификацию частиц. Задача первых - измерить координаты частиц, по которым потом восстанавливается геометрия и кинематика произошедшей реакции, а вторых - определить тип частицы: является ли она фотоном, электроном, мюоном, пионом, каоном или протоном.
В зависимости от расстояния до мишени и положения по отношению к пучку падающих частиц используются различные типы быстрых координатных детекторов, имеющих высокое пространственное разрешение. Так, для восстановления треков в области пучка по обе стороны от мишени используются самые быстрые из них - сцинтилляционные волокна диаметром около 1 мм в комбинации с более медленными кремниевыми микростриповыми детекторами, имеющими пространственное разрешение порядка 50 микрон. При отдалении рассеянных частиц от оси пучка интенсивность потока уменьшается, это позволяет использовать микроструктурные газовые детекторы. Трекинг (определение координат) в области больших углов рассеяния осуществляется многопроволочными пропорциональными и дрейфовыми камерами, в том числе "соломенными" (straw).
Идентификация частиц производится детекторами мюонов, электромагнитными и адронными калориметрами и детектором черенковского излучения типа RICH, который разделяет адроны в определенном диапазоне импульсов по типам - на пионы, каоны и протоны.
Важнейший элемент COMPASS - поляризованная мишень, в состав вещества которой входят ядра простейших атомов водорода и дейтерия - протоны и нейтроны, собирательно - нуклоны. Методика поляризации протонов и дейтронов, то есть поддержание спинов этих ядер в течение длительного времени в определенном направлении, разработана в ОИЯИ профессором Б.С.Негановым с сотрудниками и используется во многих научных центрах. Мишень COMPASS имеет 2 или 3 секции с общей длиной 120 см, протоны или дейтроны вещества могут быть поляризованы продольно или поперечно по отношению к пучку падающих частиц. При этом поляризация в секциях может иметь противоположные направления. Такая мишень позволяет во много раз уменьшить систематические погрешности измерений и обеспечить их высокую статистическую точность.
Ю.Ф.Киселев рядом с поляризованной мишенью установки COMPASS.
Важный элемент экспериментальной установки - система триггеров, которая обеспечивает выбор различных типов реакций (например, глубоко-неупругих взаимодействий). Такая система на COMPASS - одна из самых быстрых и развитых. Система сбора данных COMPASS (DAQ) выполняет накопление и передачу информации для дальнейшего физического анализа и лишь немногим уступает по производительности DAQ системам на LHC-экспериментах.
ОИЯИ внес в создание COMPASS весомый материальный и интеллектуальный вклад. Наши специалисты участвовали в разработке, изготовлении и эксплуатации адронного калориметра (А.Максимов, О.Гаврищук, Н.Власов, А.Юкаев, Г.Мещеряков и другие), мюонного детектора (Г.Алексеев, Н.Кравчук, Н.Кучинский, В.Родионов и другие) и дрейфовых камер типа "straw" (В.Пешехонов, В.Лысан, Г.Кекелидзе и другие), входящих в первый спектрометр. Кроме того, ревизия и подготовка всех пропорциональных камер перед началом сеансов набора данных традиционно проводится нашими экспертами (А.Коренченко, А.Попов, В.Чалышев и другие). Уже много лет неизменный авторитет в экспериментальном зале - Владимир Аносов, на его плечах вся инженерная инфраструктура COMPASS. Участие Юрия Киселева, ведущего в мире специалиста по поляризованным мишеням, во многом определяет рекордные параметры мишени COMPASS.
Группа сотрудников ОИЯИ на установке COMPASS. Слева направо: А.Нагайцев, А.Самарцев, И.Савин, В.Аносов, В.Фролов, Е.Земляничкина и М.Алексеев (Турин).
Структура протона - одна из актуальнейших проблем науки о строении материи. Без полного понимания структуры ядра самого простого атома водорода - протона - мы не можем претендовать на понимание более сложных объектов природы.
Согласно современной теории фундаментальных взаимодействий, так называемой Стандартной модели, с большой точностью подтвержденной многочисленными экспериментами, протон состоит из трех валентных кварков, связанных глюонами. Последние могут рождать виртуальные (без нарушения законов сохранения) "морские" кварки. Протон живет вечно. Зная, как ведут себя кварки и глюоны в протоне, мы получаем сведения о вечных законах природы. На языке физиков поведение кварков и глюонов в протоне характеризуется их распределениями (функциями распределений кварков и глюонов) по некоторым кинематическим переменным. Эти распределения измерены экспериментально, в том числе в первом ЦЕРН-ОИЯИ эксперименте NA-4. Все дальнейшие исследования структуры частиц, в том числе и на LHC, используют эти распределения. Ведь одной из основных задач программы LHC является установление закона образования массы протона из кварков и глюонов - одной из фундаментальных физических констант.
Еще одна фундаментальная константа - спин протона, или величина его собственного момента количества движения. Еще в 19-м веке эта фундаментальная константа была измерена, и ее величина в определенных единицах равна 0,5. В рамках наивной кварковой модели протона основной вклад в эту величину должны давать кварки, спины которых равны +0,5 или -0,5. Три кварка, из которых два имеют спины +0,5 и один кварк -0,5, дают полный спин протона 0,5. Но (!) эксперимент, выполненный в ЦЕРН Европейской мюонной коллаборацией (EMC), показал, что это не так: кварки дают вклад в спин протона не больше чем 30 процентов его макроскопической величины, то есть не больше 0,15.
Возник "спиновый кризис", который пытались разрешить эксперименты Спиновой мюонной коллаборации (SMC) в ЦЕРН, эксперименты в SLAC и HERMES в DESY. Но безуспешно. Они лишь с большей точностью установили тот же малый вклад кварков. Что дальше? Появился ряд теоретических работ, в том числе одна из первых от теоретиков ОИЯИ А.В.Ефремова и О.В.Теряева, в которых обосновывалось предположение, что в спин протона большой вклад могут внести глюоны. Это стало одной из основных задач программы исследований на COMPASS с мюонным пучком: измерение поляризации глюонов в протоне и оценка вклада глюонов в спин протона. Технические возможности COMPASS позволили осуществить эти измерения четырьмя независимыми способами. В результате, к всеобщему разочарованию, оказалось, что вклад глюонов в спин протона даже меньше, чем вклад кварков! В получении этих результатов большая заслуга Олега Кузнецова.
Спиновый кризис не разрешен. Теперь, на основании известного закона сохранения момента количества движения, который условно можно озвучить как "спин протона равен сумме вкладов от кварков, от глюонов и от их орбитальных моментов", главной задачей становится измерение вклада в спин протона от орбитальных моментов всех его составных частей. Для этого необходимо провести новую серию экспериментов, чтобы изучить трехмерную (3D) структуру протона, которая характеризуется так называемыми обобщенными функциями распределений кварков и глюонов.
COMPASS-II планирует приступить к этим измерениям в 2014 году, для этого существующая аппаратура должна быть дополнена новой 2,5-метровой водородной мишенью, окруженной детектором частиц отдачи, и новым электромагнитным калориметром, в создании которого участвует наш Институт. В нем вместо традиционных фотоумножителей будут использованы новейшие инновационные разработки полупроводниковых фотодетекторов (многоканальных лавинных фотодиодов), ведущиеся уже более 15 лет в ОИЯИ З.Садыговым и другими.
Кроме ответа на животрепещущий вопрос о вкладе глюонов в спин протона, COMPASS помог получить сведения о структуре нуклонов, которые войдут (или уже вошли) в таблицы мировых данных и учебники. Среди этих вкладов в "мировую копилку" отметим два.
Первый - это наиболее полные и наиболее точные данные о функциях распределений поляризованных кварков в поляризованных нуклонах. Имеются в виду распределения поляризованных кварков каждого типа в отдельности: типа "u", типа "d", типа "s" и их антикварков. Инициатива и определяющий вклад в получение этих данных и их интерпретация в рамках Стандартной модели принадлежит нашим физикам, в первую очередь Александру Корзеневу, Дмитрию Пешехонову, Елене Земляничкиной, Олегу Шевченко, Олегу Иванову и другим. Корзенев, Земляничкина и Иванов защитили по этим результатам кандидатские диссертации. Особо хотелось бы отметить вклад физиков, работавших под руководством академика А.Н.Сисакяна. Они разработали ряд новейших методов анализа мировых данных и их сравнения с предсказаниями теории КХД (квантовой хромодинамики). Часть этих работ вошла в докторскую диссертацию Олега Шевченко.
Второй - это уникальные наблюдения предсказанных теорией азимутальных асимметрий в рождении адронов на продольно (Ю.Иваньшин, А.Ефремов) и поперечно поляризованных нуклонах. Этими наблюдениями открыт "ящик Пандоры": они указывают на то, что структура нуклонов значительно сложнее, чем предполагалось в простой кварковой модели (вспомните известное выражение классика о неисчерпаемости чего-то). Дальнейшее изучение азимутальных асимметрий, в том числе и через реакции типа Дрелла-Яна-Матвеева-Марадяна-Тавхелидзе, входит в программу COMPASS-II.
До сих пор мы рассказывали о программе исследований с мюонным пучком, основное содержание которой - изучение структуры нуклонов. Программа исследований с пионным пучком включает другие актуальные задачи: поиск и изучение характеристик связанных кварк-глюонных состояний, в частности так называемых глюболов (состоящих только из глюонов) и гибридов, включающих кварки и глюоны. Подобные исследования в ИФВЭ и ЦЕРН раньше проводились с участием группы академика Ю.Д.Прокошкина, для чего в ИФВЭ был создан знаменитый электромагнитный калориметр ГАМС. Для их продолжения COMPASS имеет рекордные параметры, которые гарантируют получение статистики, превышающей всю мировую. Уже обнаружено новое состояние, не наблюдавшееся ранее, особенности которого анализируются в настоящее время.
Составной частью адронной программы COMPASS является предложение наших физиков (А.Г.Ольшевский) измерить с большой точностью электрическую и магнитную поляризуемость пиона с целью критической проверки различных предсказаний теории. Для этого необходимо изучить рождение фотонов пионами в электрическом поле ядра - в так называемых реакциях Примакова. Такие измерения проводились ранее на многих ускорителях, в том числе группой ОИЯИ в ИФВЭ. Но из-за малой статистики и возможных систематических ошибок результаты получались противоречивыми. COMPASS обладает уникальной возможностью избавиться от большинства систематических ошибок, изучая реакции Примакова как с пионным, так и с мюонным пучком. Пионы, как частицы, состоящие из кварка и антикварка, должны обладать поляризуемостью, в то время как мюоны - точечные частицы - ею не обладают. В обоснование и выработку методики измерений определяющий вклад внесли З.В.Крумштейн и наш молодой специалист Алексей Гуськов, недавно защитивший кандидатскую диссертацию в Италии.
В заключение отметим, что COMPASS, успешно выполняя программу намеченных экспериментов, стал мировым лидером по исследованиям структуры адронов. Подготовлена программа новых экспериментов на установке COMPASS-II, в результате выполнения которой будут получены первые данные о так называемых обобщенных структурных функциях, и, возможно, будет разрешен спиновый кризис. Мы также надеемся, что важный вклад в понимание спиновой структуры нуклонов будет сделан в экспериментах на проектируемом коллайдере NICA.
Игорь САВИН, Александр НАГАЙЦЕВ.
Дубна-Женева. Апрель 2011 года.
