Автор: Ермолов П. Ф., Шабалина Е. К.

Доктор физико-математических наук П. Ф. ЕРМОЛОВ, кандидат физико-математических наук Е. К. ШАБАЛИНА, Научно-исследовательский институт ядерной физики, (НИИЯФ) МГУ им. М. В. Ломоносова

Физика тяжелых кварков - одно из приоритетных направлений современных фундаментальных исследований структуры элементарных частиц и их взаимодействий. Соответствующие эксперименты проводят интернациональные группы ученых на крупнейших ускорителях мира, и в их числе - физики НИИЯФа МГУ. О их вкладе в эту область науки и пойдет речь в данной статье.

В 60-х годах XX в. было установлено: сильновзаимодействующие "элементарные" частицы - адроны (к ним относятся протоны, нейтроны, пионы, странные мезоны, гипероны и др.) в действительности не являются таковыми, а сами состоят из более элементарных частиц - кварков. Тогда только на основе трех u, d, s-кварков (из-за малой массы названных легкими) и соответствующих им антикварков u, d, s появилась теория, позволившая объяснить весь открытый к тому времени спектр адронов и характерные свойства их взаимодействий. Согласно ей, протоны и нейтроны состоят из трех кварков, в то время как мезоны, например, пи и К - мезоны, - из кварка и антикварка.

Следует отметить: кварки обладают специфическими свойствами. Во-первых, их электрический заряд не целый, а дробный, равный 2/3 (u-кварк) или 1/3 (d и s-кварки) заряда электрона. Во-вторых, они имеют сильный заряд, называемый "цветом", причем каждый кварк может находиться в одном из трех возможных состояний - "красном", "синем", "зеленом". Подчеркнем: цвет кварка - это новое квантовое число, а не оттенок видимого света. А вот комбинации кварков - адроны - бесцветны.

Сильное взаимодействие кварков происходит путем обмена частицами-глюонами. Последние тоже обладают цветовым зарядом, причем могут находиться в восьми сочетаниях цвета и антицвета. Сила взаимодействия между кварками увеличивается с сокращением расстояния между ними; скажем, при его уменьшении с 10 ^-13 до 10 ^-16 см она возрастет в 10 раз.

Однако трехкварковая модель строения адронов просуществовала недолго. Ряд экспериментальных данных и теоретических обобщений позволили предсказать наличие четвертого кварка. И действительно, в 1974 г. ученые открыли новое семейство адронов, свойства которых могли быть объяснены только рождением более тяжелого с-кварка, названного очарованным (от англ. charm). Это событие можно считать началом нового раздела науки - физики тяжелых кварков. В 1977 г. их семейство по-

стр. 9

полнил так называемый прелестный b-кварк (от англ. beauty).

Обнаружению двух тяжелых кварков способствовали не только удача экспериментаторов, но в значительной степени бурное развитие теоретических представлений о строении материи. Принципиально важным в 60 - 70-е годы XX в. стало установление тесной связи между электромагнитными и слабыми взаимодействиями, объединенными в стандартную электрослабую модель ^* . Дополненная моделью сильных взаимодействий кварков и глюонов, квантовой хромодинамикой ^** , она называется стандартной (объединенная модель сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий). За последующие 20 лет удалось наблюдать все элементарные частицы, составляющие ее основу: промежуточные W и Z ^o -зоны, т-лептон. И наконец,последний и самый тяжелый топ-кварк (t).

Его открыли в 1995 г. в США на коллайдере Теватрон в Национальной лаборатории им. Э. Ферми в столкновениях встречных пучков протонов и антипротонов с полной энергией 1800 ГэВ. На сегодняшний день это максимальная энергия, достигнутая на ускорителях. Причем t-кварк обнаружили одновременно на двух установках Теватрона - CDF и DO. В эксперименте DO самое активное участие принимали российские ученые из Института физики высоких энергий (ИФВЭ) и НИИЯФа МГУ. Кстати, сейчас к исследованиям на усовершенствованной установке DO присоединились специалисты Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), Санкт-Петербургского института ядерной физики и Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ).

Следует отметить: с наибольшей вероятностью t-кварк рождается в паре со своим антикварком в элементарных процессах сильного взаимодействия. Из-за чрезвычайно малого времени жизни, единственный способ его увидеть - детектировать продукт его распада.

Если мысленно рассечь установку DO перпендикулярно направлению встречных пучков, то в событии с образованием пары tt-кварков видны два высокоэнергичных лептона и две струи (каскад частиц) от распада В-адронов. Кроме того, в таком событии имеется значительный дисбаланс энергии импульса, что говорит о появлении нейтрино.

На установке DO ученые зарегистрировали 17 событий с образованием пары tf-кварков, в эксперименте CDF - около 40. При этом были измерены важнейшие параметры стандартной модели - масса топ-кварка и сечение его парного рождения.

Теория говорит: помимо парного, возможно и одиночное рождение t-кварка, однако соответствующий процесс должен происходить не за счет сильного, а электрослабого взаимодействия. В проведении такого исследования на установке DO значительную роль сыграли созданный в НИИЯФе МГУ пакет программ СотрНЕР, предназначенный для автоматизации расчетов, а также разработанные нашими сотрудниками генераторы для компьютерного моделирования рождения одиночного t-кварка, включая как исследуемые реакции, так и фоновые процессы. Правда, из-за более сильного фона, чем наблюдается при парном рождении t- кварка, само это событие пока не удалось обнаружить, а лишь оценить его вероятность. Однако группа физиков из НИИЯФа МГУ продолжит поиск на усовершенствованной установке DO, которая запущена в марте 2001 г.

Российские ученые разработали и произвели на отечественных предприятиях уникальное оборудование для этой модернизиро-

^* Электрослабая модель - единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий кварков и пептонов (прим. ред.).

^** Квантовая хромодинамика - квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков и глюонов (прим. ред.).

стр. 10

Событие с рождением пары кварков (tt) в установке DO.

ванной установки. Одной из ключевых ее систем стал кремниевый вершинный детектор, смонтированный с участием специалистов НИИЯФа МГУ.

Кратко поясним: критическим моментом для наблюдения t- кварка является регистрация b-кварка, точнее В-адронов. Последние нестабильны и живут примерно 10 ^-12 с. При больших энергиях они до распада проходят расстояние порядка нескольких миллиметров. Вершинный детектор с высоким пространственным разрешением позволит "увидеть" В-адрон, что, в свою очередь, радикально расширит возможности установки DO для исследований стандартной модели, в частности, существенно увеличит вероятность того, что можно будет наблюдать одиночное рождение t-кварка и изучать его свойства.

Созданию этой уникальной прецизионной (наиболее точной) системы способствовало развитие в нашем институте совместно с ведущими производственными предприятиями России технологии изготовления специализированных больших полупроводниковых детекторов. Они представляют собой, по существу, полупроводниковые диоды, выполненные на основе сверхчистого кремния. Следует отметить: p-n- переход в кремнии создается при помощи имплантации строго дозированного количества примесей, определяющих тип проводимости материала. Заряженные частицы, пролетая через такой детектор, ионизируют атомы кремния, т.е. образуют в нем электрический заряд, который можно зарегистрировать. Данные приборы обладают уникальными свойствами: быстродействием; высоким пространственным разрешением (до 5 мкм), если кристалл кремния разделен на большое количество микрополосок (микрострипов), с которых снимается сигнал от частицы; способностью измерять ионизацию, вызываемую проходящей заряженной частицей.

Хотя в западных лабораториях этот метод применяют с начала 80-х годов XX в., в России крупномасштабное производство высококачественных кремниевых детекторов различных типов и конфигураций впервые реализовано в 90-х годах именно в НИИЯФе МГУ совместно с рядом научных коллективов и предприятий подмосковного Зеленограда, Санкт-Петербурга, Екатеринбурга и Москвы.

Если говорить об эксперименте DO , то сотрудники НИИЯФа МГУ создали дизайн передней части (дисков) трековой системы на основе микростриповых детекторов большой площади. (Последние были изготовлены на одном из предприятий Зеленограда ^* ). Затем они провели многочисленные исследования их характеристик, разработали и осуществили сборку детекторов со считывающей электроникой и системой охлаждения в единую конструкцию. Система содержит около 150 тысяч каналов считывания сигналов заряженных частиц.

Прорыв в технологии производства кремниевых детекторов позволил физикам НИИЯФа МГУ стать полноправными участниками ряда крупнейших международных экспериментов. Остановимся на одном из них, осуществляемом на втором по энергии ускорителе мира - ГЕРА, созданном в лаборатории ДЕЗИ (ФРГ). Это единственный коллайдер, в котором протонный пучок сталкивается с электронным (позитронным) с полной энергией 320 ГэВ. Он построен специально для изучения леп-тон-кварковых столкновений, кварковой структуры протона, кварк-антикварковых проявлений во взаимодействиях фотонов, а также механизмов рождения тяжелых кварков, т.е. он сооружен для детального исследования предсказаний квантовой хромодинамики и определения путей ее дальнейшего развития. Конечно, важным аспектом исследований на этом ускорителе является поиск новых частиц и их взаимодействий.

На коллайдере ГЕРА в сталкивающихся электрон-протонных пучках работают одновременно две установки ZEUS и HI. Здесь трудятся большие интернациональные группы ученых, в том числе из российских институтов. Например, в эксперименте ZEUS участ-

^* См.: А. Ю. Бударов, А. П. Лаврентьев. Доли микрона, увиденные в Зеленограде. - Наука в России, 2000, N 4 (прим. ред.).

стр. 11

вуют физики из НИИЯФа МГУ и Московского инженерно- физического института, на установке HI из ИТЭФа и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН.

Установка ZEUS - это детектор, со всех сторон окружающий вакуумную камеру; в ней сталкиваются электроны и протоны. Он имеет системы регистрации мюонов, электронов и адронных струй. Последние наблюдаются в калориметрах (электронном и адронном), созданных на основе счетчиков из сцинтилляторов ^* и урана. Для улучшения выделения электронов на большом фоне адронов внутри той части калориметра, которая расположена вдоль встречных пучков, помещен так называемый адрон-электронный сепаратор, предложенный НИИЯФом МГУ. Он представляет собой плоскость площадью примерно 6 м ² , составленную из десяти тысяч кремниевых полупроводниковых детекторов.

Для повышения координатного разрешения калориметра и минимизации числа каналов считывания в нашем институте были разработаны и на отечественных предприятиях изготовлены кремниевые детекторы площадью около 10 см ² и соответствующая усилительная микроэлектроника. В свою очередь, создание таких приборов накладывает жесткие требования на бездефектность исходного кремния, чистоту применяемых в технологическом процессе реактивов и недопустимость малейших механических повреждений на всех этапах производства.

Важной проблемой становится также измерение электрических характеристик детекторов с целью проверки их качества. Для этого в НИИЯФе МГУ создан автоматизированный комплекс. Он включает несколько дополняющих друг друга стендов для определения параметров детекторов. Результаты измерений автоматически записываются в базы данных, что обеспечивает легкость доступа к информации.

Выдающимся вкладом в развитие квантовой хромодинамики стали полученные в экспериментах на ускорителе ГЕРА данные о структуре элементарных частиц на сверхмалых расстояниях. Было обнаружено: плотность партонов (кварк- антикварковых пар и глюонов) резко увеличивается на расстояниях порядка 10-16 см. А вместо наблюдаемых ранее трех квар-ков и в среднем около двух глюонов при определенных условиях число партонов увеличивается до 20- 25 кварков и 60-70 глюонов. Следовательно, протон (а также все другие адроны) имеет сложную структуру - помимо трех кварков, из которых, как предполагалось, состоит нуклон, в нем вследствие флуктуации образуется облако виртуальных глюонов. Их испускают кварки, и затем они снова исчезают с образованием кварк-антикварковых пар. Эффект глюонного облака лежит в основе современной теории квантовой хромодинамики.

Сотрудники нашего института, принимающие участие в эксперименте ZEUS, интенсивно исследуют структуру другого загадочного объекта теории - померона, обеспечивающего дифракционные процессы (введен в теорию сильных взаимодействий в 1962 г. академиком И. Я. Померанчуком). Теоретики предположили, что он представляет собой систему из двух глюонов. Детальное изучение дифракционного рождения различных мезонов, проводимое специалистами НИИЯФа МГУ на установке ZEUS, позволит собрать информацию о структуре померона.

Другим важным направлением их работы в этом эксперименте является изучение рождения самого легкого из тяжелых - с- кварка, точнее D-мезонов, содержащих его в своем составе. Измерение их характеристик важно для уточнения параметров моделей, развитых на основе квантовой хромодинамики.

Детальное изучение очарованных барионов, содержащих в своем составе с-кварки, при энергии 600 ГэВ проводят в Национальной лаборатории им. Э. Ферми (США) с участием ряда российских институтов. В частности, сотрудники НИИЯФа МГУ разработали одну из систем для этой экспериментальной установки - детектор, использующий так называемое черенковское излучение ^** для опре-

^* Сцинтилляторы - органические или неорганические вещества или их растворы, в которых под воздействием ионизирующих излучений возникают световые вспышки (прим. ред.).

^** Черенкова-Вавилова излучение света возникает при движении в веществе заряженных частиц со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этом веществе (прим. ред.).

стр. 12

Упрощенная конструкция установки СВД-2для исследования рождения с-кварка на ускорителе в г. Серпухове:

1 - микростриповый кремниевый трекер; 1.а- активная мишень; 2 - газовые пропорциональные счетчики; 3 - отклоняющий магнит; 4 - черепковский детектор; 5 - детектор фотонов высоких энергий.

деления масс заряженных частиц. Надеемся, после завершения анализа будут получены уникальные данные о новых адронных состояниях, содержащих в своем составе очарованный кварк.

И наконец, кратко остановимся на исследованиях, осуществляемых на отечественном ускорителе Института физики высоких энергий (г. Протвино) с начальной энергией протонов 70 ГэВ. Кроме ученых ИФВЭ, в нем участвуют физики НИИЯФа МГУ, ОИЯИ. Цель этого эксперимента, названного СВД, - изучение механизма рождения очарованных частиц (D-мезонов и л _с -барионов). Энергия Серпуховского ускорителя интересна тем, что квантово-хромодинамическое описание процессов в данном случае должно иметь уникальный "почерк" как при рождении с- кварков, так и в механизмах их фрагментации в адроны.

Установка СВД включает вершинный кремниевый микростриповый детектор, впервые полностью изготовленный в России, а также спектрометр для регистрации импульсов образующихся частиц, черенковский счетчик для измерения масс частиц и электромагнитный калориметр для определения энергии фотонов. Первый результат, полученный на установке СВД, где в качестве вершинного детектора использовали специальную пузырьковую камеру с высоким пространственным разрешением, показывает: измеренные полные сечения образования cc-кварков хорошо согласуются с зависимостью сечения от энергии в других экспериментах. Продолжение работ на уже модифицированной установке даст возможность наблюдать значительно большее число (10 ³ -10 ⁴ ) событий рождения сс-пар, что позволит понять применение теории квантовой хромо- динамики в области сравнительно небольших энергий.

Из приведенных выше результатов, а также из астрофизических экспериментов видно: на сегодняшний день стандартная модель частиц и их взаимодействий нашла широкое подтверждение и хорошо отражает структуру материи на малых расстояниях. Тем не менее ошибочно считать, что получены ответы на все вопросы. Ибо эта модель имеет ряд недостатков: единая электрослабая теория содержит много параметров, значение которых пока неизвестно, ряд положений введен в нее, что называется, "руками", основываясь на экспериментальных данных. Теория не предсказывает такие фундаментальные параметры, как число поколений кварков и лептонов, наблюдаемых на опыте, не определяет массы частиц. Квантовая хромодинамика, описывающая сильные взаимодействия, и электрослабая модель все-таки выступают как части, не связанные воедино общими положениями.

Поэтому ученые продолжают поиск с целью получения более общей концепции, по крайней ме-

стр. 13

Схема экспериментальной установки ATLAS.

А. Калориметры установки ATLAS:

1 - адронные пластинчатые калориметры,

2 - электромагнитные калориметры типа "аккордеон",

3 - адронные жидкоаргонные торцевые калориметры,

4 - передние жидкоаргонные калориметры.

В. Внутренний детектор установки ATLAS:

1 - микростриповые газовые камеры,

2 - цилиндрический полупроводниковый трекер,

3 - передний полупроводниковый трекер,

4 - координатные детекторы,

5 - детекторы переходного излучения.

ре, органически сочетающей в себе три взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное. Идеи такого рода составляют основу суперсимметричной теории элементарных частиц, а также теории супергравитации, включающей четвертое взаимодействие - гравитационное. Подтверждений этих обобщений пока нет, если не считать обнаруженные в космических исследованиях переходы одного сорта нейтрино в другие, свидетельствующие о малой массе нейтрино. Эти переходы (осцилляции) представляются более естественными в суперсимметричной теории. Наличие суперпартнеров у кварков и лептонов (скварки, нейтралино и др.), появление лептокварков, обладающих свойствами как кварков, так и лептонов, возможность распада протона интенсивно проверялось в ходе экспериментов, но пока не обнаружено.

Исследования этих эффектов будут продолжены в 2001 г. с активным участием ученых НИИЯФа МГУ на модернизированных установках DO и ZEUS с повышенной интенсивностью пучков. Через несколько лет ожидается ввод в строй нового протон-протонного коллайдера на энергию 14 ТэВ в Европейском центре ядерных исследований ЦЕРН (Швейцария) с двумя крупнейшими установками ATLAS и CMS ^* , в разработку проекта и создание которых вносят значительный вклад многие российские институты, в том числе и НИИЯФ МГУ.

Словом, можно с уверенностью сказать: у отечественных физиков есть хорошие перспективы сыграть достойную роль в познании все еще не разгаданных тайн строения материи.

^* См.: Л. Н. Смирнова. Шаг в двадцать первый век. - Наука в России, 1996, N 1 (прим. ред.).

Постоянный адрес данной публикации: