Важнейшие результаты 2003 года

Экспериментальная физика Теоретическая физика Обеспечение работы и развитие ускорителя У-70 Научно-организационная деятельность Рисунки

Экспериментальная физика

Исследования ГНЦ ИФВЭ в 2003 году в области физики высоких энергий осуществлялись на крупнейшем в России 70 ГэВ ускорителе ИФВЭ и на зарубежных ускорителях-коллайдерах CERN и США (FermiLab, BNL) по приоритетным направлениям физики высоких энергий.

В течение 2003 года получены следующие важнейшие результаты:

В эксперименте на установке ИСТРА+ (ИФВЭ-ИЯИ РАН) завершено исследование распада K^- -> p^-p⁰p⁰ на полной статистике (252 тыс.событий). Квадрат матричного элемента этого распада представляется в виде:
|M|² ~ 1+gY+hY²+kX², где Y=(s₃-s₀)/m_p² ;
X = (s₁-s₂)/m_p² ;
s_i = (p_K-p_i)2 ;
s₀ = (s₁+s₂+s₃)/3 ;
здесь p_K и p_i - четырёхимпульсы К и p мезонов, индекс 3 соответствует p^- С наилучшей в мире точностью измерены параметры квадрата матричного элемента распада g,h,k:
g = 0,627 ± 0,004 (стат.) ± 0,010 (сист.)
h = 0,046 ± 0,004 (стат.) ± 0,012 (сист.)
k = 0,001 ± 0,001 (стат.) ± 0,002 (сист.)
Эти результаты вместе с другими мировыми данными представлены на рис.1. Измерения данного эксперимента значительно превосходят по точности все предыдущие. Они особенно актуальны в свете новых расчётов распадов K -> 3p в Киральной пертурбативной теории.

Рис.1. Увеличить

Рис.2. Увеличить

В этом же эксперименте на установке ИСТРА+ (ИФВЭ-ИЯИ РАН) получены окончательные результаты по изучению распада K^- -> e^-np⁰ на статистике 550 тыс.событий, что превышает мировую статистику. В распаде измерен наклон векторного формфактора f₊(q²)
l₊ = 0,0286 ± 0,0008 (стат.) ± 0,0006 (сист.),
точность измерения является лучшей в мире. Сравнение с последними мировыми данными приведено на рис.2. Этот результат интерпретируется как измерение векторного радиуса K-p перехода:
r²_V = 0.341 ± 0.01 фм²,
радиус перехода имеет физический смысл, аналогичный электромагнитным радиусам частиц и отражает распределение "слабого заряда" внутри мезонов.
Впервые в данном эксперименте достигнута точность, сравнимая с точностью измерения электромагнитных радиусов. В эксперименте на установке ИСТРА+ (ИФВЭ-ИЯИ РАН) получены окончательные результаты поиска псевдоскалярного голдстино (P) в распаде K^- -> p^-p⁰ P, возможность существования которого предсказывается на уровне Br ~ 10^-4. Результатом поиска является новое ограничение на этот процесс. Полученное ограничение находится на уровне Br ~ 8x10^-6 (см.рис.3) и существенно превосходит результат, полученный ранее в эксперименте E787 (BNL, США). Этот результат можно представить в виде ограничения на константу гипотетического скалярного взаимодействия, переводящего s-кварк в d-кварк (рис.4).
На том же рисунке приведено ограничение на эту константу из разности масс K_L - K_S мезонов.

Рис.3. Увеличить

Рис.4. Увеличить

Программа развития исследований на У-70 в области физики К-мезонов предусматривает создание уникального канала сепарированных каонов на базе сверхпроводящих резонаторов и новой экспериментальной установки (проект ОКА).

Рис.5. Увеличить В 2003 году развернуты работы по монтажу оборудования канала сепарированных К-мезонов, смонтировано "теплое" электрофизическое оборудование (рис.5). Пусковые работы по всему комплексу канала планируется выполнить в 2004 году. В эксперименте на установке ВЕС ведется систематическое исследование процессов образования экзотических мезонных состояний. Ранее было обнаружено состояние с массой 1,7 ГэВ с экзотическими квантовыми числами, запрещенными для системы кварк-антикварк. Состояние носит признаки гибридного мезона. В 2003 году наблюден и изучен новый процесс pp -> h¹p⁰ n, Ранее этот процесс не наблюдался. Показано, что в нем преобладают состояния с неэкзотическими квантовыми числами J^PC = 2⁺⁺.
Напротив, образование состояний с экзотическими квантовыми числами J^PC = 1^± , здесь подавлено. Этот результат свидетельствует о гибридной природе состояния с массой 1,7 ГэВ. В эксперименте на установке КМН ведется программа изучение распадов заряженных К-мезонов. Основная цель эксперимента - поиск зарядовой асимметрии параметров наклона графика Далитца для распадов K^± -> p^±p⁰p⁰.
Наблюдение такой асимметрии означало бы обнаружение прямого нарушения СР-инвариантности, которое до сих пор наблюдалось только в распадах нейтральных К-мезонов. Установлено, что параметр асимметрии для изученных распадов не превышает 2x10^-3, что является наиболее сильным ограничением на данную величину. Планируется измерение параметра асимметрии с чувствительностью в 10-20 раз лучше на модернизированной экспериментальной установке. В сеансах работы ускорителя У-70 в 2003 завершен рекордно большой набор данных на установке ФОДС-2 в эксперименте по рассеянию поляризованных протонов на протонах и ядрах. Основной целью эксперимента является исследование адрон-адронных взаимодействий на партонном уровне в зависимости от ориентации спина протонов пучка. В эксперименте СФИНКС проведено исследование радиационных распадов L(1520)-гиперона. Радиационные распады легких мезонов и барионов служат важным источником информации об их внутренней структуре, волновых функциях и углах смешивания, механизмах нарушения SU(3)-симметрии. На рис.6 показан спектр масс Lg, реакции p + N -> (LgK⁺) + N.
На вставке показан "очищенный спектр", полученный с использованием специальных критериев отбора, позволяющих подавить фоновые события. Хорошо виден пик в области масс L(1520). На рис.7 показан спектр масс pK^-, полученный в эксперименте в реакции p + N -> (pK^-K⁺) + N. Распад L(1520), относительная вероятность которого хорошо известна, использовался для нормировки. В спектрах масс рис.6 и рис.7 найдено ~300 распадов L(1520) -> Lg и ~21500 распадов L(1520) -> pK^-
С учетом поправки на различную эффективность регистрации этих распадов была получена оценка относительной вероятности распада L(1520) -> Lg, равная (11 ± 0.25)%, что дает для абсолютной ширины этого распада значение G[L(1520) -> Lg] = 171 ± 39 КэВ, которое снимает существовавшие ранее экспериментальные противоречия.

Рис.6. Увеличить

Рис.7. Увеличить

В 2003 г. в эксперименте PHENIX на коллайдере RHIC (BNL, США) были выполнены исследования по столкновению ядер дейтерия и золота при энергии в системе центра масс 200 ГэВ и проведен набор статистики в Р - Р столкновениях при поперечной и продольной поляризации пучков.
Фундаментальной целью исследования d - Au столкновений является разделение эффектов "холодной" ядерной материи и эффектов фазы образования и адронизации "горячей" кварк-глюонной плазмы, возникновение которой ожидается в Au-Au столкновениях. Данные, полученные при изучении d - Au взаимодействий, играют важную роль в интерпретации результатов Au-Au взаимодействий, а также дают уникальную информацию о партонных структурах в ядрах и распространении партонов в холодной ядерной среде. Получены первые и чрезвычайно важные данные по выходам заряженных частиц и p⁰-мезонов c большими поперечными импульсами в D-Au и P-Au столкновениях, которые кардинально отличаются от аналогичных данных в Au-Au столкновениях.
На рис.8 проведено сравнение выхода частиц в зависимости от поперечного импульса в соударениях D-Au и Au-Au. Данный экспериментальный факт подтверждает гипотезу о том, что подавление выходов частиц с большими поперечными импульсами, обнаруженное ранее в Au-Au взаимодействиях, связано с образованием кварк-глюонной фазы состояния материи.

Рис.8.
Увеличить

В 2003 г. проведен второй сеанс международного эксперимента D0 на крупнейшем в мире протон-антипротонном коллайдере FermiLab. Получены новые научные результаты, среди которых наиболее важными являются следующие: данные по распределению адронных струй по поперечному импульсу согласуются с предсказаниями Стандартной модели, что свидетельствует о том, что размер кварков не превышает 10^-17 см, т.е. по крайней мере в 10000 раз меньше размера протона; исследование образования мюонных пар в области больших значений эффективной массы позволило впервые наблюдать и изучить рождение различных состояний ипсилон-частицы в протон-антипротонных взаимодействиях при энергии 2 ТэВ в с.ц.м.; получено наиболее точное значение массы t-кварка, равное 180,1 ± 5,4 ГэВ/с². Успешно выполнены работы ГНЦ ИФВЭ по изготовлению уникального оборудования для LHC (CERN) и по подготовке экспериментов CMS, ATLAS, LHC-B и ALICE на LHC.

Рис.9.
Увеличить

В ГНЦ ИФВЭ разработан и производится методом литья под давлением полистирольный бор-содержащий сцинтиллятор марки ИФВЭ_СЦ-331 с высокой эффективностью регистрации тепловых нейтронов и короткими временами высвечивания (~ 2 нс).
На базе этого сцинтиллятора впервые в России разработан новый детектор нейтронов (рис.9). Технические характеристики детектора: Длительность выходного сигнала - не более 50 нсек Мертвое время детектора - не более 100 нсек Чувствительность детектора - не менее 0.6 импульс/нейтр/см² Неэффективность регистрации
в телесном угле 4p - не более 30% Напряжение питания - 180,1 ± 12 В Эксплуатационные характеристики детектора: конструктивное исполнение - герметичный температура - от -30°С до +50°С влажность - до 95% Преимуществом нейтронных сцинтилляционных детекторов является их быстродействие (время высвечивания ~ 2 нс) и отсутствие эффекта "засыпания".
Поэтому они, в отличие от медленных газовых счетчиков (характерная длительность переднего фронта импульса около 1 мксек), могут работать при очень больших загрузках - на 3 и более порядков выше, чем газовые, справляясь с потоками порядка 10⁸ - 10¹⁰ нейтронов в секунду.

Теоретическая физика

На основе релятивистской теории гравитации получены предсказания относительно космологических параметров Вселенной. С помощью недавних наблюдательных данных получена верхняя оценка на массу гравитона 3,2x10^-66 г. Выполнены оценки для эксклюзивного дважды дифференциального сечения рождения бозона Хиггса при энергиях LHC. Создан генератор собы-тий, адаптированный к установке CMS. На основе модели конституэнтных кварков объяснен универсальный характер инклюзивной поляризационной асимметрии. На основе U-матричного подхода успешно объяснены и описаны особенности в поведении сечений эксклюзивного электророждения векторных мезонов, наблюденные на коллайдере HERA (DESY, Германия), в частности, зависимость сечений от масс векторных мезонов. На основе теории с дополнительными компактными размерностями даны предсказания для квантово-гравитационного вклада в процесс взаимодействия лептонов.

Обеспечение работы и развитие ускорителя У-70

Плановое время работы ускорителя У-70 в двух сеансах 2003 года составило 2024 часа. В I сеансе ускоритель работал с большой интенсивностью (выше 10¹³ прот/цикл). Это позволило оптимизировать режимы всех систем и довести максимальную интенсивность до 1,65x10¹³ прот/цикл. Впервые на ускорителе в рабочем режиме реализован медленный вывод высокоинтенсивного пучка (более 10¹³ прот/цикл) на установку ФОДС-2 при хорошем качестве временной структуры выведенного пучка. Это позволило создать уникальный пучок поляризованных протонов с энергией 40 ГэВ. Ведется сооружение нового линейного ускорителя - инжектора бустера на энергию 30 МэВ (УРАЛ-30М). Ускоряющая структура этого ускорителя состоит из четырех секций, которые вводятся поэтапно. В 2003 г. закончены предмонтажные испытания второй секции ускорителя (С2), она смонтирована на штатном месте в стендовом помещении, состыкована с секцией С1. Осуществлен физический пуск цепочки и получен коэффициент прохождения пучка, близкий к 100%: ионная пушка согласующий канал секции С1 (выходная энергия 7,25 МэВ) секция С2 (выходная энергия 15,1 МэВ).

Научно-организационная деятельность

В 2003 г. ГНЦ ИФВЭ провел "XXVI международное совещание по фундаментальным проблемам физики высоких энергий и теории поля", в котором приняло участие 100 специалистов, из них 70 иногородних, 20 иностранных. В 2003 г. ГНЦ ИФВЭ провел "Рабочее совещание по арсенид-галлиевым детекторам", в котором приняло участие 70 специалистов, из них 60 иногородних. В ГНЦ ИФВЭ работает 171 молодой специалист, из них 40 принято на работу в 2003 году. В ГНЦ ИФВЭ работают очная и заочная аспирантура по пяти специальностям и два диссертационных совета по тем же специальностям: докторский совет по специальностям: теоретическая физика - 01.04.02, физика высоких энергий - 01.04.23, физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника - 01.04.20; кандидатский совет по специальностям: элементы и устройства вычислительной техники и систем управления - 05.13.05, математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей - 05.13.11. В 2003 году в аспирантуре ИФВЭ обучалось 32 аспиранта. В ГНЦ ИФВЭ работает Учебно-научный центр (УНЦ). В настоящее время УНЦ ИФВЭ имеет пять базовых кафедр МГУ, МИФИ и МФТИ. При ГНЦ ИФВЭ работают Подготовительные курсы, на которых старшеклассники протвинских школ готовятся к поступлению в вузы.