• создание серии сверхпроводящих магнитных устройств с сильными полями для источников СИ и электронных накопителей (вигглеры и поворотные магниты с полем до 10 Т, соленоиды с полем до 13 Т) (с 1996 года).
Уникальные установки и оборудование Института составляют основу инфраструктуры для широкого спектра междисциплинарных научных и научно-технологических исследований, проводимых в созданных при Институте четырех Центрах коллективного пользования: Сибирском Центре синхротронного излучения, Центре фотохимических исследований, Центре геохронологии кайнозоя, Центре электронно-лучевых технологий. Возможностями Центров ежегодно пользуются сотни организаций.
Прикладные работы ИЯФ СО РАН целиком базируются на результатах фундаментальных исследованиях Института и сконцентрированы на следующих основных направлениях:
• Промышленные ускорители электронов высокой мощности, используемые для модификации полимеров, очистки промышленных и бытовых отходов, производства нанопорошков чистых Введение металлов, окиси кремния, оксидов, карбидов и нитридов металлов, радиационной обработки продуктов питания, стерилизации медицинского оборудования и одноразовых инструментов и одежды, и других технологических применений;
• Малодозные цифровые рентгенографические установки сканирующего типа со сверхнизким уровнем облучения пациента для медицины и систем безопасности;
• Разработка установок ядерной медицины для протонной, ионной и бор-нейтрон-захватной терапии злокачественных образований;
• Установки для электронно-лучевой сварки;
• Радиографическое оборудование для исследований оборонного характера.
На протяжении последних 20 лет ИЯФ СО РАН активно использовал возможности финансирования фундаментальных и прикладных работ за счет средств, получаемых от хоздоговорной деятельности и выполнения контрактных работ. ИЯФ разрабатывает, производит и поставляет потребителям в страны Европы, Азии, Северной и Южной Америки (более 20 стран), а также в Россию широкий спектр наукоемкой и высокотехнологичной продукции более чем на полмиллиарда рублей ежегодно. На полученные таким образом средства был достроен и введен в эксплуатацию ускорительный комплекс ВЭПП-4М с уникальным детектором КЕДР, разработаны и построены новые крупные современные уникальные установки: электрон-позитронный коллайдер ВЭППлазер на свободных электронах, новый инжекционный комплекс для обеспечения работы существующих и будущих установок ИЯФ. В течение всего постсоветского периода за счет этих средств поддерживалась непрерывная работа установок ИЯФ и соответствующей инфраструктуры.
ИЯФ отличает широкое многолетнее международное сотрудничество с большинством крупных зарубежных и международных центров. Ярким примером такого сотрудничества является участие ИЯФ в крупнейшем международном проекте современности – создании Большого Адронного Коллайдера в Европейском Центре Ядерных Исследований (г. Женева). В рамках этого сотрудничества ИЯФ разработал, изготовил и поставил в ЦЕРН уникальное высокотехнологичное оборудование стоимостью более 100 миллионов швейцарских франков. Среди других примеров международного сотрудничества – участие в проектах B-фабрик в США и Японии, в реализации крупных европейских проектов: источника синхротронного излучения PETRA-III и рентгеновского лазера на свободных электронах (DESY, Гамбург), тяжёло-ионного ускорительного комплекса (GSI, Дармштад) и ряда других.
ИЯФ играет ключевую роль в ряде крупных российских проектов, в числе которых: Центр синхротронного излучения в НИЦ ‘’Курчатовский Институт’’, Источник синхротронного излучения ТНК в Зеленограде, нейтронный источник для ОИЯИ в Дубне, радиографическое оборудование для исследований оборонного значения для ФГУП ‘’РФЯЦ-ВНИИТФ’’ в Снежинске.
Институт принимает активное участие в формировании инновационной экономики страны.
Одним из ярких примеров этого процесса является разработка совместно с ИЦиГ СО РАН и ЗАО ‘’Сибирский центр фармакологии и биотехнологии’’ уникальной технологии электронно-лучевой иммобилизации биомолекул на инертном носителе, которая используется для серийного производства первого в мире перорального тромболитика ‘’Тромбовазим’’.
Институт глубоко интегрирован в работы РАН и СО РАН, осуществляя выполнение 20 проектов по программам Президиума и отделений РАН, 16 междисциплинарных интеграционных проектов и 8 совместных проектов СО РАН с институтами региональных отделений РАН, национальных академий наук Украины, Беларуси и Китайской народной республики, двух заказных проектов СО РАН – в качестве соисполнителя; четырех государственных контрактов в рамках ФЦП ''Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 годы'' (уникальные стенды и установки, центры коллективного пользования);
девятнадцати государственных контрактов в рамках ФЦП ''Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы; более пятидесяти проектов РФФИ.
Ежегодно сотрудники Института представляют около 300 докладов на международных и российских конференциях, публикуют более 300 статей в ведущих российских и зарубежных научных журналах, издают монографии и учебные пособия. Согласно материалам, опубликованным в обзоре ''Библиометрические показатели Российской науки и РАН'' (Вестник РАН, июнь 2009 года, том 79, № 6), количество ссылок на работы ИЯФ СО РАН за 1997-2007 годы, учитываемых в авториВведение тетной международной базе данных ESI, составляет 28267. В соответствии с данными обзора, это значение является максимальным результатом среди всех институтов Российской академии наук.
Четверо сотрудников Института являются лауреатами специальной премии издательства Elsevier как самые цитируемые авторы на постсоветском пространстве в области естественных наук.
Лучшими работами 2010 года Ученый Совет ИЯФ признал следующие работы:
В области физики элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий:
1. В эксперименте с детектором КЕДР на ВЭПП-4М с лучшей в мире точностью измерены фундаментальные параметры семейства -мезонов – массы и лептонные ширины.
2. В эксперименте BABAR (Стэнфорд, США) с наилучшей в мире тонностью измерены мезон-фотонные переходные формфакторы для псевдоскалярных мезонов 0,, / и c при больших квадратах переданного импульса - от 4 до 40 ГэВ2.
3. В эксперименте с детектором ATLAS на Большом адронном коллайдере с рекордной энергией 2E = 7 ТэВ установлен верхний предел на массу правого промежуточного бозона в модели зеркальной симметрии.
4. Сформулирован и развит новый мощный метод вычисления петлевых интегралов, основанный на размерностном рекуррентном соотношении и аналитичности интегралов, как функций размерности пространства-времени.
В области фундаментальной физики атомного ядра:
5. В эксперименте ДЕЙТРОН на ВЭПП-3 впервые с высокой точностью измерена разность сечений упругого рассеяния электронов и позитронов на протоне.
В области физики плазмы:
6. Разработаны теоретическая модель и комплекс программ расчета нелинейной релаксации мощных электронных пучков в плазме, которые хорошо описывают уже существующие эксперименты и предсказывают высокую эффективность коллективного нагрева плазмы в термоядерном реакторе на основе открытой ловушки.
7. Показано, что даже в присутствии сильной продольной неоднородности плазмы коллективная релаксация релятивистского электронного пучка в плазме многопробочной ловушки ГОЛ- происходит с высокой эффективностью: пучок передает плазме до 55 % своей энергии.
В области физики и техники ускорителей заряженных частиц, источников СИ и ЛСЭ:
8. В экспериментах со встречными пучками тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере при рекордных энергиях впервые проведено прямое наблюдение явления подавления струй.
Ключевым элементом, позволившим осуществить накопление ионных пучков необходимой для этих экспериментов интенсивности, является разработанная и созданная в ИЯФ СО РАН система электронного охлаждения, установленная на ионном накопителе низкой энергии LEIR.
9. Завершено создание и проведены успешные испытания сильноточного инжектора линейного индукционного ускорителя. Получены проектные параметры установки, кардинально превосходящие все имеющиеся в мире аналоги.
10. Осуществлена стабильная генерация эпитепловых нейтронов на установке БНЗТ, оснащенной электростатическим ускорителем – тандемом. Проведены первые эксперименты по облучению опухолевых клеток нейтронами.
11. На электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000 получена светимость в режиме круглых встречных пучков во всем диапазоне энергии накопителя. Проведен первый эксперимент с двумя детекторами СНД и КМД-3 в диапазоне энергии 1000 – 1900 МэВ с набором интегральной светимости 15 обратных пикобарн.
12. Создан уникальный 119-полюсный сверхпроводящий вигглер с периодом 3 см для центра синхротронного излучения ALBA-CELLS (Испания).
13. Разработан координатный рентгеновский детектор DIMEX с субмикросекундным временным разрешением для исследования динамики быстропротекающих процессов и наноструктур с использованием синхротронного излучения.
Введение В 2010 году указом Президента РФ от 06.06.2010 № 678 за достижения в области разработки и создания лазеров на свободных электронах Винокурову Николаю Александровичу присуждена Государственная премия Российской Федерации в области науки и технологий 2009 года. Коллективу из шести сотрудников Института – А.Н. Скринский, Г.Н. Кулипанов, В.В. Кубарев, О.А. Шевченко, М.А. Щеглов и В.М. Петров – присуждена Государственная премия Новосибирской области за цикл работ ‘’Разработка и создание мощного терагерцового лазера на свободных электронах’’.
Коллектив молодых ученых Института в составе: А.В. Богомягков, И.Б. Николаев и К.Ю. Тодышев награжден медалью РАН с премией для молодых учёных по итогам конкурса 2009 года в области ядерной физики за работу «Прецизионное измерение массы -лептона». Коллектив молодых ученых Института в составе: Е.И. Солдаткина и В.В. Приходько стал лауреатом именной премии года Правительства Новосибирской области в номинации «физико-математические науки» за цикл работ «Методы улучшения удержания плазмы в модели источника термоядерных нейтронов на основе газодинамической ловушки». Аспиранты К.А. Мартин и В.И. Алейник стали лауреатами конкурса мэрии г. Новосибирска на предоставление субсидий молодым ученым и специалистам в сфере инновационной деятельности в 2010 году.
Четыре научных коллектива Института, возглавляемые академиками А.Н.Скринским, Э.П.
Кругляковым, Г.Н.Кулипановым и профессором А.П.Онучиным, имеют статус ведущих научных школ, присуждаемый Советом по грантам при Президенте Российской Федерации. Три коллектива молодых ученых Института являются лауреатами этого же Совета как молодые доктора и молодые кандидаты наук.
В отчетном году в Институте продолжали работу три диссертационных Совета с правом приема докторских (кандидатских) диссертаций. Всего проведено 15 заседаний, на которых были защищены 4 докторских и 11 кандидатских диссертаций.
Для учащихся, студентов, преподавателей школ и вузов, сотрудников других организаций и гостей Института было проведено более 50 экскурсий по установкам ИЯФ, которые посетило около 1700 человек, проведены выездные лекции в новосибирских школах.
Физика элементарных частиц 1.1 Детектор КМД- Рис.(1.1)1. Детектор КМД-3. 1 - ярмо магнита; 2 – сверхпроводящие соленоиды ВЭПП-2000;
3 - электромагнитный калориметр на основе кристаллов BGO; 4 - дрейфовая камера;
5 - электромагнитный калориметр на основе кристаллов CsI; 6 - сверхпроводящий соленоид КМД-3; 7 - Z-камера; 8 - электромагнитный калориметр на основе жидкого ксенона.
Схематический продольный разрез детектора КМД-3 показан на Рис. (1.1) 1.
В 2010 году были начаты эксперименты с детектором КМД-3 на коллайдере ВЭПП-2000. С помощью событий из заходов с e+e- пучками были измерены экспериментальные разрешения систем детектора. Пространственное разрешение дрейфовой камеры детектора в плоскости, перпендикулярной оси пучков, составило около 100 мкм, разрешение по среднему импульсу частицы в событиях e+e- рассеяния при энергии пучков 850 МэВ было получено равным p/p = 5 %. Энергетическое разрешение цилиндрического электромагнитного калориметра, включающего в себя калориметр на основе кристаллов CsI и калориметр на основе жидкого ксенона, составило E /E = 6 %.
В период с марта по июнь 2010 года в 7 энергетических точках в диапазоне 1,3-1,9 ГэВ в системе центра масс записана экспериментальная информация, соответствующая интегралу светимости 1,5 пб-1. Проведен предварительный анализ данных для измерения сечений процессов e+e +- и e+e +-+-, результаты которого для процесса e+e +-+- показаны на Рис.(1.1)2.
Видно, что даже небольшого количества событий, записанных в начале экспериментов, оказалось достаточно, чтобы заметно улучшить точность измерения сечения рождения четырех заряженных пионов при энергии больше 1,4 ГэВ в системе центра масс.
В течение лета 2010 года активно велись работы по доработке плат T2Q и ADIS для их адаптации к физическим требованиям заряженного и нейтрального триггеров детектора. Считывание сигналов с секторов Z-камеры переведено с плат T2A стандарта КЛЮКВА на платы T2Q. Чтобы перевести считывание сигналов с полосок калориметра на жидком ксеноне и с катодных полосок Z-камеры на новую электронику в лаборатории разрабатывается плата AWF-32. Необходимо изгоФизика элементарных частиц товить 100 таких плат, что возможно сделать к осени 2011 года. В декабре 2010 года с детектором КМД-3 был проведен физический заход в области энергий (1020)-резонанса. Полученные в заходе экспериментальные данные соответствуют интегралу светимости 0,67 пб-1 в режиме сканирования резонанса. В пике (1020)-резонанса интегральная светимость составила 0,46 пб-1. Исследованы зависимости от энергии сечений процессов K+K- и K0LK0S. По результатам измерения массы (1020) в этой работе была выполнена калибровка энергии коллайдера ВЭПП-2000.
Рис.(1.1)2. Зависимость от энергии сечения рождения четырех заряженных пионов, полученная с детектором КМД-3 на коллайдере ВЭПП-2000, в сравнении с результатами других экспериментов.
Кроме того, в 2010 году продолжалась обработка данных, полученных с детектором КМД-2 на коллайдере ВЭПП-2М. На основе совместного анализа четырех основных каналов распада (1020)мезона была измерена электронная ширина этого резонанса. Было получено следующее значение:
ee = 1,235 ± 0,006 ± 0,022 кэВ. Данное измерение согласуется с результатами предыдущих экспериментов, а его точность сравнима со среднемировой.
1.2 Детектор СНД 1.2.1 Модернизация СНД и первые результаты экспериментов на ВЭПП- Во время экспериментов на коллайдере ВЭПП-2000 в феврале-июне и декабре 2010 году трековая система показала стабильную удовлетворительную работу.
В 2010 году начато изготовление второго экземпляра трековой системы СНД с модифицированной структурой внутреннего катода, позволяющей снизить взаимные наводки между полосками, и использованием новой элементной базы для высоковольтного питания. В марте-мае произведена сборка корпуса, а с октября начаты работы по натяжению проволочной структуры.
Система аэрогелевых черенковских счетчиков с показателем преломления аэрогеля n=1,13 использовалась в экспериментах с момента постановки ее на детектор СНД в 2009 году. В экспериментах с записью космических частиц данные с черенковских счётчиков использовались для проверки работоспособности систем детектора и их калибровки. Полученные данные позволили измерить максимальное количество фотоэлектронов и неоднородность светосбора счетчика в зависимости от времени. К концу экспериментального сезона 2009-2010 годов средняя амплитуда счетчика для электронов составила 4-5 фотоэлектронов. Такой низкий уровень сигнала, в основном, определялся ухудшением свойств аэрогеля - уменьшением длины рассеяния в нём. Было принято решение о пересборке системы счетчиков с проведением тестов каждого элемента счетчика:
аэрогеля, шифтера и фотоумножителя (ФЭУ с МКП). В результате свойства аэрогеля практически полностью восстановились после процедуры отжига, а пластины шифтера не ухудшили своих свойств. Два прибора ФЭУ пришлось заменить ввиду деградации квантовой эффективности фотокатода. На данный момент система полностью восстановлена и установлена на детектор СНД.
С обновленной системой были проведены эксперименты, данные с которых в ближайшее время позволят получить значение величины максимальной амплитуды сигнала для заряженных частиц.
Кроме того, будет экспериментально исследован отклик счетчика для заряженных частиц различного типа. В частности, измерено пороговое поведение амплитуды в зависимости от величины импульса для заряженных -мезонов и допороговая вероятность срабатывания счетчика для заряженных K-мезонов.
В 2010 году проведена калибровка калориметра СНД по событиям процесса e+e- e+e-, набранным в ходе сканирования энергетической области от 1 до 2 ГэВ в системе центра масс. Полученное разрешение согласуется с разрешением, достигнутым в экспериментах 1995-2000 годов. Разработаны новые платы электроники калориметра и начато их производство. Четыре платы нового образца были установлены на первом слое и исправно работают уже в течение шести месяцев.
В 2010 году продолжилось развитие программного обеспечения системы сбора данных (ССД) детектора СНД, в частности:
- осуществлялись работы по поддежке эксперимента ССД, поддержке пользователей ССД, решению проблем при сбоях в электронике и компьютерной подсистеме;
- проведено развитие рабочего места оператора;
- увеличено число активных экранов;
- доработаны интерфейсы подготовки условий запуска и оперативного управления набором статистики, управления процессами системы, отображения текущих значений пересчетных схем и данных с ВЭПП, просмотра "сырых" событий;
- организовано сохранение параметров ВЭПП и детектора в базу данных, начата работа по визуализации, разработан прототип для отображения истории изменения сигнала за последние часов;
- реализовано чтение новых плат оцифровки сигналов с пропорциональной камеры;
- в ССД интегрированы процессы медленного контроля электроники и контроль состояния детектора по событиям;
- осуществлен перевод компьютерной фермы, выполняющей задачи третичного триггера, на виртуальные машины (основанные на технологии XEN).
В области программного обеспечения "offline" :
- модифицирована организация процесса разработки (переход на subversion, TRAC, wiki);
- доработан алгоритм кластеризации полосок;
- реализовано моделирование полосок в пропорциональной камере;
- реализовано связывание полосок и треков в дрейфовой камере в частице;
- реализован алгоритм учета уходов фазы в реконструкции треков;
- проведены профилирование задания на моделирование и реконструкцию, оптимизация;
- расширен набор контролирующих алгоритмов в процессе контроля по событиям;
- существенно расширен набор адаптированных первичных генераторов для моделирования;
- исправлено большое количество ошибок в уже реализованных блоках ПО.
В 2010 году проведен эксперимент с модернизированным детектором СНД на новом электронпозитронном коллайдере ВЭПП-2000 в области энергии 2E = 1,0 1,9 ГэВ. Интегральная светимость составила около 6 обратных пикобарн, что уже сравнимо со светимостью на прежних e+e- коллайдерах. Записанные данные в настоящее время обрабатываются. Используя новые данные для калибровки энергии коллайдера, была измерена кривая возбуждения (1020) мезона в каналах Экспериментальные данные с энергией 2E = 1900 МэВ (выше порога рождения пар нуклонов) использовались для получения предварительных значений сечений процессов рождения нуклон Физика элементарных частиц - антинуклонных пар и для оценки фона. Результаты приведены на Рис.(1.2)1 и (1.2)2. Если для процесса e+e- p получено значение сечения (e+e- p = (0,8 ± 0,2) нб, то для процесса e+e- n фон оказался слишком большим, и сейчас ведется работа по его подавлению.
s,nb Рис.(1.2)1. Сечение процесса e+e- p Черной точкой показан предварительный Вертикальной полосой указана рабочая точрезультат измерения СНД, использующий ка, где в настоящее время проводится обрачасть набранных экспериментальных дан- ботка данных СНД.
ных. Для сравнения показаны результаты предыдущих измерений BaBar.
В 2010 году велись работы по созданию системы измерения энергии на ВЭПП-2000 методом обратного комптоновского рассеяния. Был куплен и запущен в эксплуатацию CO-лазер. Изготовлена вакуумная камера для ввода лазерного излучения в вакуумную камеру коллайдера с высоковакуумным окном из ZnSe.
1.2.2 Обработка данных с ВЭПП-2М Продолжился анализ данных экспериментов, проведенных с СНД на ВЭПП-2М в период с 1995 по 2000 годы. В 2010 году были получены следующие основные результаты по физике элементарных частиц с детектором СНД:
Измерено сечение процесса e+e- +- в канале 2 в области энергии 2E = 1,01,4 ГэВ.
Использовались данные с интегральной светимостью 9,05 пб-1, накопленные на коллайдере ВЭППМ. Полученные результаты (Рис.(1.2) 3) не противоречат данным BaBar и КМД2 и имеют более высокую статистическую точность. Наши данные подтверждают модель векторной доминантности и будут использованы для уточнения этой и других моделей.
В эксперименте с детектором СНД произведен поиск нарушения сохранения лептонного заряда в процессе e+e- е в области энергии около 1 ГэВ. Получены модельно независимые пределы на уровне достоверности 90% на сечение процесса e+e- е: е < 0,6 НБ, а также на соответствующий распад е: B( е) < 2 · 10 -6. Это первые пределы для данной области энергии. Полученный результат вместе с аналогичным пределом для J/ - мезона, будет использоваться для изучения гипотетического e перехода.
SND FIT
Рис.(1.2)3. Сечение процесса e+e- +- в зависимости от энергии, измеренное в эксперименте с детектором СНД, и аппроксимирующая кривая. Для сравнения показаны результаты предыдущих измерений BaBar и CMD2.
Опубликована статья, посвященная поиску процесса e+e- K+K-0 в области энергии от 1,2 до 1,38 ГэВ. Установлены верхние пределы сечений процессов (e+e- K+K-0) < 0,023 НБ и (e+e- KK*(982) K+K-0) < 0,059 НБ на 95% уровне достовености.
Завершен анализ процессов e+e- e+e-, e+e- K±KS± (KS +-) и идет подготовка результатов к публикации. Продолжается анализ процессов e+e- 0, e+e- +-(2E > 1 ГэВ), e+e- +-+-, e+e- +-.
1.2.3 Участие в международных проектах.
В 2010 году была запущена система измерения энергии Пекинской c- фабрики (BEPC-II) методом обратного комптоновского рассеяния. Систематическая погрешность измерения энергии пучка составила около 50 кэВ и была определена путём сравнения массы резонанса, полученной с использованием системы, с табличным значением массы.
Во всех работах принимали участие:
Г.Н. Абрамов, Е.Г Авдеева, П.М. Астигеевич, М.Н. Ачасов, В.М. Аульченко, А.Ю. Барняков, К.И.
Белобородов, А.В. Бердюгин, В.Е. Блинов, А.Г. Богданчиков, А.А. Ботов, Д.А. Букин, А.В. Васильев, В.М. Весенев, В.Б. Голубев, Т.В. Димова, В.П. Дружинин, Л.В. Кардапольцев, Д.П. Коврижин, А.А. Король, С.В. Кошуба, Е.А. Кравченко, А.Ю. Кульпин, К.А. Мартин, А.Е. Образовский, А.П.
Онучин, Е.В. Пахтусова, В.М. Попов, С.И. Середняков, З.К. Силагадзе, А.А. Сироткин, К.Ю. Сковпень, А.Н. Скринский, И.К. Сурин, А.И. Текутьев, Ю.А. Тихонов, Ю.В. Усов, П.В. Филатов, А.Г.
Харламов, Ю.М. Шатунов, Д.А. Штоль, А.Н. Шукаев.
Физика элементарных частиц 1.3 Детектор КЕДР Детектор КЕДР - это универсальный магнитный детектор, эксперименты с которым ведутся на e e -коллайдере ВЭПП-4М в области энергий от 2 до 11 ГэВ в системе центра масс.
+Рис. (1.3)1. Детектор КЕДР. 1-вакуумная камера ускорителя, 2-вершинный детектор, 3-дрейфовая камера, 4-аэрогелевые пороговые счётчики, 5-времяпролётные счётчики, 6-баррельный жидкокриптоновый калориметр, 7-сверхпроводящая катушка, 8-ярмо, 9-мюонные камеры, 10-торцевой CsI калориметр, 11-компенсирующая катушка.
Основные системы детектора КЕДР показаны на рис. (1.3) 1. Кроме того, детектор включает систему регистрации рассеянных электронов для изучения -физики и монитор светимости. Параметры детектора КЕДР находятся на уровне параметров лучших детекторов, работающих в мире в этой области энергий.
Уникальной особенностью экспериментов с детектором КЕДР является возможность измерения с высокой точностью энергии пучков. Для этого используется два метода: метод резонансной деполяризации и метод обратного комптоновского рассеяния. Высокоточное определение энергии пучков накопителя играет важную роль в получении значимых физических результатов с детектора.
Ниже описаны наиболее важные результаты работ 2010 года по модернизации и улучшению работы систем детектора КЕДР.
1.3.1 Детекторы на основе ГЭУ включены в СРРЭ В 2010 году была проведена модификация системы регистрации рассеянных электронов (СРРЭ) детектора КЕДР - перед каждым блоком СРРЭ были добавлены двухкоординатные детекторы на основе трёхкаскадных газовых электронных умножителей (ГЭУ). Использование ГЭУ позволяет не только улучшить координатное разрешение по радиальной координате, а следовательно, и по измеряемой в СРРЭ энергии рассеянных электронов, но и, благодаря измерению вертикальной координаты, помочь в подавлении фона однократного тормозного излучения [20].
На рис. (1.3) 2 показано устройство и габариты платы с двухслойной полосковой структурой детектора на основе ГЭУ. Наклонная линия в центре рисунка отражает изменение угла наклона полосок нижнего слоя (от 30 в центре до 11 на краю).
На рис. (1.3) 3 показано распределение отклонений координаты, измеренной в детекторе на основе ГЭУ, от вычисленной. Ширина распределения составляет 89 мкм, что соответствует разрешению одной камеры det _ meas/3/2 ~ 73 мкм в направлении, перпендикулярном полоскам верхнего слоя.
Эффективность детектора выходит на плато на уровне ~ 98% при величине газового усиления 2,5 · 104. Следует отметить, что в течение сезона 2009-2010 года детекторы ГЭУ-СРРЭ работали при газовом усилении в диапазоне (3-6) · 104 без пробоев и других видимых проблем, связанных с высоким напряжением. ИЯФ является одним из трёх мест в мире (наряду с ЦЕРНом и Брукхейвенcкой национальной лабораторией в США), где используются эти новые приборы.
Рис. (1.3)2. Устройство и габариты считывающей Рис.(1.3)3. Распределение отклонений платы детектора на основе ГЭУ с переменным измеренной координаты трека от вычисленной углом наклона полосок нижнего слоя. с детектора на основе ГЭУ. Пространственное 1.3.2 Начала работать система лазерной калибровки СРРЭ детектора Лазерная калибровка СРРЭ предусматривает использование двух лазеров с разными длинами волн, которые поочередно светят на пучок. Спектр энергий рассеянных в результате Комптонэффекта электронов имеет резкий край, однозначно связанный с частотой исходного фотона (точность 10 -6) и энергией ускорителя (точность 5 · 10 -5). Измерение координаты края спектра позволяет откалибровать систему регистрации с точностью E/EDK на области (слева) и полученные значения фазовых коэффициентов для такого разбиения в моделировании (справа).
Рис.(1.9)5. Оптимальное разбиение распределения Далица распада D->Ks на области (слева) и полученные значения фазовых коэффициентов для такого разбиения в моделировании (справа).
LHCb тяжелых кваркониев, а именно, чармония и боттомония — связанных состояний c- и b-кварка. За последние пять лет на В-фабриках в SLAC и KEK были Рис.(1.9)6. Точность измерения угла в частности, на LHCb может рождаться заметное число в зависимости от его величины для таких состояний, что позволит провести детальное исметода "двойного Далиц-анализа" для следование их свойств. Было проведено исследование, статистики 50 фб-1 (после модернизации показавшее, что эксперимент LHCb также перспекLHC и LHCb). тивен с точки зрения изучения различных состояний В работах принимали участие: А.В. Бобров, А.Е. Бондарь, А.О. Полуэктов, Л.И.Шехтман, С.И.
Эйдельман.
1.10 Эксперимент Belle 1.10.1 Основные результаты Основным направлением группы ИЯФ в Belle является сотрудничество в области физики элементарных частиц с Лабораторией Ускорителей высоких энергий (КЕК), Цукуба, Япония, являющейся одной из крупнейших и быстро развивающихся лабораторий мира в области физики высоких энергий. В последние годы руководство КЕК активно расширяет международное сотрудничество с целью сделать КЕК международным центром в этой области физики. Одним из основных экспериментов в физике элементарных частиц в Японии в настоящее время является изучение СРнарушения в распадах В-мезонов с детектором Belle на электрон-позитронном накопителе с очень высокой светимостью (т.н. В-фабрике).
Активное участие в проекте Belle с самого его начала принимает группа сотрудников Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. Новосибирские физики внесли большой вклад в создание электромагнитного калориметра детектора Belle как на этапе проектирования, так и при изготовлении элементов этого самого большого в мире калориметра на основе монокристаллов йодистого цезия, его сборке и наладке.
В 2010 году детектор Belle был остановлен для модернизации. Набранная к настоящему моменту интегральная светимость превышает 1040 обратных фемтобарн. Сейчас продолжается обработка этих экспериментальных данных и ведется модернизация детектора и ускорителя для увеличения светимости установки и подготовки экспериментов, которые позволят на порядок улучшить точности измерения параметров СР-нарушения и, возможно, наблюдать проявление физических явлений, выходящих за рамки Стандартной Модели.
Физики из ИЯФ СО РАН принимают активное участие как в работах по модернизации детектора, так и в обработке набранных экспериментальных данных.
• Интегральная светимость на эксперименте Belle превысила 1040 обратных фемтобарн.
• Измерены парциальные ширины распадов -лептона в 3 заряженных адрона.
• Проведен поиск распадов с нарушением лептонного аромата или лептонного числа.
• Начат высокоточный Далиц-анализ распада D0+-0 из D*D0.
• Завершена работа по исследованию интерференции в распадах B±K±c(') и определению параметров чармониев c и c'.
• Продолжено исследование нарушения комбинированной CP-четности в трехчастичных распадах B мезонов с использованием всей набранной статистики.
• Разработан метод модельно независимого измерения параметров смешивания нейтральных D мезонов и параметров CP-нарушения в смешивании за счет использования бинированного анализа диаграмм Далица.
• Проведено исследование резонансной структуры конечного состояния K++- в распадах B J/K++- и B+'K++-, определены параметры промежуточного состояния K1(1270) и измерены парциальные ширины вышеназванных распадов.
1.10. 2 Анализ данных эксперимента Belle В 2010 году в изучении физики -лептона можно выделить два основных направления: определение свойств -лептона в разрешенных (неподавленных) распадах и поиск новой физики в редких и подавленных распадах.
1. В заходах со светимостью 666 фб-1 изучались распады --лептона в три заряженных адрона и нейтрино (различные комбинации ±- и K±-мезонов) [1]. В результате измерены "бранчинги" четырех мод распада, а также получены спектры масс трехчастичной адронной системы.
Таблица (1.10)1. Измеренные парциальные ширины -(h1h2h3)-.
Физика элементарных частиц Сравнение с другими экспериментами приведено на Рис.(1.10)1.
Рис.(1.10)1. Сравнение парциальных ширин распадов, полученных в разных экспериментах.
Распределение по инвариантной массе адронной системы приведено на Рис.(1.10)2. Видно, что согласие с моделированием в текущей версии программы TAUOLA неудовлетворительное.
Кроме того, завершается анализ, целью которого является определение времени жизни -лептона. Улучшение точности этого важного параметра позволит провести более чувствительные проверки лептонной универсальности.
2. В Стандартной Модели распады --лептона с нарушением лептонного аромата или лептонного числа запрещены. Открытие осцилляций нейтрино сняло полный запрет, но вероятность таких распадов чрезвычайно мала, что делает наблюдение практически невозможным. Модели новой физики, выходящие за рамки Стандартной Модели, усиливают вероятность указанных распадов на много порядков и при некоторых значениях параметров доводят ее до 10 -7 - 10-8. Такие величины вероятности достижимы в экспериментах Belle и BaBar, поэтому ведется интенсивный поиск обсуждаемых распадов. Даже их ненаблюдение, сопровождаемое улучшением верхнего предела, играет важную роль, так как позволяет ограничить пространство параметров в моделях Новой физики. В 2010 году коллаборация Belle продолжила поиск таких распадов, заметно увеличив чувствительность за счет новых критериев отбора, а также используя большую интегральную светимость, а, следовательно, и большее полное число -лептонных пар.
Так, в заходах со светимостью 671 фб-1 был проведен поиск распадов --лептона в лептон l (, e) и пару заряженных мезонов h (±, K±). Результаты приведены в Таблице (1.10)2. Видно, что верхние пределы улучшены в (1,6-8,8) раз.
Рис.(1.10)2. Распределение по инвариантной массе адронной системы.
Табл.(1.10)2. 90% верхние пределы на парциальную ширину распада -(lh1h2)-.
-+K- +-K- -K+K- +K-K- e-+- e+-- e-+K- e+-K- e-K+K- e+K-K- В другом эксперименте в заходах со светимостью 782 фб-1 был проведен поиск распадов -лептона в 3 других лептона. Результаты приведены в Таблице(1.10)3. Видно заметное улучшение верхних пределов по сравнению с прежними.
Физика элементарных частиц 90% верхние пределы на парциальную ширину распада -(l1l2l3)-.
Табл.(1.10)3.
Наконец, в эксперименте по заходам со светимостью 671 фб-1 был проведен поиск распадов -лептона в лептон l (, e) и один или два K0S. Результаты приведены в Таблице (1.10) 4. Видно заметное улучшение верхних пределов по сравнению с прежними.
Табл.(1.10)4. 90% верхние пределы на парциальную ширину распада -l-K0S и -l-K0S K0S.
Сотрудниками проводится высокоточный Далиц-анализ распада D0+-0 из D*D0 на основе 673 фб-1 данных, набранных детектором Belle, что соответствует более чем 200103 сигнальных событий. Модель распада включает векторные резонансы (770),, (1450) и (1700), скалярные состояния (600), f 0(980), f 0(1370) и f 0(1500), а также тензорный резонанс f 2(1270) (Рис.(1.10) 3).
Изучение этого распада поможет более точно измерить скалярную составляющую в канале +распадов D мезонов, а также позволит определить степень нарушения CP-четности в нейтральных D мезонах с высокой чувствительностью. Наряду с другими CP-симметричными конечными состояниями D0, детальное изучение D0+-0 можно использовать для повышения статистики при измерении угла 3 матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскава. Кроме того, проводится разделение данных на D0 и анти-D0 для определения CP-асимметрии параметров модели распада D0+-0.
Рис.(1.10)3. Проекции распределения Далица (данные показаны красным цветом, подгоночная функция после оптимизации параметров – синим, фон – зеленым).
Группой сотрудников Института были проведены исследования свойств частицы с и ее возбужденного состояния с(2S). Эти частицы являются связанными состояниями c и анти-c кварков (так называемые, чармонии). В качестве их источника рассматривался распад B мезона в K мезон и чармоний, в свою очередь распадающийся в адроны (KSK). На Рис.(1.10)4 красным цветом показано распределение инвариантной массы KSK (пики соответствуют состояниям с, J/, c1 и с(2S)), черным цветом выделен комбинаторный фон. Видно, что есть события, не являющиеся ни сигналом (пики), ни комбинаторным фоном – это, так называемая, нерезонансная амплитуда. Интерференция с нерезонансной амплитудой ведет к значительной модельной ошибке в измерении произведения парциальных ширин распадов B мезона и чармония. Предложенная в данной работе процедура учета интерференции впервые не содержит предположений о фазе или абсолютном значении интерференции, то есть является модельно независимой. Результатами данного исследования являются произведения парциальных ширин распадов B мезона и чармония, а также значения масс и ширин с и с(2S) мезонов. Благодаря большому объему данных результаты имеют маленькие статистические ошибки и позволяют улучшить соответствующие среднемировые значения.
Результаты работы готовятся к публикации.
Среди распадов В мезонов в конечные состояния, не содержащие очарованных частиц, большой интерес представляют распады в трехчастичные конечные состояния. Примерами подобного рода процессов являются распады BK и BKKK, впервые экспериментально обнаруженные сотрудниками ИЯФ в работе. Особенностью многочастичных (включая трехчастичные) распадов является то, что, как правило, они включают промежуточные квазидвухчастичные состояния.
На Рис.(1.10)5 приведено распределение по инвариантной массе двухчастичных комбинаций К+ и -, а также + и - мезонов из распадов B+K++-. Из рисунка ясно видно наличие промежуточных К*(892) и K*(1430) резонансов в спектре M(K+-), а также (770) и f 0(980) резонансов в спектре M(+-). Анализ распадов в многочастичные конечные состояния позволяет измерить не только вероятности соответствующих переходов b кварка, но и предоставляет возможность измерения относительных фаз между составляющими квазидвухчастичными амплитудами. Это, в свою очередь, обуславливает значительно большую чувствительность многочастичных распадов B-мезонов к прямому нарушению комбинированной CP-четности. Первый анализ нарушения CP-четности в распадах B±K±± был выполнен сотрудниками в работе, где было обнаружено указание на наличие прямого нарушения CP-четности в распадах B±0K±. В настоящее время ведется анализ полного объема данных по распадам B мезонов, набранных с детектором Belle.
Events/(50 MeV/c2) Рис.(1.10)5. Распределение по инвариантной массе пар K+- (слева) и +- (справа) в распадах B+K++-.
В рамках эксперимента Belle сотрудники Института ведут работу по модельно независимому измерению параметров смешивания нейтральных D мезонов и параметров CP-нарушения в смешивании. Параметры смешивания – фундаментальные параметры, которые не могут быть точно получены теоретически. Точное измерение этих параметров позволит уменьшить теоретическую Физика элементарных частиц неопределенность в других измерения, в частности, измерении угла треугольника унитарности. Измерение параметров CP-нарушения обеспечит проверку Стандартной Модели, так как в ней эти параметры жестко ограничены. Преимущество метода состоит в том, что удалось избежать неопределенностей, связанных с моделью амплитуды трехчастичного распада D мезона, за счет использования бинированного анализа диаграмм Далица (Рис.(1.10) 6). В 2010 году была опубликована статья в журнале Physical Review D, где данный подход подробно описан.
Рис.(1.10)6. Бинированная диаграмма Далица для распада D0KS+-.
Сотрудники ИЯФ принимали участие в работе по изучению резонансной структуры конечного состояния K++- в распадах B+J/K++- и B+'K++-. В рамках этого исследования был проведен амплитудный анализ инвариантных масс конечных частиц распадов с учетом интерференции между различными промежуточными состояниями, а также спино зависимых угловых распределений конечного состояния. Было показано, что промежуточное состояние K1(1270) вносит доминирующий вклад как в распад B+J/K++-, так и в распад B+'K++-. Удалось определить относительные доли распадов K1(1270) в конечные состояния K, K, K*(892) и K0*(1430) (результаты подгонки показаны на Рис.(1.10) 7). В данной работе были получены значения массы (1248,1±3,3(стат)±1,4(сист)) МэВ/с2 и ширины (119,5±5,2(стат)±6,7(сист)) МэВ/с2 состояния K1(1270).
Это одно из первых измерений этих параметров, где K1(1270) выделяется достаточно чисто. Кроме того, были сделаны точные измерения парциальных ширин распадов B+J/K++- и B+'K++-.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review D.
Рис.(1.10)7. Результаты подгонки для распада B+J/K++-. Данные (точки) и подгонка (гистограммы) показаны в проекциях на три оси.
1.10.3 Модернизация детектора Следующим этапом работы В-фабрики планируется модернизация как детектора (Belle II), так и коллайдера для увеличения светимости установки до 81035 см-2с-1. Новый эксперимент позволит измерить все углы треугольника унитарности с точностью несколько процентов и, возможно, позволит выйти за пределы Стандартной Модели. Кроме изучения механизма СР-нарушения, большой набор данных, полученный в этом эксперименте, позволит получить новые результаты по физике распадов В-, D-мезонов и -лептона.
Увеличение светимости и фоновой загрузки на коллайдере накладывает новые требования на системы детектора. Для обеспечения эффективной работы калориметра требуется его модернизация. Группа ИЯФ участвует в методических работах по модернизации калориметрической системы детектора, ею разработана и предложена схема модернизации калориметра.
Для цилиндрической части калориметра предполагается замена электроники счетчиков на схему с непрерывной оцифровкой сигналов со счетчиков и последующей подгонкой данных откликом известной формы. Такая процедура позволяет определять как энергию, так и время прихода сигнала. Использование временной информации позволяет в несколько раз подавить частоту возникновения ложных кластеров.
Для торцевой части, где фоновые условия наиболее тяжелые, на первом этапе планируется модернизация электроники, а затем предполагается замена сцинтилляционных кристаллов CsI(Tl) на кристаллы неактивированного CsI с меньшим временем высвечивания. Это позволит улучшить временное разрешение счетчиков в 30 раз и, с учетом подгонки формы сигнала, обеспечить подавление фона более чем в 150 раз.
В 2010 году в ИЯФ проводились измерения параметров модулей формирователейоцифровщиков и концентраторов в стандарте VME, разработанных в ИЯФ (Рис.(1.10) 8).
Рис.(1.10)8. Электронный модуль формирователя-оцифровщика в стандарте VME на 16 каналов (слева). Электронный модуль концентратора в стандарте VME (в центре, справа).
Для формирователя-оцифровщика были проведены измерения шумов и линейности. Линейность получилась лучше, чем 210 -3 для динамического диапазона, соответствующего диапазону энергий 10 МэВ - 10 ГэВ (Рис.(1.10) 9).
Рис.(1.10)9. (а) Форма импульса с формирователя; (б) Отклонение от линейной зависимости модуля формирователя.
Физика элементарных частиц Для модуля концентратора был разработан проект для XLINX. Этот проект позволяет осуществлять работу с модулями калориметра в автономном режиме, по схеме показанной на Рис.
(1.10) 10. Загрузка в модуль формирователей алгоритма и массива коэффициентов для восстановления амплитуды и времени сигналов с кристаллов производится с персонального компьютер (РС) через модуль концентратора, для чего было разработано соответствующее программное обеспечение. После загрузки проектов в схемы XLINХ формирователя и концентратора на РС запускается программа, активирующая проекты в этих модулях, которые по приходу сигнала запуска (внешнего или внутреннего) осуществляют формировку посылки данных с модуля формирователя в модуль концентратора, а с последнего в РС, где данные записываются в файл. Проекты и соответствующее программное обеспечение были разработаны и проверены. Данное программное обеспечение позволяет осуществлять считывание 64 амплитуд с 16 каналов с частотой более 300 Гц. Для работы с реальной системой сбора данных, планируется использование оптической линии связи, что позволит существенно увеличить частоту считывания модуля концентратора. Разработка проекта и программного обеспечения для оптической линии связи запланированы на следующий год.
Рис.(1.10)10. Схема работы с модулями калориметра в автономном режиме.
Модуль концентратора включает в себя калибровочный блок. Этот модуль позволяет генерировать сигналы заданной формы для имитации сигналов с кристаллов. На Рис.(1.10)11 показаны сигнал со счетчика CsI(Tl) и сигнал калибровочного модуля. Различие сигналов не превышает 2%.
Рис.(1.10)11. Форма сигналов со счетчика CsI(Tl) (синий) и сигнал калибровочного модуля (красный).
Для торцевого калориметра, где предполагается использовать кристаллы чистого CsI необходимо использование новых фотоприемников. В качестве таковых планируется использование фотопентодов - фотоумножителей с тремя динодами (Рис.(1.10) 12). Такие приборы могут работать в магнитном поле до 1,5 Т.
Для работы внутри большой установки очень важна долговременная работоспособность и стабильность характеристик приборов. Команда ИЯФ продолжила испытания характеристик фотопентодов в условиях больших световых загрузок. Изменение чувствительности фотопентодов из-за световых загрузок не превышает 2% (Рис. (1.10)13)).
Рис.(1.10)13. Зависимость положения пика 137Cs от среднего анодного тока фотопентода.
В работах принимали участие: Аринштейн К.Э, Аульченко В.М., Бондарь А.Е., Бузулуцков А.Ф., Винокурова А.Н., Воробьев В.С., Габышев Н.И., Гармаш А.Ю., Епифанов Д.А., Жилич В.Н., Жуланов В.В., Зюкова О.А., Кузьмин А.С., Матвиенко Д.В., Полуэктов А.О., Усов Ю.В., Шварц Б.А., Шебалин В.Е., Эйдельман С.И.
Физика элементарных частиц 1.11 Эксперимент BABAR В коллаборации BABAR состоят 11 сотрудников ИЯФ. Детектор BABAR набирал статистику на накопителе PEP-II в SLAC (США) с 1999 по 2008 год. Обработка накопленных данных продолжается. В настоящее время анализируется около 100 процессов. В 2010 году было опубликивано около тридцати работ.
Основной целью этого эксперимента является измерение CP-нарушения в распадах нейтральных B- мезонов. Другими не менее важными задачами являются прецезионное измерение распадов B-, D-мезонов и -лептонов, а также поиск их редких распадов. Хотя детектор оптимизирован для исследования CP-асимметрии, он также подходит для изучения других процессов в этой области энергий.
Члены коллаборации от ИЯФ участвуют в анализах данных по измерению сечений e+e- аннигиляции в адроны с использованием метода радиационного возврата, измерению двухфотонных процессов с регистрацией рассеянных электронов, в анализе полулептонных распадов и измерению модуля элемента матрицы CKM Vub.
В 2010 году был завершен цикл работ по измерению мезон-фотонных переходных формфакторов для псевдоскалярных мезонов 0, ', и c при больших квадратах переданного импульса (Q2), от 4 до 40 ГэВ2.
Полученные данные по переходным мезон-фотонным формфакторам позволяют получить уникальную информацию о мезонных волновых функциях. Эти функции описывают импульсные распределения кварков внутри мезонов и используются для теоретических расчетов множества процессов в квантовой хромодинамике (КХД). Наиболее важным и неожиданным результатом проведенных измерений является то, что волновая функция 0 мезона сильно отличается от волновых функций других легких мезонов и '. Измеренные нормированные формфакторы для 0, и ' мезонов показаны на рисунке (1.4) 1 как функции Q2. Горизонтальной линией показано значение асимптотического предела формфактора, вычисленное в рамках КХД. Формфактор 0 мезона в отличие от формфакторов для и ' превышает асимптотический предел при Q2 ~ 10 GeV2 и будет приближаться к нему сверху. Такое поведение может быть объяснено предположением, что волновая функция 0 мезона значительно шире, чем соответствующие функции для и '.
Рис. (1.4)1. Нормированные мезон-фотонные переходные формфакторы для 0(a), (b) и '(c) мезонов. Горизонтальная пунктирная линия показывает значение асимптотического предела для формфактора.
Ожидается, что из-за большой массы c кварка формфактор для c мезона будет слабо зависеть от формы волновой функции. Измерение, проведенное с детектором BABAR, подтверждает это предсказание КХД.
Результаты, полученные на детекторах BABAR и Belle, показали необходимость продолжения экспериментов в данной области энергий, но с заметно более высокой светимостью. Принято решение о строительстве такой установки SuperB-фабрики в Италии. Физики ИЯФ активно участвует как в разработке ускорителя, так и детектора.
Идентификация частиц в детекторе для SuperB будет осуществляться системой регистрации черенковских колец DIRC. Физики ИЯФ участвуют в разработке программы моделирования свеФизика элементарных частиц тосбора для этой системы. Ими было предложено дополнить DIRC детектором черенковских колец на основе “фокусирующего” аэрогеля (FARICH). Это предложение сейчас изучается коллаборацией. Детектор FARICH предлагается разместить между дрейфовой камерой и торцевым калориметром. В детекторе используется многослойный фокусирующий аэрогель и пиксельные фотонные детекторы на основе микроканальных пластин. Общее количество каналов электроники ожидается около 20 тысяч. Данная система увеличивает телесный угол для идентификации частиц с большими импульсами. Моделирование показывают, что в диапазоне импульсов до 5 ГэВ/c достоверность идентификации пионов и каонов будет превышать 5 стандартных отклонений.
1.12 Участие в эксперименте ATLAS на Большом Адронном Коллайдере (LHC).
Для экспериментов на Большом Адронном Коллайдере 2010 год стал первым успешным годом полномасштабной работы. 30-го марта были впервые получены столкновения пучков протонов при рекордной энергии 7 ТэВ в системе центра масс. В течение года постепенно улучшались параметры коллайдера: число сгустков протонов превысило 400, пиковая светимость достигла 2· см-2с-1, а энергия, запасенная в пучках, 28 МДж.
Интеграл набранной статистики составил 45 обратных пикобарн. Анализ этих данных позволил измерить сечения известных процессов Стандартной Модели в новой области энергии, а также начать поиск Новой физики. В частности, были выделены более 20 тысяч событий рождения векторных бозонов (W и Z) и несколько десятков событий с рождением топ кварка и антикварка. Было опубликовано 25 работ, в части из них установлены лучшие в мире верхние пределы для новых или экзотических процессов.
В конце года в течение одного месяца набирались данные при столкновении ионов свинца.
Эти события характеризуются еще большей, чем при столкновении протонов, множественностью треков заряженных частиц (около 1000 на столкновение). Детектор ATLAS впервые обнаружил эффект значительного дисбаланса энергии адронных струй при центральных столкновениях тяжелых ионов, который указывает на образование качественно нового состояния материи при очень больших плотностях энергии. Этот эффект был предсказан теоретиками (в частности, Бьеркеном) еще в 80-х годах.
В 2010 году физики группы ИЯФ участвовали в наборе данных в пультовой управления экспериментом (ATLAS point 1) в рамках системы калориметров на жидком аргоне. Также велась работа по контролю и анализу качества данных калориметров и их калибровке. Как и прежде, особое внимание уделялось "пресемплеру" (предливневому мини-детектору) торцевого электромагнитного калориметра – системе, за которую ИЯФ был полностью ответственным на всех этапах, от конструирования и пучковых тестов до установки в детектор и запуска.
Также активизируются работы по анализу физических процессов.
С весны 2009 года в рамках коллаборации с университетами Питтсбурга и Упсалы ведутся работы по изучению возможности наблюдения тяжелых майорановских нейтрино в канале с двумя лептонами и двумя струями в конечном состоянии в рамках модели зеркальной симметрии (LeftRight Symmetric Model), см. Рис.(1.12)1. Эта модель может объяснить наличие ненулевой массы у обычных легких нейтрино (которое следует из наблюдения их осцилляций), а также возникновение асимметрии между материей и антиматерией (барионное число B и лептонное число L могут нарушаться по отдельности, при условии сохранения B-L). Можно заметить, что эта модель комплиментарна многим моделям суперсимметрии, поскольку для последних характерна большая недостающая энергия (missing transverse energy) в событии.
Было проведено полное моделирование и реконструкция процессов эффекта (для нескольких значений масс тяжелого промежуточного бозона W R и майорановских нейтрино) и фоновых процессов. Обработана вся доступная к настоящему времени для анализа статистика (34 обратных пикобарн), набранная детектором ATLAS в 2010 году. Число отобранных событий в данных соглаФизика элементарных частиц суется с ожидаемым из моделирования вкладом фоновых процессов Стандартной Модели. На рис.
(1.12) 2 показана исключенная на уровне 95 % область масс правого векторного бозона и майорановского нейтрино. Даже при пока небольшой набранной статистике это существенное улучшение по сравнению с результатами Теватрона (предел на массу тяжелого векторного бозона на уровне 740 ГэВ). Доклад сотрудника ИЯФ Кирилла Сковпеня по данной теме "ATLAS sensitivity to LeftRight Symmetry at 7 TeV" на семинаре ЦЕРН-МНТЦ (1-5 сентября 2010, ИЯФ, Новосибирск) занял первое место в конкурсе молодых ученых.
Рис.(1.12)1. Диаграмма процесса рождения тяжелого правого WR бозона с последующим распадом на лептон и тяжелое майорановское нейтрино Nl в модели зеркальной симметрии (Left-Right Symmetric Model). В конечном состоянии регистрируются два лептона и две адронные струи.
Рис.(1.12)2. Ожидаемый (median expected) и установленный (observed) верхние пределы на массы тяжелого правого WR бозона и тяжелого майорановского нейтрино N. Левая диаграмма для событий с лептонами одного вида и знака (SS = Same Sign) в конечном состоянии, правая – включает также события с лептонами разного знака (OS = Opposite Sign). Граница исключенной (на уровне 95 %) области выделена красной штриховкой. Контуры показывают соответствующие верхние пределы на сечения (пикобарн).
Также ведется большая работа по развитию компьютерной инфраструктуры и соответствующего программного обеспечения. Данные от эксперимента такого масштаба (несколько петабайт входных данных в год) могут быть сохранены и обработаны только при хорошо скоординированной работе многих мощных вычислительных кластеров по всему миру, использующих передовую технологию распределенных вычислений GRID. Пиковая нагрузка сети достигала 6 гигабит в секунду.
Программисты ИЯФ внесли и продолжают вносить весомый вклад в создание и развитие важнейших сервисов и утилит для управления системой распределенных вычислений (ATLAS GRID) – Мониторинга Реплицирования Данных и Информационной Системы.
Повышается мощность GRID-кластера ИЯФ, улучшается пропускная способность каналов связи. Развивается сотрудничество с компьютерными центрами НГУ и СО РАН.
Также физики и программисты ИЯФ активно работают в группе системных администраторов для системы сбора данных и триггера. Они обеспечивают установку и поддержку программного обеспечения всей системы сбора и контроля данных. Важной частью работы является запуск компьютерного оборудования для триггера высокого уровня (HLT – High Level Trigger). В третьем и четвёртом кварталах 2010 года было запущено 10 крейтов нового оборудования, что позволило добавить к HLT ферме 5000 ядер.
В настоящее время разрабатывается проект модернизации коллайдера LHC с целью повышения светимости на порядок, до 1035 см-2сек-1. В связи с этим также начаты работы по модернизации детектора ATLAS для работы на такой светимости.
Группа ИЯФ принимает участие в эксперименте по исследованию работоспособности жидкоаргоновых калориметров детектора ATLAS при светимости 1035 см-2сек-1. Для этих целей были изготовлены мини-модули калориметров (электромагнитного, адронного и переднего), которые помещены в криостаты с жидким аргоном. На выведенном пучке протонов с энергией 50 ГэВ ускорителя У-70 в Протвино ведется облучение модулей (интенсивность пучка может изменяться в широких пределах: 107 1012 частиц в секунду). Группа ИЯФ полностью отвечает за мини-модуль электромагнитного калориметра, участвует в наборе и анализе данных (последний сеанс состоялся в апреле 2010 года).
В работах участвуют: А.В. Анисёнков, О.Л. Белобородова, С.Д. Белов, В.С. Бобровников, А.Г.
Богданчиков, А.Р. Бузыкаев, А.С. Зайцев, В.Ф. Казанин, В.И. Каплин, А.А. Король, Д.С. Кривашин, Р.Е. Кусков, Д.А. Максимов, А.Л. Масленников, И.О. Орлов, С.В. Пелеганчук, А.И. Сенченко, К.Ю. Сковпень, А.М. Сухарев, А.А. Талышев, Ю.А. Тихонов.
1.13 Фотонный коллайдер Линейный коллайдер уже много лет рассматривается как следующая после LHC установка по физике частиц на большие энергии. Кроме e + e - столкновений на них планируются встречные фотонные пучки, основанные на лазерной конверсии электронов в высокоэнергичные фотоны.
К сожалению, подходящий для начала строительства момент (десять лет назад) был упущен и сейчас решение откладывается до получения результатов на LHC, свидетельствующих о наличии новой физики в области энергий 0,1 - 3 ТэВ. Имеется два проекта: ILC (International Linear Collider), базирующийся на сверхпроводящих ускоряющих структурах, и CLIC (Compact LInear Collider) – теплый ускоритель с накачкой энергии с помощью дополнительного пучка. На CLIC можно получить втрое большее ускоряющее поле, поэтому он рассматривается как коллайдер на максимальные энергии (до 2 E = 3 - 5 ТэВ), в то время как ILC является более предпочтительным для энергий ниже 1 ТэВ.
Концепция фотонного коллайдера достаточно хорошо проработана. Дальнейшие шаги направлены на улучшение параметров, поиску оптимальных технических решений и их проверке. В отчетном году мы вынесли на рассмотрение два новых предложения.
Физика элементарных частиц 1. Фотонные коллайдеры без охладительных колец.
Светимость фотонного коллайдера примерно пропорциональна геометрической светимости электрон-электронных столкновений, для чего требуются электронные пучки с минимально возможными поперечными эмиттансами. Электроны получают в пушках, в которых электроны выбиваются из катода при облучении короткими лазерными импульсами. Для дальнейшего уменьшения поперечных эмиттансов используются накопители-охладители. В электронных пушках эмиттанс ограничен эффектами пространственного заряда. Если бы удалось уменьшить поперечные эмиттансы пучков в пушках, то можно было бы вообще отказаться от накопителей-охладителей, уменьшив стоимость проекта и, возможно, даже повысив светимость. Наша идея [1-2] состоит в том, что пучок с малыми поперечными эмиттансами можно получить путем объединения «поезда»
пучков с малыми зарядами (от одного или нескольких источников) после их ускорения до энергий, при которых эффекты пространственного заряда несущественны. Объединение может быть осуществлено за счет небольшой разности в энергиях пучков, то есть за счет увеличения продольного эмиттанса. Это можно сделать, поскольку продольные эмиттансы в электронных пушках значительно меньше, чем требуется для линейного коллайдера. Результирующая светимость фотонного коллайдера при использовании этого метода может быть увеличена в 3-10 раз соответственно для неполяризованных и поляризованных пучков.
2. Лазерная система для фотонного коллайдера CLIC.
На ILC расстояние между пучками электронов в «поезде» около 100 м, что делает возможным применение кольцевого оптического резонатора, в котором лазерный пучок сталкивается со многими электронными пучками, что значительно снижает требование к мощности лазерной системы.
В коллайдере CLIC ситуация сложнее: расстояние между пучками всего 0,5 нс (15 см), а длина «поезда» из 354 электронных пучков составляет 177 нс (53 м), так что резонатор здесь не подходит и нужно использовать однопролетную схему. При этом лазерная система должна давать 5 кДж лазерной энергии за 177 нс с частотой повторения 50 Гц. В принципе, возможно использование твердотельных лазеров с диодной накачкой, однако требуется суммарная мощность диодов 15 МВт, что нереально в ближайшее десятилетие.
Наша идея [3] состоит в том, что лазерную среду можно накачать с помощью лазера на свободных электронах (ЛСЭ). Время накопления твердотельной лазерной среды составляет около 1 мс (в 5000 раз больше длины «поезда» электронных пучков), что позволяет объединить вместе энергию фотонов, генерируемых ЛСЭ за 1 мс. Этот подход намного проще, чем использование непосредственное использование световых импульсов от ЛСЭ для конверсии электронов в высокоэнергичные фотоны. Для экономии потребляемой энергии ЛСЭ должны базироваться на сверхпроводящих резонаторах с рекуперацией энергии. Средняя световая мощность двух ЛСЭ должна составлять около 180 кВт, средняя потребление от сети при этом будет 1-2 МВт.
В работах принимал участие В.И. Тельнов Электрои фотоядерная 2.1 Эксперименты с внутренними мишенями В 2010 году проводилась обработка результатов эксперимента по измерению отношения сечений упругого рассеяния электронов/позитронов на протоне (R = e+p/e-p). Этот эксперимент интересен тем, что он позволяет определить величину вклада двухфотонного обмена (ДФО) в этом процессе. В свою очередь, информация о ДФО, вероятно, даст возможность объяснить драматические противоречия в результатах недавних экспериментов по измерению формфакторов протона, выполненных в TJNAF, США, с помощью поляризационной методики, с результатами прежних неполяризационных измерений, где формфакторы определялись с помощью анализа дифференциальных сечений реакции в предположении справедливости однофотонного приближения.
Важным этапом обработки является внесение радиационных поправок. Были применены формулы, представленные В.С. Фадиным и А.Л. Фельдманом (ИЯФ), описывающие излучение реальных фотонов в исследуемой реакции. Cравнение радиационных поправок, выполненных по полным формулам, с так называемым "мягкофотонным приближением", показывает различие в их результатах.
Предварительные результаты эксперимента приведены на рис.(2.1)1. В настоящее время продолжается обработка этого эксперимента.
Предполагается продолжить измерения ДФО с более высокой точностью в других кинематических условиях.
Рис.(2.1)1. Предварительные результаты эксперимента (черные кружки) в сравнении с имеющимися данными.
Также было продолжено создание системы меченых фотонов (СМФ). Было закончено изготовление дипольных магнитов D1 и D3. Были проведены испытания этих магнитов и магнитные измерения. Измерения, в общем, подтвердили правильность расчетов по интегралам полей и их однородности. Так, на рис.(2.1) 2 приведены интегралы полей вдоль направления движения пучка электронов магнитов D1 и D3 в зависимости от тока катушек магнитов. Видны небольшие расхождения в интегралах полей, они будут ликвидированы токами корректирующих катушек. Конструкторские работы по магниту D2 завершены, он находится в процессе изготовления.
Вакуумная камера экспериментального промежутка состоит из трех участков. Изготовление центральной части вакуумной камеры с накопительной ячейкой и первого (по ходу пучка) участка вакуумной камеры промежутка завершено. Конструкторские работы по последнему (по ходу пучка) участку вакуумной камеры завершены, он находится в процессе изготовления.
Завершаются конструкторские разработки дополнительных элементов диагностики положения пучка электронов в экспериментальном промежутке СМФ. Осталось лишь провести разработку конструкции вывода изображения третьего приемника синхротронного излучения (расположенного после диполя D2) из вакуумной камеры промежутка. Это нужно для оперативного Электро- и фотоядерная физика контроля положения пучка электронов в вертикальном направлении.
Рис.(2.1)2. Интегралы полей вдоль направления движения пучка электронов магнитов D1 и D3 в зависимости от тока катушек магнитов. Черными точками показаны результаты измерений магнита D1 (умноженные на «правильный» коэффициент 1,266), полыми квадратами – результаты измерений магнита D3. Линии – результат расчета программой MERMAID.
Детекторы системы мечения будут состоять из трех координатных детекторов и двух сцинтилляционных счетчиков-"сандвичей". Координатные детекторы будут созданы на основе каскадных газовых электронных умножителей (ГЭУ), так как эти детекторы имеют целый ряд достоинств:
они могут обладать высоким пространственным разрешением, работать в интенсивных потоках частиц. Важным аргументом явилось и то, что в ИЯФ уже разработаны 3-х слойные 2-х координатные ГЭУ для системы рассеянных электронов детектора КЕДР на коллайдере ВЭПП-4М. Параметры этих детекторов хорошо подходят для СМФ и могут быть адаптированы для нашего случая.
Кроме того, толщина медного покрытия на элементах ГЭУ будет доведена до 1 мкм, что позволит снизить толщину детекторов до 0,15% Х0 (Х0 - радиационная единица длины). Это важно для получения высокого разрешения СМФ по энергии и углам вылета регистрируемых электронов. Начато изготовление этих детекторов.
Проведен новый этап моделирования системы мечения. Суммарное разрешение СМФ по энергии электрона меняется от 4 до 11 МэВ для конечных энергий электрона от 500 до 1000 МэВ (при начальной энергии 2 ГэВ). Разрешение по горизонтальному углу равно примерно 2 мрад, по вертикальному - примерно 1 мрад.
Для улучшения параметров тензорно-поляризованной дейтериевой мишени в источник поляризованных атомов дейтерия установлен дополнительный насос и, тем самым, улучшен вакуум на второй ступени откачки источника. С введением этой дополнительной откачки появилась возможность изучать формирование свободно-молекулярной струи из режима переходного течения. Этот процесс слабо изучен, знание положения и размера области, после которой течение становится свободно-молекулярным, необходимо для выбора фокусирующих свойств магнитной системы источника.
Работы поддержаны грантом РФФИ № 08-02-01155, а также Федеральным агентством по образованию - Государственный контракт № П522 от 5 августа 2009 года.
Эксперименты с внутренними мишенями проводятся в сотрудничестве с группами из Томска, Санкт-Петербурга, NIKHEF (Нидерланды), ANL (США), IKF JGU (Майнц, Германия).
Участники работы от ИЯФ:
Л.М. Барков, А.В. Грамолин, В.Ф. Дмитpиев, С.А. Зеваков, И.В. Карнаков, Б.А.Лазаренко, Е.Б.
Левичев, С.И. Мишнев, Н.Ю. Мучной, Д.М. Николенко, И.А. Рачек, Р.Ш. Садыков, Д.К. Топорков, Ю.В. Шестаков, Л.И. Шехтман.
Теоретическая физика 3.1 Сильное взаимодействие Продемонстрировано, что неоднозначность ядер эволюции при малых x в следующем за главным приближении позволяет согласовать Мёбиусовскую форму ядра БФКЛ и ядро уравнения БК и построить конформно инвариантное ядро БФКЛ в N=4 суперсимметричной теории в следующем за главным приближении.
Ядерная Физика,73, No. 7 (2010) 1254-1268, Physics of Atomic Nuclei, 73, No. 7 (2010) 1214-1228.
Суперсимметричные неабелевы калибровочные теории, в частности интенсивно обсуждаемая сейчас в связи с полной интегрируемостью теория Янга-Миллса с N=4 суперсимметрией, содержат скалярные частицы. Вычислен вклад таких частиц в ядро уравнения БФКЛ. Обнаружено большое сокращение между виртуальными и реальными частями этого вклада, аналогичное сокращению во вкладе кварков в КХД. Найдена причина этого сокращения. Эта причина имеет общий характер для вкладов в ядро любых частиц. Ее понимание позволяет получать полные вклады без сложных вычислений, необходимых для нахождения отдельно виртуальных и реальных частей.
Уравнения эволюции по x в Мёбиусовском представлении Представлена Мёбиусовская форма ядра уравнения БФКЛ в следующем за главным приближении (СГП) в теориях, содержащих фермионы и скаляры в произвольном представлении цветовой группы. Неоднозначность ядер в СГП позволяет согласовать подход БФКЛ и модель цветовых диполей, а также найти квазиконформное представление ядра БФКЛ.
In: Subtleties in Quantum Field Theory, Ed. D.Diakonov, Gatchina, Открытая Л.Н. Липатовым конформная инвариантность уравнения БФКЛ для рассеяния бесцветных частиц в главном логарифмическом приближении (ГЛП) чрезвычайно важна для интегрируемости уравнения. Поэтому очень важно знать конформные свойства ядра БФКЛ в следующем за главным порядке (СГП). Очевидно, в КХД конформная инвариантность нарушается бегущей константой связи. Оказывается, что неоднозначность ядра в СГП, обеспечивающая возможность перераспределять радиационные поправки между ядром и импакт-факторами, позволяет нам найти квази-конформное представление ядра, в котором Мёбиусовская инвариантность нарушается только в членах пропорциональных бета-функции. Данная свобода также позволяет согласовать подход БФКЛ и модель цветовых диполей.
Проверка условия реджезации глюона в следующем за главным порядке. Препринт ИЯФ 2010-26, 27 стр.; принято к печати в журнал Ядерная Физика Рассматривается условие бутстрапа для рождения глюона в мультиреджевской кинематике в следующем за главным порядке. Условия бутстрапа вытекают из требования совместимости реджевской формы амплитуд в КХД с s-канальной унитарностью и представляют собой нелинейные связи между траекторией и вершинами реджезованного глюона. Их выполнение обеспечивает редТеоретическая физика жезацию глюона, то есть реджевскую форму как упругих, так и неупругих амплитуд. Рассматриваемое условие является единственным, проверка которого не была проведена до сих пор. Демонстрация его выполнения является заключительным шагом в доказательстве реджезации глюона в следующем за главным логарифмическим приближении. В данной статье эта демонстрация проведена для кварковой части условия бутстрапа.
Квантовая хромодинамика: возмущенченский и невозмущенческий подходы Книга посвящена теории сильных взаимодействий - КХД. Она содержит краткое введение в КХД и описание ее важнейших свойств, таких как асимптотическая свобода, спонтанное нарушение киральной симметрии, квантовые аномалии и вакуумная структура КХД. Кроме этого, книга охватывает различные аспекты возмущенченского и невозмущенческого подходов к КХД, которые не столь широко обсуждаются в других источниках: расходимость ряда теории возмущений, правила сумм КХД, уравнения эволюции, цветовая когерентность, подход ВФКЛ, эффективное действие для высоких энергий, интегрируемость БФКЛ динамики.
Зависящая от спина часть сечения взаимодействия p p и Ниджменгенский потенциал Рассмотрено низкоэнергетическое взаимодействие протона с антипротоном с учетом поляризаций обеих частиц. Соответствующее сечение вычислено с использованием Ниджменгенского нуклон-антинуклонного оптического потенциалов. Полученные сечения использованы при анализе поляризации, возникающей в результате взаимодействия пучка неполяризованных антипротонов с поляризованной водородной мишенью. Показано, что при реалистических параметрах накопителя и мишени механизм фильтрации обеспечивает заметную поляризацию за время, сравнимое со временем жизни пучка в накопителе.
Сшивка тяжёло-лёгких токов в КХД и HQET в трёх петлях S. Bekavac, А.Г. Грозин, P. Marquard, J.H. Piclum, D. Seidel, M. Steinhauser Мы рассматриваем токи, построенные из полей тяжёлого и лёгкого кварка в квантовой хромодинамике, и вычисляем их сшивку с эффективной теорией тяжёлого кварка с трёхпетлевой точностью. В качестве приложения, мы получаем пертурбативные поправки третьего порядка к отношениям констант распада B-мезона.
Сшивка полей тяжёлого кварка в КХД и HQET в трёх петлях Связь поля тяжёлого кварка в КХД и соответствующего поля в HQET вычислена вплоть до трёх петель, и во всех порядках в пределе большого 0. Соответствующая связь поля электрона в КЭД и модели Блоха-Нордсика калибровочно-инвариантна во всех порядках. Мы также доказываем, что M аномальная размерность электронного поля в КЭД зависит от калибровочного парамеS тра только в одной петле.
Обсуждается сшивка КХД/HQET для поля тяжёлого кварка и тяжёло-лёгких кварковых токов с трёхпетлевой точностью.
Pages: |
|
2 |
3 |
4 |
5 | ... |
7 |
«