СТВОРЮЄМО ЦІННІСТЬ

Дивна, чарівна, красива,… звичайна фізика в експериментах при високих енергіях

Пугач Валерій Михайлович

завідувач відділу фізики високих енергій Інституту ядерних досліджень НАН України, член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор, Співзасновник та член правлінь міжнародних колаборацій HERA-B (DESY, м. Гамбург, Німеччина), LHCb (CERN, м. Женева, Швейцарія), СВМ (м. Дармштадт, Німеччина)


Дивовижно стрімкий науково-технічний прогрес минулих десятиліть спонукав людство до грандіозних витрат та організації багатотисячних колективів вчених та інженерів для реалізації наукових досягнень та пошуку нових горизонтів знань. Міжнародна спів­праця, наукова інтеграція стали незаперечною умовою успішної еволюції людства на шляху подальшого розквіту комфортного інтелектуального буття. Виникнення Всесвіту та його еволюція — предмет роздумів філософів багатьох тисячоліть. Теоретики і експериментатори сучасної фізики високих енергій, зокрема, мають на меті відтворення та дослідження в досяжних людям масштабах події «сотворіння», схожої на «Великий вибух». Саме з моменту «Великого вибуху» за теорією Стандартної Моделі (СМ) почалось утворення Всесвіту. Будівельні цеглинки в цій моделі (елементарні частинки) — кварки, глюони та лептони. Їх взаємодії в сильних, електро-слабких і, можливо, гравітаційних та масових полях через обмін відповідними квантами (бозонами) і спричинили появу первинної матерії Всесвіту. Назва цієї статті відповідає квантовим ознакам («ароматам») кварків. За зростанням їх маси (від кількох МеВ до 170 000 МеВ) їх «аромат» має відповідні значення: «вверх — up», «вниз — down», «чарівність — charm», «дивність — strangeness», «верхній — top», «нижній (красивий — beauty)». Сучасна теорія цього атто-метрового світу, «теорія на ґратках» враховує також той факт, що результати взаємодій кварків та глюонів залежать від іншого квантового числа, «кольору». Кварки мають три значення («червоний», «зелений», «синій»), а глюони — вісім. Краса цього світу, одначе, закрита для «слабых смертного очей» (Ф. Тютчев) через явище «конфайнменту» кольорових взаємодій та об’єктів у замкненому просторі із характерним розміром 10–18 м (атто-метровий простір) та часом 10–27 с. Одна із цілей досліджень — знайти умови де-конфайнменту, адже одразу після «Великого вибуху» матерія мала існувати у вигляді так званої кваркглюонної плазми. Ще одне таїнство перших секунд Всесвіту — зникнення антиматерії — також становить мету досліджень сучасної фізики високих енергій. Грандіозна мета вимагає грандіозних зусиль. Сот­ні мільярдів доларів витрачають на торування шляху до інших небесних об’єктів — планет, зірок, галактик. Є інший шлях — моделювання в експериментах по ­зіткненню ядер при ультрарелятивістських енергіях. Успіх в цьому напрямку потребує десятків мільярдів доларів. Такі витрати обтяжливі для бюджетів навіть найбагатших країн… Рішення — інтеграція міжнародних зусиль багатьох країн. Найголовніше — для прогресу потрібні також найвищого рівня технології як для розбудови експерименту, так і для опрацювання



та осмислення одержаних даних. Це обумовило створення міжнародних колаборацій, які об’єднують тисячі вчених із десятків країн! Великий адронний колайдер (ВАК), введений в дію у 2009 р. в ЦЕРН (м. Женева, Швейцарія), відкрив для досліджень новий простір знань: нові енергії взаємодії ~ 1013 еВ, нові взаємодії, новий масштаб простору, новий масштаб часу, нові об’єкти досліджень, нові форми матерії. Міжнародні колаборації ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, використовуючи найдовершеніші технології, створили нові експериментальні установки для досліджень в рамках чотирьох одноіменних експериментів на ВАК. Україна — асоційований член ЦЕРН із 2016 р. У цій статті представлено деякі результати діяльності вчених відділу фізики високих енергій Інституту ядерних досліджень (ІЯД) НАН України в рамках міжнародних колаборацій HERA-B (DESY, м. Гамбург, Німеччина), LHCb (CERN, м. Женева, Швейцарія), CBM (GSI/FAIR, м. Дармштадт, Німеччина), MEDIPIX (CERN, м. Женева, Швейцарія), LIA IDEATE (Франція — Україна) тощо.



Міжнародна колаборація LHCb (CERN)

Наш найбільший доробок становлять результати, отримані в рамках діяльності міжнародної колаборації LHCb (CERN). ІЯД НАН України є одним із засновників Міжнародної колаборації LHCb, яка функціонує вже майже 25 років із головною метою: дослідження явища порушення комбінованої СР-інваріантності як одного з можливих чинників асиметричної розбудови Всесвіту у вигляді матерії при повній відсутності антиматерії. Згідно з загальноприйнятими сучасними уявленнями (Стандартна модель), первинно утворений в результаті «Великого вибуху» Всесвіт мав бути матеріально симетричним. Усі виконані донині пошуки антиматеріального світу мають негативний результат. В експерименті LHCb (CERN), зтикаючи протони (ядра водню), прискорені на ВАК до енергії 6,5 ТеВ, науковці у лабораторних умовах створюють умови виникнення матерії та антиматерії в рівних кількостях. Відбираючи з накопичених даних зразки матерії (В-мезони) та антиматерії (анти-В-мезони), вивчають їх еволюцію, щоб дізнатись про природу відмінності їх властивостей, вимірюючи, зокрема, ступінь порушення СР-симетрії при їх розпаді. Передбачення Стандартної моделі за імовірностями таких процесів відзначені Нобелівською премією 2008 р. Для забезпечення таких досліджень в ЦЕРН було споруджено унікальну детекторну систему загальною вартістю близько 100 млн швейцарських франків. Визнаний та достойний внесок українських вчених у створенні так званого Кремнієвого трекера (LHCb Silicon Tracker) на основі мікростріпових кремнієвих детекторів, перші прототипи яких були виготовлені в Україні, а також Системи радіаційного моніторингу (СРМ), фізико-технічні основи якої були розроблені в ІЯД НАН України.



28 металево-фольгових детекторів СРМ (рис. 3), розташованих навкруги іонопроводу ВАК, забезпечують вимірювання в реальному часі радіаційних навантажень на висококоштовні детекторні модулі експерименту з метою упередження їх фатального опромінення. Дані СРМ (рис. 3) використовують також для моніторингу миттєвої та інтегральної світимості експерименту — важливих характеристик його перебігу. Зліва на рис. 3 — одна із подій, зареєстрована детекторними системами LHCb (кількість утворених частинок від одного зіткнення протонів може досягати кількох тисяч!). В центрі — фото СРМ. Праворуч — просторовий розподіл потоків заряджених частинок, виміряний СРМ (сині стовпчики) у порівнянні із модельними розрахунками (жовті стовпчики). Успішне функціонування СРМ протягом останніх 10 років в ЦЕРН було винятково сферою відповідальності українських вчених. В експерименті LHCb, окрім дослідження відмінностей в еволюції розпадів матерії та антиматерії (прецизійні виміри СР-порушень в розпадах важких мезонів показали неспроможність СМ пояснити проблему баріогенезису), здійснюється пошук їх рідкісних мод розпаду, модифікація закономірностей яких можлива процесами Нової фізики, за межами Стандартної Моделі. Спектроскопічні виміри з високою роздільною здатністю по інваріантній масі дозволили спостерігати нові резонансні стани відомих адронів та відкрити нові кваркові структури (тетра-, пентакварки та інші).



З аналізу даних розпаду важких адронів, до складу яких входять красиві (beauty), чарівні (charm) або дивні (strange) кварки, виміряно їх основні характеристики. Одержані результати (маса, час життя, частоти осциляцій, співвідношення гілок розпаду тощо) є найбільш точними або одержані вперше в світі (пентакварк, Bs- > µ+µ- фракція розпадів, подвійно заборонених в рамках СМ, 10–9 — 10–10, CPV in B0s тощо). В цілому, за минулі роки, в експерименті LHCb взяли участь 20 науковців ІЯД НАН України. Результати досліджень, одержані колаборацією LHCb за участі науковців ІЯД НАН України, представлені в понад 500 наукових публікаціях.



Міжнародна колаборація HERA-B (DESY)

В колаборації HERA-B ІЯД НАН України брав участь від початку і до кінця її діяльності (2006). Розпочавши у 1992 р. роботу, спрямовану на дослідження порушення СР-симетрії в розпадах В-мезонів, колаборація, оцінивши реальну конкурентоспроможність із іншими експериментами, кардинально змінює напрям досліджень на вивчення ядерних залежностей процесів утворення різних кваркових структур в зіткненнях протонів з різними ядрами при енергії протонів 920 ГеВ. Успіх цих робіт був значною мірою обумовлений створенням багатомішенного комплексу (рис. 4), який вперше в світі забезпечив можливість виконання вимірів одночасно на восьми мішенях, введених в гало- пучка протонів, що циркулюють в прискорювально-­накопичувальному кільці HERA. За пропозицією фахівців ІЯД НАН України ці мішені були сконструйовані так, що вони виконували ще й функцію металево-фольгових детекторів, вимірюючи потоки протонів, які їх бомбардують. Це надало можливість вимірювати парціальний внесок кожної мішені в інтегральну світимість експерименту, а отже, визначати в одному експерименті вільні від цілого ряду систематичних похибок попереч­ні перерізи генерації в мішенних ядрах різноманітних кваркових станів. Досягнута відносна точність вимірів (порядка кількох відсотків) до сих пір є неперевершеним досягненням в цій галузі досліджень. Режим одночасного експерименту

на восьми мішенях також є унікальним явищем в техніці експерименту. Фізико-технічні основи металево-фольгових детекторів, розроблені в ІЯД НАН України під час виконання експерименту HERA-B (1994–2006), були застосовані також для розроблення й виготовлення систем моніторингу світимості та радіаційних навантажень в цьому експерименті, а також іншому, пізніше розбудованому в ЦЕРН, з першорядною ціллю ретельного дослідження порушення СР-парності в розпадах В-мезонів та інших адронів. Завдяки творчій співпраці із вченими та інженерами цілої низки закордонних установ (Інститут ядерної фізики імені Макса Планка, м. Гайдельберг; Дортмундський університет; Інститут фізики Цюрихського університету) характеристики МФД та систем зчитування їх даних були суттєво покращені: це сприяло розширенню їх застосування для вимірювання просторового розподілу інтенсивності пучків заряджених частинок та фотонів в широкому діапазоні (103 — 1013) еВ. Пізнання фізичних подій в енергетичному просторі електрон-вольтного (атомно-молекулярні процеси) та мега­електронвольтного (ядерні процеси) масштабів докорінно вплинуло на еволюційний розвиток людства. Що очікує людство в енергетичному просторі тера (1012) — електронвольтного мас­­штабу — предмет подальших досліджень фізики високих енергій… Участь в інших міжнародних проєктах та приклади застосування мікродетекторної техніки в інших галузях науки: «Партнерство закритих ядерних центрів» (Програма CNCP, Велика Британія), колаборація MEDIPIX (ЦЕРН), Міжнародна асоційована лабораторія LIA IDEATE (Франція — Україна) Успіх з МФД, представлених вище, поглиблене осмислення фізичного принципу їх нанометрового функціонування надихнули на розробку технології металевих мікростріпових детекторів (ММСД) з товщиною близько 1 мікрона. Наразі, це унікальні, найтонкіші детектори іонізуючого випромінювання. Оригінальну технологію виробництва ММСД з використанням плазмохімічного реактора було розроблено в ІЯД НАН України за підтримки міжнародного проєкту «Партнерство закритих ядерних центрів» (CNCP).



Виняткові риси ММСД полягають не лише в його «прозорості» (товщина 1 m) для досліджуваних потоків іонізуючого випромінювання. Як металевій структурі, йому притаманна надзвичайно висока радіаційна стійкість (понад 100 MGy). Вже досягнуті мікронні кроки в розташуванні сенсорних смужок (стріпів) дозволяють вимірювати просторові розподіли потоків частинок із мікронною точністю. Очевидно, що субмікронний масштаб буде також досяжним, приймаючи до уваги прогрес сучасної CMOS-технології у виробництві радіоелектронних пристроїв з дискретністю близько десятка нанометрів. Ці риси ММСД привернули увагу дослідників низки європейських організацій, за підтримки яких були проведені спільні дослідження на пучках синхротронного випромінювання та високоенергетичних іонів в таких установах, як ESRF (Франція), DIAMOND Light source (Велика Британія), PSI (Швейцарія), HIT (Німеччина), HASYLAB (Німеччина). Металеві мікродетектори успішно застосовані для створення прототипів «електронної фокальної площини» магнітного спектрометра в Інституті прикладної фізики (м. Суми) та рентгенівського дифрактометра в Інституті проблем матеріалознавства НАН України (м. Київ).



За грантової підтримки міжнародного співтовариства ENLIGHT (The European Network for Light Ion Hadron Therapy) мікродетекторні системи (ММСД-ІЯД, TIMEPIX-CERN) були випробувані в Гайдельберзькому іонно-терапевтичному центрі (HIT, Німеччина) для відображення в реальному часі інтенсивності високоенергетичних іонних мініпучків, призначених для цілей просторово фракціонованої радіаційної терапії. В рамках діяльності Міжнародної асоційованої лабораторії LIA IDEATE (Франція—Україна) триває розроблення детекторної системи для фізики високих енергій та медичних застосувань. Техніка експерименту фізики високих енергій ставить виклик найсучаснішим технологіям і стимулює науково-технічний прогрес людства. Успішній діяльності ІЯД НАН України в галузі фізики високих енергій сприяла фінансова та організаційна підтримка Ради з фізики високих енергій та Міжвідомчої ради з наукового приладобудування НАН Украї­ни, а також в рамках грантів за Цільовою програмою наукових досліджень НАН України «Фунда­ментальні дослідження з фізики високих енергій та ядерної фізики (міжнародна співпраця)» на 2018–2020 рр. НАН України (Програма «Міжнародна співпраця») та міжнародної асоційованої лабораторії LIA IDEATE (Франція — Україна, проєкт УНТЦ P9903). Велика подяка за творчу спів­працю колегам з колаборацій LHCb, MEDIPIX (ЦЕРН), а також співробітникам відділу фізики високих енергій ІЯД НАН України (кандидати фізико-математичних наук: М. С. Борисова, Т. В. Обіход, А. В. Чаус, А. О. Лиманець, Ю. С. Сорокін, М. А. Теклішин, В. М. Яковенко, Г. В. Малигіна, О. С. Ковальчук; провідні інженери: В. О. Кива, В. М. Міліція, Є. Л. Момот, О. Ю. Охріменко, М. В. Пугач, Т. В. Пугач, Д. І. Сторожик, В. С. Лукашенко, І. О. Костюк, В. М. Добішук, С. М. Колієв та інші).