Фабрика очарованных кварков

Какие неизведанные области мироустройства откроет человечеству коллайдер промежуточной энергии Супер С-тау фабрика?

Создание Супер С-тау фабрики является сегодня проектом класса мегасайенс и реальной государственной задачей. Разработана фабрика учёными Института ядерной физики им. Г.И. Будкера в Новосибирске. И хотя финансирование на неё ещё не выделено, институт уже вложил в проект коллайдера 40 млн долларов. Какие перспективы открывает исследовательская работа в ходе реализации Супер С-тау фабрики, в том числе для атомной отрасли, и зачем учёным опровергать Стандартную модель физического мира? «Вестнику Атомпрома» на эти и другие вопросы ответил заведующий лабораторией №2 ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН Иван Логашенко. 

Иван Логашенко, заведующий лабораторией №2 ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН

Иван Борисович, почему так важны попытки создания коллайдера? Сегодня это больше научная или прикладная задача?

Исходно создание коллайдера – это, конечно, чисто научная задача. Желание узнать, как устроен мир, неотъемлемая черта человека. И физика элементарных частиц является одним из передовых направлений в этом отношении, она на всё более детальном уровне объясняет природу. Сегодня так же бурно развивается астрофизика, которая в других масштабах занимается похожими задачами: пытается понять устройство мира. Чтобы продвинуться вперёд, учёным нужны инструменты, которые позволят проводить соответствующие исследования. Коллайдер – это самый мощный и универсальный инструмент для подобного типа научных поисков.

Развитие коллайдеров идёт в двух направлениях. Первый путь – создание коллайдеров максимальной энергии. Самая мощная установка такого типа сегодня – Большой адронный коллайдер (БАК), который работает в ЦЕРНе. Чем до больших энергий удаётся ускорить частицы и, соответственно, чем больше энергии выделяется при столкновении, тем глубже, на меньшие масштабы, получается продвинуться в понимании устройства мира. В этом смысле хотелось бы построить коллайдер, рассчитанный на бесконечно большую энергию. Однако приходится считаться с техническими особенностями установок: например, периметр БАК составляет 27 километров, это очень большая машина. Установки следующего поколения планируются по масштабу в 100 километров; по-видимому, это на сегодня предельный технически реализуемый размер. Есть и другие ограничения, например, сколько электроэнергии будет потреблять коллайдер, какова стоимость строительства установки. Поэтому повышать энергию частиц в коллайдере до бесконечности невозможно.

Каков другой вектор развития?

Другой вектор развития – создание коллайдеров большой производительности. В них сталкиваются пучки промежуточных энергий, но интенсивность этих пучков (количество частиц в них) очень высокая. Благодаря высокой статистике столкновений удаётся достичь высокой точности измерений, что, в свою очередь, позволяет наблюдать различные тонкие эффекты или очень редкие события, которые и открывают нам возможность изучения законов природы на очень малых расстояниях. Эксперименты на коллайдерах с максимальной энергией и с максимальной производительностью отлично дополняют друг друга, и оба типа установок позволяют получить результаты на самом краю науки.

Установка Супер С-тау фабрика – это как раз такой коллайдер, который рассчитан на промежуточную энергию. Подобная установка, детектор BES-III на коллайдере BEPC-II, сейчас работает в Пекине, и оттуда постоянно появляются очень интересные результаты. Производительность нашего коллайдера будет в 100 раз больше, чем у BEPC-II, лучшего существующего коллайдера в той же области энергий. Благодаря скачку в производительности мы сможем делать более точные эксперименты, это откроет физикам принципиально новые возможности для исследований.

Какие эксперименты на нём планируется проводить и какова основная задача установки?

Супер С-тау фабрика, как любой коллайдер, имеет дело с фундаментальной наукой, с физикой элементарных частиц. Эксперименты будут связаны с изучением физики сильных взаимодействий с участием очарованных кварков. В области этой же энергии рождается тау-лептон – самый тяжёлый из лептонов (частиц, которые не участвуют в сильных взаимодействиях). Основная цель установки – поиск явлений, которые мы не наблюдали раньше и которым нет объяснения в рамках существующей теории, на языке физиков это называется «поисками новой физики». В существующей модели физического мира – Стандартной модели, теоретическое описание которой в основном сделано в 70-е годы, сегодня есть открытые вопросы, она не описывает все наблюдаемые явления. Такие несоответствия можно наблюдать в больших, астрофизических масштабах – в космосе. Поиск явлений, которые выходят за рамки Стандартной модели, в лабораторных масштабах, на коллайдерах, является одной из основных задач физики элементарных частиц. Только когда учёные накопят достаточное количество таких наблюдений, можно будет продвинуться дальше в понимании мира, построить более точную модель. Это обязательный шаг в науке. Главная задача экспериментов на Супер С-тау фабрике – поиск явлений, которые выходят за рамки того, что мы понимаем сегодня. Рекордная производительность установки предоставит физикам такие возможности, которых нет на других установках.

Сам коллайдер необходим для фундаментальных исследований, и эксперименты, которые на нём будут проводиться, прямого прикладного назначения иметь не будут. Однако предыдущий опыт показывает: когда строится установка на грани технологических возможностей, а коллайдер является установкой именно такого плана, то попутно происходит бурное развитие технологий, которые имеют прикладной характер. Например, в медицине. В частности, для Супер С-тау фабрики развивается технология производства тяжёлых сцинтиляционных кристаллов. Когда технология станет надёжной и относительно дешёвой, такие кристаллы будут востребованы для позитронной томографии. Такие томографы производятся в мире, но пока не в России. Кристаллы, которые мы планируем получить для Супер С-тау, позволят сделать томографы нового поколения, лучше сегодняшних. Другой пример: детекторы, которые у нас стоят в детекторе для регистрации частиц, рождающихся в коллайдере, используются для построения досмотровых систем с малой дозой излучения. Прикладной характер будут иметь и пучковые технологии. Коллайдер создаёт мощные электронные и позитронные пучки, которые сталкиваются; технологии создания таких пучков и техника, необходимая для манипуляции ими, – всё это можно применять в медицине и атомной промышленности. Так, в медицине вся радиационная терапия – это область, тесно связанная с технологиями создания пучков и управления ими. В атомной промышленности обсуждается создание подкритических ядерных реакторов, в которых реакция инициируется мощным протонным пучком – здесь используются схожие с нашими технологии производства пучков и работы с ними.

Чем отличается новосибирская Супер С-тау фабрика от других подобных проектов? В чем её уникальность?

Главное отличие – это производительность. Сейчас есть коллайдер в Пекине, он работает в той же области, что и наша Супер С-тау фабрика, но с производительностью в 100 раз меньше. То, что в Китае делают за год, мы сможем делать за три дня. Впрочем, это не вопрос скорости, а вопрос открытия новых горизонтов. На Супер С-тау фабрике можно проводить эксперименты, которые на другом коллайдере сделать невозможно как раз из-за отличия в производительности.

Чтобы достичь такой производительности, нельзя просто повторить установку и подать на неё в 100 раз больше напряжения: необходимо полностью создать коллайдер другой конфигурации с технологиями на грани тех, которые сейчас существуют в этой области техники. Установки, нацеленные на такую область энергии, как Супер С-тау фабрика, сегодня в мире работают. Область, где рождаются очарованные кварки и тау-лептон, в логике физики элементарных частиц очень интересна, поэтому для неё были созданы первые установки ещё в 70-е годы – правда, совсем слабые, затем создавались более мощные, сейчас самая мощная установка работает в Пекине. И мы надеемся, что следующее её поколение будет работать у нас.

Что именно и в какие сроки необходимо сделать для реализации проекта Супер С-тау фабрики? Какие сложности приходится преодолевать?

Проект очень большой, он находится на грани технологических возможностей – не только наших, но и мировых. Мы начали развивать его более 10 лет назад, сейчас есть концептуальный проект и разработаны ключевые элементы. По нашим оценкам, чтобы довести его до законченного состояния, потребуется ещё 2 года – это этап проверки ключевых технологий, создания различных прототипов, проведения опытных работ. По окончании этого этапа можно будет сооружать саму установку. Строительство, по нашим расчётам, займёт 6 лет: это и создание инфраструктуры, тоннелей, подвод электроэнергии и т.п., и создание ускорителя, детектора, вычислительной инфраструктуры. После этого понадобится ещё 2 года для запуска и доведения коллайдера до проектных параметров производительности, для запуска и калибровки детектора частиц, установленного на коллайдере. После этого начнутся эксперименты, а они на такого рода установке длятся, по крайней мере, 10 лет. Затем, как правило, идёт модернизация, частичное улучшение, и эксперименты продолжаются. Вложив в установку немало ресурсов, обычно её используют в максимально широком спектре задач. Касательно трудностей могу сказать, что, с одной стороны, понятно, как строить установку и как достичь высокой производительности. С другой стороны, отдельные элементы требуют детальной проработки. Это одна из трудоёмких и важных задач в реализации проекта. Другая сложность – это сам процесс строительства, установка очень большая. И даже если ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН станет головным, он один не сможет её построить. Здесь речь идёт о кооперации с российскими организациями и мировыми научными центрами. Организовать такую кооперацию – это вызов, и мы его принимаем, все вопросы считаем решаемыми.

Расскажите, пожалуйста, о финансовой стороне проекта. Каковы затраты, кто в них участвует?

Надо иметь в виду, что речь идёт о создании научного центра мирового уровня, на такие проекты собирается международная коллаборация из представителей 10–20 стран (из каждой страны участвуют несколько институтов, которые занимаются подобными исследованиями). Объединёнными усилиями проводятся эксперименты, получают результаты.

Мы оцениваем весь проект в целом в 37 млрд рублей, включая этап строительства, то есть до периода эксплуатации, до проведения экспериментов на установке. Почти половина этой суммы требуется непосредственно на коллайдер. Изготовление коллайдера всегда является задачей той страны, на территории которой он располагается, на это выделяются средства из бюджета. Вполне возможно, что часть элементов ускорителя будет произведена зарубежными участниками коллаборации. Коллайдер производит пучки, которые сталкиваются в детекторе, с помощью которого изучают, что происходит в результате столкновения. Создание детектора – это задача международной коллаборации, хотя, конечно, странахозяин играет при этом ключевую роль. На создание детектора потребуется приблизительно треть всех расходов проекта, здесь предполагается как вложение российских денег, так и заметное участие членов коллаборации. Расходы на строительство инфраструктуры – исключительно российские из бюджета. Зарубежные участники, вкладывающиеся в проект, будут иметь право работать на этой установке и будут иметь доступ ко всем результатам – так происходит в современных международных научных коллаборациях, это общепринятая практика.

Стоит ещё отметить, что строительство коллайдера такого масштаба, как Супер С-тау фабрика, автоматически означает создание научного центра мирового уровня. Это даёт большие возможности стране-хозяйке по развитию науки и технологий, по привлечению лучших специалистов со всего мира. Существует не так много возможностей по созданию центров притяжения такого уровня.

Есть ли в этой области соперничество между учёными разных стран или всеми движет исключительно научный интерес и все параллельно работают над связанными, но разными проблемами, открыто делясь результатами?

Это фундаментальные исследования, они абсолютно открыты, результаты публикуются в научных изданиях. Эксперименты на установках такого масштаба проводятся большим коллективом учёных со всего мира. Так что на поставленный вами вопрос могу ответить, что при создании проекта учёными движет научный интерес, и результаты работы открыты.

Схожий с Супер С-тау фабрикой проект развивается в Китае, там предполагают построить установку в Хэфэе. В рамках мирового научного сообщества есть консенсус, что Супер С-тау фабрика интересна, её надо создать. Наш проект развивается параллельно с китайским, мы тесно общаемся с китайскими учёными. Пока идёт этап разработки проектов. На следующем этапе Китай решит, будет ли строить Супер чарм-тау фабрику в Хэфэе, а Россия – начнёт ли строить Супер С-тау в Новосибирске. Если будут построены обе установки (такие прецеденты были и, в частности, В-фабрики, изучающие b-кварк в Японии и США; эти фабрики прошлого поколения работали в области слегка большей энергии в начале 2000-х годов), то речь пойдёт о дружеской конкуренции. В случае с В-фабриками две установки ставили одну задачу, проводили похожие эксперименты на двух разных машинах с помощью двух разных детекторов. Такая конкуренция помогала и стимулировала работу, каждая группа хотела получить результат быстрее. При этом значительно возрастала уверенность в полученных результатах – любой результат, полученный одной группой, проверялся второй. Мы находимся примерно в таких же условиях с группой, которая работает в Китае. Есть ещё проекты, рассчитанные на другую энергию, например, запускающаяся в Японии Супер В-фабрика нового поколения, но она не является конкурентной, скорее, результаты работы установок дополняют друг друга, здесь речь идёт о сотрудничестве. Например, для нас важно использовать их опыт достижения высокой производительности, опыт запуска установки и т.п. – вся эта информация тоже открыта.

Какова роль Росатома в проекте и каково значение будущих фундаментальных открытий для атомной отрасли?

Весьма важным является технологическое сотрудничество с Росатомом, новые технологи найдут своё применение в атомной промышленности. Здесь взаимодействие продуктивно с учётом технологической культуры и возможностей, которые есть в госкорпорации. Примером такого сотрудничества являлась совместная работа ИЯФ СО РАН, РФЯЦ-ВНИИТФ (Снежинск) и ЦЕРН (Швейцария) по созданию нового инжектора Linac-4 для Большого адронного коллайдера. РФЯЦ-ВНИИТФ изготовил корпуса резонаторов и ячеек связи, используя, в частности, уникальную технологию электрохимического нанесения меди толщиной 30–50 микрон на нержавеющую сталь. В ИЯФ СО РАН изготовлены пролётные трубки с применением технологий вакуумной пайки и электронно-лучевой сварки, произведена сборка. Окончательную настройку оборудования специалисты ИЯФ СО РАН осуществляли в ЦЕРН.

Наш институт заинтересован, чтобы Росатом участвовал в создании Супер С-тау фабрики, потому что возможности ГК нами востребованы. В октябре 2017 года в Снежинске было совещание, посвящённое сотрудничеству, мы представляли проект Супер С-тау фабрики и обсуждали, в каких сегментах было бы эффективно сотрудничать с Росатомом. Это производство различных элементов ускорителя, магнитная и вакуумная системы. Эксперименты на Супер С-тау фабрике требуют наличия развитой инфраструктуры высокопроизводительных вычислений и хранения данных, а у Росатома большой опыт и высокий уровень экспертизы в этих вопросах. Именно Росатом может произвести высокотехнологическую продукцию необходимого качества для элементов ускорителя и детектора. Росатому сотрудничество выгодно тоже, поскольку задачи, которые мы ставим при создании установки, помогут развить технологическую базу госкорпорации, которая в дальнейшем позволит ей решать свои вопросы прикладного характера. Проект Супер С-тау фабрики находится сейчас на этапе разработки, мы определили основные направления сотрудничества с Росатомом. Надеемся, что по мере развития проекта и перехода его в стадию реализации это сотрудничество будет наполняться конкретными работами.

Перспективы какой следующей крупной научной задачи может открыть успешное окончание проекта Супер С-тау фабрики?

Перспектива будет напрямую зависеть от результатов экспериментов С-тау фабрики. Поэтому сейчас трудно предположить что-то конкретное. Предыдущий опыт показывает, что при запуске новой установки на грани существующих возможностей обязательно открывается что-то интересное. И сложно предсказать, какие именно открытия будут сделаны. Планировать, что будет после проекта Супер С-тау фабрики в области промежуточных энергий, трудно. Вместе с нашими результатами будут получены результаты на Большом адронном коллайдере, на Супер B-фабрике, которая сейчас запускается в Японии. Собрав вместе всю полученную информацию, мировому научному сообществу будет понятно, куда двигаться дальше, в какую точку надо «бить», чтобы получить максимальный эффект для понимания того, как устроен мир.

Мир, конечно, не сидит сложа руки и ждёт новых результатов. Новые проекты существуют и развиваются. Например, активно обсуждаются два проекта суперколлайдеров следующего поколения – FCC в ЦЕРН и CEPC в Китае (мы участвуем в этих работах). Это коллайдеры периметром 100 километров – для сравнения, периметр нашей Супер С-тау фабрики около 1 километра. Есть и ряд других проектов. Но вот то, какой из них будет реализован, зависит от результатов сегодняшних экспериментов, финансовых возможностей стран-участников и так далее.

Коллайдер имеет дело непосредственно с антиматерией – самым дорогим «веществом» на сегодняшний день. Может ли идти речь о создании антиматерии с коммерческой целью?

Антиматерия действительно считается самой дорогой субстанцией, поскольку её создание обходится недёшево: нужно создать пучки протонов или электронов, сильно их разогнать, из незначительного числа частиц выловить и сохранить античастицы, для этого тратится много электроэнергии. Создать антиматерию с помощью коллайдера можно, она там постоянно создаётся, но о её коммерческом назначении речи быть не может, потому что её сложно сохранять. Пока её сохраняют на короткое время исключительно для научных экспериментов.