На семинаре Отделения Физики Высоких Энергий (ОФВЭ, ПИЯФ), состоявшемся 6-ого октября 2015 г., обсуждался эксперимент D0 (Dzero) и полученные в последние годы результаты анализа данных этого эксперимента. Коллайдерные эксперименты D0 и CDF проводились в Национальной Ускорительной Лаборатории им. Ферми (ФНАЛ, США) на ускорителе Тэватрон с суммарной энергией сталкивающихся пучков протонов и антипротонов 1,96 ТэВ (1 ТэВ = 1 тыс. ГэВ, 1 ГэВ = 1 тыс. МэВ, 1 МэВ = 1 млн. эВ; “коллайдерный” – от английского слова “collide” – сталкивать). Тэватрон был введен в строй в 1983 г. До запуска Большого Адронного Коллайдера в ЦЕРН в 2009 г. это был ускоритель с самой высокой энергией ускоренных частиц, и в течение около четверти века он был наиболее эффективным ускорителем для изучения свойств элементарных частиц.

Главное здание Ускорительной национальной лаборатории им. Ферми

ПИЯФ (в то время ЛИЯФ) начал сотрудничать с ФНАЛ по инициативе директора ОФВЭ профессора А.А. Воробьева в 1983 г. с момента запуска ускорителя Тэватрон. Первый совместный ПИЯФ-ФНАЛ эксперимент Е715 был посвящен решению проблемы бета-распада сигма-гиперонов – имевшиеся тогда экспериментальные данные противоречили теории. По окончании этого эксперимента директор ФНАЛ лауреат Нобелевской премии Леон Ледерман в своем послании вице-президенту АН СССР академику Е.П. Велихову писал: “Этот эксперимент явился выдающимся примером сотрудничества между нашими странами в области физики элементарных частиц. Детектор переходного излучения, сконструированный в Ленинградском институте ядерной физики, играл решающую роль в эксперименте, и работал он превосходно. Можно поздравить ленинградских физиков, руководимых профессором А. Воробьевым, спроектировавших и изготовивших такой детектор, а также сыгравших определяющую роль в ходе эксперимента.”

Успешное выполнение эксперимента Е715 заложило основу дальнейшего сотрудничества между ПИЯФ и ФНАЛ. В 1988 г. был выполнен совместный эксперимент Е761, в котором исследовались Σ и Ξ гипероны. Следующий эксперимент Е781 (SELEX), проводившийся в начале 1990-ых годов, был посвящен физике очарованных частиц. С участием ПИЯФ во ФНАЛ был также выполнен эксперимент Е853 по выводу протонного пучка из Тэватрона методом каналирования протонов в изогнутом кристалле.

С 1996 г. ПИЯФ участвовал в работе по модернизации детектора D0 в связи с подготовкой ко второму сеансу измерений, а в последующем (с 2001 г.) участвовал в проведении измерений. Набор данных был завершен при закрытии Тэватрона в сентябре 2011 г. Но анализ полученных данных продолжается до настоящего времени. Детектор D0 – это универсальный коллайдерный детектор, позволяющий исследовать широкий спектр процессов, возникающих при столкновении протонов с антипротонами. Как и все современные коллайдерные детекторы в физике высоких энергий, D0 – это огромная и очень сложная экспериментальная установка. Объем детектора D0 составляет примерно 13x13x17 м3. Основными подсистемами детектора являются трековая система, электромагнитный калориметр и мюонная система. Трековая система состоит из микростриповых полупроводниковых детекторов и сцинтилляционных волоконных детекторов. Она находится в непосредственной близости к области, где происходят столкновения протонов с антипротонами, и измеряет координаты треков заряженных частиц, вылетающих из точки столкновения протонов с антипротонами, с точностью несколько десятков микрон. Импульсы частиц определяются по искривлению их треков в магнитном поле сверхпроводящего магнита-соленоида. Электромагнитный калориметр, окружающий трековую систему, состоит из пятидесяти тысяч плоскопараллельных ионизационных камер, заполненных жидким аргоном. С его помощью измеряется энергия фотонов, электронов и потоков (струй) заряженных частиц, вылетающих из области взаимодействия. На периферии D0 детектора расположена мюонная система, состоящая из сверхпроводящих магнитов-тороидов и трех слоев сцинтилляционных детекторов и пропорциональных дрейфовых трубок. Мюонная система измеряет координаты треков и энергию мюонов высокой энергии. Всего D0 детектор содержит около миллиона детектирующих элементов. 

Эксперимент D0 осуществляется крупной международной коллаборацией, которая включает около 600 физиков из 80 институтов из 19 стран. От ПИЯФ в эксперименте D0 участвовали 14 человек, причем 7 из них вошли в список авторов публикаций коллаборации D0. Физики ПИЯФ разработали и создали электронику и программное обеспечение для считывания информации с 50 тыс. каналов передней мюонной системы, участвовали в сменах по набору экспериментальных данных и в анализе проведенных измерений. Созданную сотрудниками ПИЯФ электронику американская сторона оценила в один миллион долларов. Эта электроника показала высокую надежность, и она прекрасно отработала все 10 лет второго сеанса измерений.

Задачами экспериментов D0 и CDF являются изучение свойств элементарных частиц, исследование процессов взаимодействия сталкивающихся “лоб в лоб” протонов и антипротонов при суммарной энергии около 2-х ТэВ, проверка предсказаний “Стандартной Модели” и поиск проявлений “новой физики” вне рамок Стандартной Модели. Стандартная Модель – это основная современная теория элементарных частиц. С небольшим числом свободных параметров она описывает свойства огромного количества процессов в мире элементарных частиц. Однако у нее есть и слабые места – она не включает в себя гравитацию, не описывает темную материю и темную энергию, не объясняет, почему в нашем мире материя доминирует над антиматерией, предполагает, что масса нейтрино равна нулю (в то время как экспериментальные данные указывают на наличие у нейтрино хотя и очень маленькой, но конечной массы). Поэтому физики-теоретики предложили несколько новых более общих теорий, в которых отсутствовали бы недостатки Стандартной Модели. Но есть ли среди них “правильная” теория, пока не ясно.

В эксперименте D0 получен большой объем новых сведений о свойствах и превращениях элементарных частиц, которые опубликованы в более трех сотен научных статьях. Наиболее важный результат экспериментов D0 и CDF был получен еще в конце первого сеанса измерений – был открыт недостающий базовый элемент Стандартной Модели, так называемый топ-кварк (Кварки – это элементарные частицы, которые не существуют в свободном состоянии, а существуют лишь в комбинациях, образующих все сильновзаимодействующие частицы – мезоны из двух кварков и барионы из трех кварков. Но топ кварк, в отличие от других кварков, вследствие его очень малого времени жизни не образует связанных состояний). В эксперименте D0 были также осуществлены прецизионные измерения масс топ-кварка и W-бозона, открыт ряд элементарных частиц, предсказанных Стандартной Моделью (Σb, Ξb, Ωb), обнаружена новая частица с массой M = 4140 МэВ/c2 (природа которой пока не выяснена; возможно, она состоит из 4-х кварков), впервые наблюдены осцилляции Bs мезонов (переходы Bs мезонов из состояния частиц в состояния античастиц и обратно), впервые наблюден очень редкий процесс одиночного рождения топ-кварка в s-канале, получены ограничения на массу бозона Хиггса и получено свидетельство о рождении бозона Хиггса с массой около 125 ГэВ/c2.

Последние четыре года, уже после закрытия Тэватрона, анализируя накопленные экспериментальные данные, коллаборация D0 получила несколько десятков новых сведений об элементарных частицах. Некоторые из них обсуждались на семинаре ОФВЭ. Здесь мы не будем перечислять все результаты, а ограничимся лишь констатацией того факта, что все они или хорошо, или вполне удовлетворительно согласуются с предсказаниями Стандартной Модели. С одной стороны, это хороший итог научных исследований, демонстрирующих высокую предсказательную силу Стандартной Модели. Но с другой стороны, физики, конечно же, были бы более довольны, если бы обнаружилось явное противоречие между теорией и экспериментом, которое указывало бы на наличие новой физики, и что позволило бы приоткрыть новые тайны мироздания. Работа по поиску новой физики будет продолжена на Большом Адронном Коллайдере.

 

Д-р физ.-мат. н. Г.Д. Алхазов