В последние десятилетия в физике элементарных частиц наблюдается колоссальный прогресс. Само понятие «элементарная частица» непрерывно меняется. Так, сравнительно недавно протоны и нейтроны (нуклоны), составляющие ядра атомов считались «элементарными». Теперь же стало очевидным, что вместе с другими сильно  взаимодействующими частицами (их называют адронами)  нуклоны имеют сложную структуру и состоят из более «мелких» бесструктурных объектов, именуемых кварками. Гигантскими шагами физика движется дальше.

 Как известно, ускоритель заряженных частиц подобен микроскопу, причем, чем выше энергия частиц в пучке, тем выше разрешающая способность, т.е. тем более мелкие детали исследуемого объекта можно изучать. Исследования структуры протона (нейтрона, адронов) были начаты полвека назад во всемирно известных опытах Хофштадтера на ускорителе в Стэнфорде (США). Протоны и нейтроны «обстреливались» электронами, и по тому, как рассеивался пучок электронов, были измерены распределения заряда в протоне и в нейтроне, и, таким образом, измерен размер нуклона, который  оказался равным 0.8/10¹³  см. За эти работы в 1961 г. Роберт  Хофштадтер был удостоен Нобелевской Премии по физике. И что же, на этом изучение структуры протона было закончено? Нет, конечно. Напротив, оно только началось с опытов Хофштадтера. Но для дальнейшего прогресса были нужны новые более мощные ускорители. Сейчас уже построен в Швейцарии Большой Адронный Коллайдер (БАК), построен усилиями многих стран, в том числе, при серьезном вкладе России и Петербургского Института Ядерной Физики (ПИЯФ) Российской Академии Наук (РАН), в частности. В числе прочих важнейших задач БАК нацелен на открытие новых фундаментальных микрообъектов, т.н. Хиггс мезонов, с помощью которых можно было бы «объяснить» массы всех известных частиц.

В этой заметке я бы хотел рассказать о работах, проводимых на другом большом ускорителе, который был запущен в Гамбурге  в 1992 году, и об участии ПИЯФ РАН в этих исследованиях. На рисунке показан вид с птичьего полета на ту часть Гамбурга, где располагается ускоритель. Пучки ускорителя схематично обозначены пунктирами. Мы видим «пред-ускоритель» - PETRA и основное кольцо- HERA. Радиус основного кольца составляет около 7 км. Пучки протонов и электронов разгоняются в туннелях, расположенных на глубине нескольких метров под землей. Они не представляют никакой опасности для населения. Протоны ускоряются до энергии 920 GeV, a электроны до 27.6 GeV. Пучки частиц движутся в сверхвысоком вакууме, почти таком же, как в космосе. Создание такого вакуума является отдельной высокотехнологичной задачей. Чтобы заставить пучки бегать по окружности, вдоль всей траектории их движения установлены сотни магнитов, которые синхронным образом отклоняют и фокусируют частицы. То есть, сам ускоритель представляет собой сложнейшее устройство, где собраны самые последние  достижения научно-технической мысли. 

Вид сверху на ускорительный комплекс HERA

На ускорителе HERA проводятся два типа экспериментов. Изучаются столкновения протонов с электронами (коллайдерные эксперименты), а так же взаимодействия электронного (или протонного) пучка с расположенной на пути пучка тонкой мишенью (эксперименты с фиксированной мишенью).

ПИЯФ принял самое активное участие в эксперименте  HERMES (ГЕРМЕС), одном из четырех, проводимых на ускорителе, крупных экспериментов. Физики из 30 научных центров Европы, Америки, Китая и России участвуют в эксперименте. Российская сторона представлена четырьмя Институтами, включая ПИЯФ. Германия, являясь хозяйкой ускорителя, обеспечивает эксперименты пучками. Экспериментальные установки же создаются совместными усилиями физиков каждой коллаборации. ПИЯФ внес значительный материальный и интеллектуальный вклад в эксперимент HERMES. Так, центральная часть установки – анализирующий магнит, а также часть приборов, измеряющих треки заряженных частиц, были изготовлены в Санкт-Петербурге. Физики ПИЯФ разработали программы считывания информации, контроля за аппаратурой во время набора данных и многое другое.

Итак, на что потрачены эти усилия, какова цель эксперимента HERMES?

В эксперименте пучок поляризованных электронов с энергией 27.6 GeV взаимодействует с поляризованной газовой мишенью, содержащей водород или дейтерий. Ядро атома водорода состоит из одного протона, а ядро атома дейтерия из слабосвязанных протона и нейтрона. Таким образом, взаимодействия с этими ядрами дают информацию как о протоне, так и о нейтроне. Очень важно, что электроны пучка и протоны (нейтроны) мишени поляризованы. Представьте себе волчок, ось вращения которого направлена, скажем, продольно (по направлению пучка). Протон до известной степени можно считать таким волчком. Если оси вращения всех протонов-волчков направлены одинаково (например, продольно), мы говорим, что мишень продольно-поляризована. Но тогда и составляющие протон (или нейтрон) кварки (см. выше) тоже должны быть продольно поляризованы. А вот степень этой поляризации определяется внутренней структурой (устройством) протона и может быть измерена в эксперименте путем рассеяния электронного пучка. Надо сказать, что  уже к началу эксперимента был известен удивительный факт - сумма вращательных моментов (спинов) кварков оказалась не равной вращательному моменту (спину) протона! Куда делась часть спина протона? «Спиновый кризис»? Так теоретики назвали это явление. Эксперимент HERMES дал ответ на этот вопрос. Как всегда, оказалось, что кризис связан всего лишь с нашим недопониманием природы. Кроме обладающих электрическим зарядом кварков в протоне имеются еще нейтральные частицы - глюоны (от английского glue- клей). Роль глюонов такова: они не позволяют кваркам «разбежаться», причем, чем больше расстояние между кварками, тем сильнее притяжение между ними, обеспечиваемое глюонами (тем гуще клей!) Но глюоны не имеют заряда, и поэтому заряженные электроны пучка с ними не взаимодействуют, или, как говорят, «не видят». Более точно, видят, но с низкой чувствительностью, через вторичные процессы. С другой стороны, эти «плохо видимые» глюоны также обладают вращательным моментом (спином), и таким образом справедливость восстанавливается, если учесть их вклад: сумма вращательных моментов кварков и глюонов снова  равна вращательному моменту (спину) протона. Казалось бы, как просто. Однако описанные здесь исследования заняли около десяти лет. Обработка и анализ данных продолжаются, получение новых физических результатов займет еще несколько лет. Таким образом, будет завершен еще один важный этап в понимании структуры протона и нейтрона.

В настоящее время ускоритель HERA остановлен. Он перестраивается в источник мощного рентгеновского излучения (рентгеновский лазер), с помощью которого будут проводиться уникальные прикладные исследования в области твердого тела, биологии, кристаллографии, и пр.

Строительство ускорителей на все более высокие энергии требует все больших затрат. Вопрос о выделении соответствующих средств решается на правительственном, а в последнее время, практически всегда и на международном уровне. Хотелось бы ещё раз подчеркнуть, что эти затраты всегда окупаются, т.к. в результате человечество получает принципиально новое знание, являющееся фундаментом всех наук, в том числе и прикладных исследований, непосредственно направленных на благо людей. Примеров этому - десятки тысяч.

С.Л. Белостоцкий