Основные этапы развития физики высоких энергий в НИИЯФ МГУ

При широкой поддержке академиков С.Н.Вернова и А.А.Логунова в конце 60-х годов были начаты работы по созданию нового для НИИЯФ МГУ направления экспериментальных исследований - физики высоких энергий на ускорителях - в рамках сотрудничества с крупнейшими н аучными центрами России (ИФВЭ, ОИЯИ, ИТЭФ). В 1967 г. была организована группа высокогорных исследований, в задачу которой входило сравнительное изучение взаимодействий адронов в космических лучах и на ускорителях. В 1968 г. была образована лаборатория (в последствии отдел) высоких энергий (ОВЭ) под руководством проф. В.Г.Шевченко, и уже в следующем году было принято решение о строительстве на территории МГУ лабораторного корпуса высоких энергий. В 70-х годах физики НИИЯФ МГУ приняли участие в целом ряде и сследований на ускорителях ИФВЭ, ОИЯИ и в США:

  • на ускорителе в Протвино с высокой точностью было измерено сечение взаимодействия нейтронов с протонами, дейтронами и сложными ядрами при энергиях до 70 ГэВ, изучено упругое рассеяние нейтронов на протонах, упругая перезарядка и дифракционная диссоциация нейтронов (совместно с ИТЭФ и ЦЕРН’ом);
  • детально исследованы механизмы асимметричного рождения частиц в pр-столкновениях при 40 ГэВ, включая дифракционное возбуждение протона и пиона, трехреджеонные процессы, померон-померонное взаимодействие, лидирование заряженных и нейтральных пионов, свойства кинематических кластеров, рождение резонансов, кварковые эффекты и др. (в сотрудничестве с ОИЯИ);
  • выполнено исследование рd-столкновений при энергии 200 ГэВ с помощью 30-дюймовой пузырьковой камеры Аргоннской национальной лаборатории (США) (в частности измерена глауберовская поправка к сечению взаимодействия);
  • начались исследования рр-взаимодействий на пузырьковой камере “Мирабель” (совместно с ИФВЭ и зарубежными университетами).

Еще раньше в конце 1960 г. в г.Дубна Московской области был создан филиал НИИЯФ МГУ. Филиал явился базой для подготовки студентов физического факультета МГУ ядерно-физических специализаций с использованием возможностей крупнейшего международного научного центра в Дубне - Объединенного института ядерных исследований. Для филиала был построен учебный корпус с аудиториями, библиотекой, учебными лабораториями и мастерскими, а также общежитие.

Филиал был создан по инициативе и при активном участии выдающихся ученых: акад.В.И.Векслера,член-корр. АН СССР Д.И.Блохинцева и С.Н.Вернова. Академик В.И.Векслер и член-корр. АН СССР Д.И.Блохинцев стали первыми руководителями созданных на базе филиала каф едр физического факультета : кафедры физики элементарных частиц и кафедры теоретической ядерной физики. Важная роль в становлении филиала в целом и кафедры физики элементарных частиц принадлежит академику Б.М.Понтекорво, возглавлявшему эту кафедру с 1966 года в течение почти 20 лет.

С самого начала и до настоящего времени обучение на кафедрах, базирующихся в филиале НИИЯФ МГУ, организовано следующим образом. С 8-го семестра и до окончания университета студенты живут и учатся в Дубне. Лекции читаются, главным образом, учеными ОИЯИ, из вестными специалистами в своей области. В лабораториях Объединенного института, где имеется несколько ускорителей разных типов, импульсный реактор, современные экспериментальные установки и мощный вычислительный центр, студенты проходят практику и выполня ют дипломные работы.

В 70-х и 80-х годах на базе филиала, кроме студентов МГУ, обучались прикомандированные студенты из многих вузов Советского Союза от Ужгорода до Владивостока.

В настоящее время, после создания в 1991 году Учебно-научного центра МГУ, МИФИ и ОИЯИ, в филиале учатся студенты кафедр физики элементарных частиц и физики атомного ядра физического факультета МГУ, нескольких кафедр МИФИ и МФТИ. Общее число студентов - ок оло 100 человек.

Научные сотрудники филиала проводят экспериментальные исследования в области физики высоких и промежуточных энергий. Среди наиболее важных полученных результатов следует отметить обнаружение и изучение распада p-мезона на g-квант и атом позитрония, осущес твленное совместно с физиками ОИЯИ на ускорителе в Протвино. Была измерена относительная вероятность этого процесса, и оказалось, что это самый редкий из зарегистрированных до настоящего времени распадов элементарных частиц. Измерено также полное сечение взаимодействия позитрония с углеродом, что явилось первым измерением атом-атомных сечений в ультрарелятивистской области.

В дальнейшем тем же коллективом сотрудников НИИЯФ МГУ и ОИЯИ выполнен эксперимент, в котором впервые обнаружено кулоновски связанное состояние p+- и p--мезонов. Измерение времени жизни димезоатома позволит с высокой точностью провери ть предсказания киральной симметрии КХД в низкоэнергетической области. В настоящее время эксперимент по изучению димезоатомов принят и разворачивается на ускорителе PS в ЦЕРН’е (эксперимент ДИРАК).

Обработка результатов экспериментов на ускорителе высоких энергий велась частью на оборудовании, уже имевшемся к тому времени в НИИЯФ МГУ, но, главным образом, в ОИЯИ и ИТЭФ. Участие в этих работах позволило сотрудникам института не только приобрести необ ходимый опыт работы на ускорителях, но и получить ряд важных физических результатов.

Дальнейшее развитие исследований требовало создания в НИИЯФ МГУ собственной измерительно-вычислительной базы. С этой целью , а также для расширения фундаментальных исследований по физике высоких энергий, в начале 1978 г. в институте был образован отдел из мерительной техники (ОИТ) под руководством профессора П.Ф.Ермолова. С этого времени ведет свое начало новый период развития экспериментальной физики высоких энергий в НИИЯФ МГУ. В состав нового отдела вошла группа высокогорных исследований (ныне лаборатор ия адронных взаимодействий, зав.лаб. проф. Л.И.Сарычева), а также квалифицированные инженеры и молодые специалисты - выпускники МГУ и МИФИ.

На первом этапе главной задачей являлось создание материально-технической базы исследований. В 1980 г. было завершено строительство лабораторного корпуса высоких энергий. Благодаря поддержке со стороны ректора МГУ академика А.А.Логунова, Госкомитета СССР по использованию атомной энергии и Госкомитета СССР по науке и технике, а также высокой квалификации научных и технических сотрудников отдела за короткий срок были созданы вычислительный комплекс на базе двух ЭВМ ЕС-1045 и нескольких малых машин и измерит ельный центр по обработке фильмовой информации, включающий прецизионную измерительную аппаратуру, работающую в линию с ЭВМ, адаптированы или написаны заново сложнейшие программы математической обработки. По своей мощности измерительно-вычислительный компл екс был одним из самых крупных в стране.

В 1982 г. в состав ОИТ вошла лаборатория машинной обработки результатов (зав.лаб. проф. В.С.Мурзин), и численность отдела, включая физиков, инженеров и обслуживающий персонал, превысила 100 человек. Создание измерительно-вычислительного комплекса позволил о физикам ОИТ и ОВЭ включиться в обработку и анализ результатов целого ряда физических экспериментов с пузырьковыми камерами и фотоэмульсиями на ускорителях ОИЯИ, ИФВЭ, ЦЕРН,а.

При импульсах 22,4 и 32 ГэВ/с с помощью пузырьковых водородных камер “Людмила” и “Мирабель” совместно с ОИЯИ и ИФВЭ были всесторонне исследованы взаимодействия антипротонов с протонами. Уникальный по объему материал (например, при 32 Г эВ/с в целом было измерено 250 тысяч событий) позволил обнаружить ряд новых эффектов:

  • значительную выстроенность r-мезонов, интенсивно рождающихся при аннигиляции;
  • асимметрию распределения зарядов в передней и задней полусферах в системе центра масс;
  • существование лидирующих частиц при аннигиляции.

Последние два эффекта свидетельствовали о том, что часть валентных кварков сохраняется в процессе аннигиляции. Кроме того, были детально изучены эксклюзивные каналы реакции, рождение странных частиц, корреляционные явления и процессы дифракции.

В 80-ые годы с помощью измерительно-вычислительного комплекса НИИЯФ МГУ в сотрудничестве с ЦЕРН’ом и ИФВЭ была выполнена широкая программа исследований адронной динамики многочастичных процессов на основе обработки и анализа данных с Европейского гиб ридного спектрометра (ЕГС) в ЦЕРН’е.

В отличие от чисто камерных экспериментов ЕГС (где кроме быстроциклирующей камеры используются внешние электронные устройства) позволяет с высокой точностью измерять импульсы частиц высокой энергии и устанавливать их природу.

В различных вариантах эксперимента (NA-22, NA-23, NA-27) использованы взаимодействия протонов, пионов и каонов с протонами и ядрами при энергиях 250-400 ГэВ. На основе обработанного материала получен ряд важных результатов, среди которых можно отметить сл едующие:

  • эффективные радиусы составляющих кварков (0,16-0,20 фм) логарифмически растут с энергией;
  • фактор подавления странности l = 0,16±0,02 не зависит от энергии в изученном интервале энергий;
  • сечения рождения векторных мезонов логарифмически растут с энергией, причем заметная часть D0-мезонов высокой энергии образуется в дифракционных процессах через распад более тяжелых резонансов.

С 1989 г. НИИЯФ МГУ включился в обработку результатов эксперимента Е-632 в Фермиевской национальной ускорительной лаборатории (ФНАЛ, США) по исследованию взаимодействий нейтрино с ядрами неона и водорода при максимально доступных в настоящее время энергия х нейтрино (около 150 ГэВ) с помощью 15-футовой пузырьковой камеры. Работа велась в сотрудничестве с институтами США и Западной Европы, а также ИФВЭ и ИТЭФ. В 1993 г. были завершены измерения 1400 случаев взаимодействия нейтрино в рабочем объеме камеры, в едется анализ свойств заряженных и нейтральных токов с учетом информации от внешних электронных идентификаторов мюонов. Исследуются характеристики адронных систем, корреляционные явления и т.д. Обнаружено существенное увеличение выхода странных частиц в н овой энергетической области, что, возможно, связано со значительным ростом сечения рождения очарованных частиц.

Одновременно проводились и электронные эксперименты:

  • ОВЭ принимал участие в совместном советско-американском эксперименте по изучению излучения релятивистских электронов и позитронов при каналировании в монокристалле кремния и германия. Было установлено, что спектральная плотность излучения при каналировании электронов в 50-70 раз превышает спектральную плотность тормозного излучения из аморфной мишени;
  • на ускорителе ОИЯИ сотрудниками ОИТ был построен сцинтилляционный магнитный спектрометр (СМС МГУ), предназначенный для изучения свойств лидирующих частиц в адрон-ядерных взаимодействиях. На этой установке при помощи изогнутого монокристалла кремния с помощью эффекта плоскостного каналирования было произведено отклонение протонов с импульсом 4,5 и 10 ГэВ/с на рекордный угол 64 мрад и впервые наблюдено отклонение ядер углерода.

В 1984 г. в совместной работе ИФВЭ, ОИЯИ, НИИЯФ МГУ и ИФВЭ ТГУ был предложен и разработан проект крупной установки - спектрометра с вершинным детектором (СВД) - для измерения на ускорителе в Протвино сечения околопорогового рождения очарованных частиц при энергии 70 ГэВ. В НИИЯФ МГУ была разработана конструкция пропорциональных камер размером до 1,5 м для координатных измерений траекторий частиц с точностью 1 мм и комплекс накамерной и регистрирующей электроники, а также система быстрого триггера. Установ ка смонтирована и работает на пучке протонов ускорителя У-70. Она включает быстроциклирующую пузырьковую камеру в качестве вершинного детектора, систему мониторирования и триггирования, магнитный спектрометр и детектор фотонов. Установка имеет более 20 ты с. каналов регистрации, работающих в линию с вычислительными машинами и спецпроцессором для управления отбором событий и сбора информации.

Таким образом, с середины 80-х годов, когда в ОИТ было завершено создание технической базы, основным направлением работ все больше становились фундаментальные экспериментальные исследования элементарных частиц высокой энергии на современных ускорителях эл ектронов, протонов и ядер. В связи с этим в 1987 г. ОИТ был переименован в Отдел экспериментальной физики высоких энергий (ОЭФВЭ), а в 1992 г. состав ОЭФВЭ был включен в ОВЭ в качестве лаборатории (зав.лаб. доктор физ.-мат. наук Е.М.Лейкин).

Осмысление экспериментальных данных, предсказание новых результатов и направлений исследований требует создания адекватных теоретических подходов к описанию взаимодействий элементарных частиц. Возникает необходимость в разработке новых методов квантовой т еории поля, которая является фундаментом теории физики микромира. Необходимо построение различных моделей взаимодействия элементарных частиц, как принципиально новых, так и приближенных, феноменологических. Наконец, требуется создание высокоэффективных ме тодов расчета (в том числе и компьютерных) характеристик взаимодействия элементарных частиц: сечений рассеяния, структурных функций, спектров связанных состояний, спиновых свойств и других. Именно для решения теоретических проблем физики элементарных част иц еще в 1975 г. в составе ОВЭ был организован под руководством проф. Ю.М.Широкова сектор (впоследствии лаборатория) теории поля (ЛТП). Основные направления исследований ЛТП были связаны с разработкой современных геометрических и топологических подходов к калибровочным теориям элементарных частиц, теории гравитации, космологии и физики пространства-времени, а также с изучением свойств релятивистских квантовых связанных состояний.

В связи с необходимостью развития компьютерных методов расчетов в теоретической физике в 1983 г. по инициативе и при содействии академика А.А.Логунова и проф. О.А.Хрусталева в институте была создана лаборатория аналитических вычислений в физике высоких эн ергий (ЛАВФВЭ) под руководством доктора физ.-мат. наук В.И.Саврина. В 1986 г. в структуре института была образована лаборатория теории элементарных частиц и гравитации (ЛТЭЧГ) под руководством профессора М.А.Мествиришвили, одной из основных задач которой было решение проблем релятивистской теории гравитации, предложенной А.А.Логуновым.

С целью объединения усилий теоретиков для решения задач современной физики элементарных частиц и выполнения работ в рамках государственной научно-технической программы “Физика высоких энергий” в 1990 г. на базе ЛАВФВЭ, ЛТЭЧГ и группы проф. Н.Ф.Н елипы в институте был создан отдел теоретической физики высоких энергий (ОТФВЭ) в составе трех лабораторий: ЛАВФВЭ (зав.лаб. кандидат физ.-мат.наук В.А.Ильин), лаборатории теории фундаментальных взаимодействий (ЛТФВ, зав.лаб. доктор физ.-мат.наук Э.Э.Боос ) и ЛТЭЧГ. В 1992 г. в связи с реорганизацией ОВЭ в ОТФВЭ была переведена ЛТП, которой с 1982 г. руководит доктор физ.-мат.наук В.Е.Троицкий.

Среди основных результатов, полученных сотрудниками ЛТП за эти годы можно отметить следующие:

  • созданы новые теории пространства-времени с локальным нарушением изотропии;
  • разработаны новые модели со спонтанной компактификацией пространства-времени в теориях Эйнштейна-Янга-Миллса;
  • получены асимптотические разложения фейнмановских амплитуд;
  • исследованы процессы рождения пар очарованных кварков и частиц на коллайдере НЕRА (Германия);

T на базе мгновенной формы релятивистской гамильтоновой динамики развит метод исследования двухчастичных составных систем.

Основными направлениями исследований в ЛТФВ являются: разработка новых моделей взаимодействий элементарных частиц при энергиях от 1 ТэВ и выше; расчет процессов столкновения элементарных частиц в различных калибровочных теориях (стандартной модели и ее об общениях) и выработка на этой основе рекомендаций для постановки экспериментов на действующих и планируемых коллайдерах; исследование возможностей построения новых моделей взаимодействия элементарных частиц на принципиально новой основе (например, суперси мметричных теорий и теорий суперструн).

Основным направлением исследований в ЛАВФВЭ является создание новых высокоэффективных вычислительных методов в квантовой теории поля и физике высоких энергий, реализация создаваемых методов в виде компьютерных программ и проведение на этой основе расчетов .

И исторически, и благодаря взаимодополняемости научных направлений исследования в ЛТФВ и ЛАВФВЭ в основном идут в составе смешанных групп. Поэтому и полученные результаты во многом являются плодами совместных усилий сотрудников этих двух лабораторий. Сред и основных достижений следует отметить следующие:

- создан пакет программ CompНЕР, предназначенный для автоматизации расчетов процессов столкновения элементарных частиц и их распадов в рамках современных калибровочных теорий. Пакет CompНЕР позволяет физикам (даже имеющим небольшой опыт работы с компьютер ом) рассчитывать сечения и строить различные распределения для процессов столкновения элементарных частиц в рамках стандартной модели и ее обобщениях. Этот пакет признан во всем мире. Он позволяет избежать рутинных расчетов и сосредоточиться собственно на физике явлений;

  • с помощью пакета CompНЕР рассчитан ряд новых процессов столкновения элементарных частиц на действующих коллайдерах (LEP, НERА, ТЕVAТRON), а также на планируемых коллайдерах (LHC, NLC). Среди них детальный расчет процессов с сигнатурой от хиггсовского бозона в е+е--столкновениях, расчет процессов рождения экзотических частиц, таких как возбужденные лептоны и кварки, лептокварки и др.;
  • рассчитаны двухпетлевые поправки к коэффициентным функциям глюонного конденсата для корреляторов двух токов тяжелых кварков в квантовой хромодинамике;
  • в рамках квазипотенциального подхода в квантовой теории поля изучены свойства электромагнитного взаимодействия в системах релятивистских заряженных частиц и объяснена природа узких электромагнитных резонансов, обнаруженных недавно в экспериментах;
  • в системе REDUCE для символьных вычислений на компьютерах реализован алгоритм Кеннеди-Квитановича для вычисления следов в алгебре дираковских гамма-матриц в случае произвольной размерности пространства-времени. Эта программа включена в состав версии 3.4 системы REDUCE.

ОТФВЭ имеет широкие международные связи. Совместные исследования на протяжении многих лет проводятся с такими ведущими научными центрами в области физики высоких энергий как Немецкий электронный синхротрон (ДЭЗИ) и Институт Макса Планка (Германия), Национ альная лаборатория по физике высоких энергий (КЕК, Япония), ФНАЛ (США). Сотрудники отдела плодотворно сотрудничают со многими ведущими университетами мира, например, с университетами городов Лондона, Токио, Гамбурга, Лиссабона, Лейпцига, Дублина, Сеула и других. Среди российских центров особенно плодотворными являются контакты с ИФВЭ (Протвино), ОИЯИ (Дубна), ИЯИ РАН, Новосибирским университетом.

В последние годы в НИИЯФ МГУ получили развитие исследования фундаментальных свойств материи при максимально доступных энергиях адронов и лептонов на действующих и проектируемых ускорителях в сотрудничестве с крупнейшими зарубежными научными центрами, а та кже подготовка экспериментальных исследований на ускорительно-накопительном комплексе, сооружаемом в Протвино. С этой целью произведена реконструкция помещений лабораторного корпуса высоких энерогий и созданы три новые методические лаборатории:

  • лаборатория кремниевых детекторов (зав.лаб. кандидат физ.-мат.наук Г.Л.Башинджагян);
  • лаборатория ядерной электроники (зав.лаб. проф. С.Г.Басиладзе);
  • лаборатория цифровых сетей (зав.лаб. кандидат физ.-мат.наук С.Ф.Бережнев).

Наиболее крупномасштабным и перспективным сотрудничеством, в котором участвуют все 8 лабораторий ОЭФВЭ и 2 лаборатории ОТФВЭ, являются совместные исследования на электрон-протонном коллайдере НЕRА (ДЭЗИ) с энергией 314 ГэВ в с.ц.м. с помощью экспериментал ьной установки ZEUS. Вклад НИИЯФ МГУ в создание и модернизацию этой установки заключается в разработке совместно с рядом промышленных организаций России адрон-электронного сепаратора на основе кремниевых детекторов и электроники. В совместных исследования х уже получены важные результаты по структурным функциям протона в области малых значений бьеркеновского параметра х (до 10-4), свидетельствующих о возрастании партонной плотности, измерено полное сечение фоторождения, которое находится в согла сии с логарифмическим энергетическим ростом, получены новые данные о структуре фотона и дифракционных явлениях, установлены ограничения на массы лептокварков и возбужденных электронов.

Для обеспечения этих и других международных экспериментов разработана и создана общеинститутская система электронной почты. В конце 1993 г. под руководством зав. лабораторией цифровых сетей канд. физ.-мат. наук С.Ф.Бережнева создана и введена в эксплуатац ию одна из первых в России научная высокоскоростная компьютерная сеть связи “Радио МГУ”, включающая спутниковый канал связи НИИЯФ МГУ - ДЭЗИ со скоростью передачи данных 256 Кбит/с, три радиорелейные линии с пропускной способностью 2 Мбит/с для обмена информацией с научными центрами России.

В настоящее время суммарная пропускная способность международных каналов сети PUHEP/Padio-MSU превышает 2 Мбит/с. Основной компьютерный канал сети Москва-Гамбург в 1996 г. стал комбинированным спутниково-наземным (1536 Кбит/с) после организации дополнител ьной наземной цифровой линии в 128 Кбит/с. Разделение трафика по типу протокола передачи данных придает комбинированному каналу потребительские качества наземного.

Создание этой сети, которая позволяет работать практически со всеми западными научными центрами, а также достаточно производительного компьютерного кластера на основе современных рабочих станций “Силикон Графикс”, обеспечивает эффективный анализ экспериментальных данных в совместных работах. К данной сети подключены основные факультеты и подразделения МГУ и продолжаются работы по ее развитию и совершенствованию.

ОЭФВЭ участвует в работах на установке DO на антипротон-протонном коллайдере TEVATRON в Фермиевской национальной ускорительной лаборатории США. В задачи эксперимента входят изучение свойств обнаруженного там нового t-кварка, поиск свободных кварков, В-физ ика, поиск суперсимметричных частиц . Отдел участвует в модернизации установки DO, в частности, в разработке, изготовлении и тестировании кремниевых микростриповых детекторов для центральной трековой системы.

В лаборатории адронных взаимодействий ОЭФВЭ ведется эксперимент на ускорителе AGS в Брукхэвенской национальной лаборатории США ( в сотрудничестве с рядом американских университетов) по поиску мезонов с необычными квантовыми числами. Методический вклад лаб оратории состоял в разработке и изготовлении 3000 программно-управляемых высоковольтных источников питания для фотоумножителей фотонного калориметра. В этой же лаборатории на протяжении ряда лет ведется разработка поляриметра установки “Нептун” на основе больших пропорциональных камер для совместных с ИФВЭ исследований на сооружаемом УНК.

В перспективе сотрудники ОЭФВЭ примут участие в работах на крупнейшем проектируемом коллайдере LHC в ЦЕРН’е. Для этих целей ведется разработка микростриповых газовых и кремниевых детекторов, а также другие разработки узлов установок ATLAS и СМS.

За время существования направления “Физика высоких энергий” в НИИЯФ МГУ уделялось большое внимание подготовке научных и педагогических кадров по указанной специальности. Сотрудники института на протяжении многих лет читали курсы лекций на физиче ском факультете МГУ, в других университетах нашей страны и за рубежом, подготовили и опубликовали учебные пособия, рекомендованные для многих институтов и университетов. В течение последних лет прочитан ряд спецкурсов для студентов старших курсов, наприме р, по теории динамических уравнений в квантовой теории поля, по теории перенормировок в локальной квантовой теории поля и др.

С 1982 г. на физическом факультете МГУ ведется практикум по методам символьных вычислений на компьютерах и его применению в теоретической физике. На базе измерительно-вычислительного комплекса действует практикум по физике высоких энергий для студентов фи зического факультета, который посещают около 60 человек в год, и практикум для студентов 4-го курса кафедры элементарных частиц, в котором студенты изучают основы программного обеспечения анализа экспериментальных данных в физике высоких энергий. Разработ ан проект компьютерных лекций по теме “Частицы и ядра” для эффективного обучения студентов и преподавателей физических факультетов. В лабораториях института традиционно работает большое число студентов-дипломников, стажеров и аспирантов.

С 1985 г. сотрудниками ОТФВЭ и ОЭФВЭ ежегодно проводилась школа-семинар для молодых ученых “Проблемы квантовой теории поля и физики высоких энергий”. С 1991 г. эта школа была преобразована в международное рабочее совещание. В 1996 г. в этом сове щании приняло участие около 100 участников из России и других республик бывшего СССР и более 30 иностранных ученых.

П.Ф.Ермолов, В.С.Мурзин, В.И.Саврин