Горизонты научного поиска

Осенние дни в Америке

В студенческие годы я увидела труды международного симпозиума по многочастичной динамике - International Symposium on Multiparticle Dynamics (ISMD). Авторами были такие известные физики, как Фейнман, Карузерс, Бо Андерсон и другие. Конечно, представить себе, что когда-то смогу сделать доклад на этой конференции, а тем более провести ISMD в Беларуси, было в то время сложно...

Но мне действительно очень повезло. В 2002 году ОИЯИ организовал ISMD совместно с Украиной, Алексей Норайрович Сисакян, который был оппонентом на защите моей кандидатской диссертации в Минске, пригласил на эту конференцию, где я сделала доклад о множественности в процессах электрон-позитронной аннигиляции. Владимир Алексеевич Никитин сразу же предложил мне включиться в новый проект "Термализация", нацеленный на поиск новых коллективных явлений в области большой множественности в протонных соударениях на ускорителе У-70 в Протвино.

Конечно, это было очень неожиданно. Мои мечты вернуться к физике высоких энергий после почти 20 лет работы преподавателем в техническом университете смогли осуществиться. И, конечно, работа в ОИЯИ по контракту позволяет участвовать в ISMD, который проводится ежегодно с чередованием континентов (Европа, Америка и Азия). Участники вдохновляются духом конференции и предлагают провести ее в своей стране. С каждым годом меняется тематика, которая соответствует новым результатам, полученным на крупнейших ускорителях мира. За конференциями, посвященным результатам RHIC, следуют LHC, и не только. Сообщается о будущих коллайдерах и установках.

В этом году ISMD проходил в Санта Фе, штат Нью-Мексико, США. Председателем конференции был Иван Витев, участник предыдущих симпозиумов. Им проделана колоссальная работа по организации ISMD. Фактически он взял на себя всю нагрузку по его проведению, позволив нам, участникам, понести меньшие расходы, чем ранее предполагалось.

Лекция о Манхэттенском проекте во время банкета. Крайний справа - И.Витев.

Первый симпозиум прошел в Париже в 1970 году. ISMD нацеливают как экспериментаторов, так и теоретиков на активное обсуждение результатов столкновения релятивистских ионов и поляризованных частиц, дифракцию, а также астрофизику. В течение пяти дней проходят только пленарные доклады, дополненные краткими выступлениями молодых физиков с их постерами. Страна-хозяйка ISMD старается также показать свои достопримечательности и сделать во время банкета интересный доклад (часто с приглашением нобелевского лауреата).

Санта Фе расположен в необычном месте. Рядом на вершине столовой горы находится знаменитая Лос-Аламосская лаборатория, где создавалась первая атомная бомба. О том времени с большим энтузиазмом сделала доклад Nancy Barlit: "Sketches from Los Alamos: The War Years". Она рассказала о режиме секретности, показала много фотографий, где были представлены быт (проживание в элитных домах), отдых и работа участников проекта. Сейчас некоторые из этих домов являются частными. Дом Ганса Бете стал частью музейного комплекса Лос-Аламосского исторического музея.

Интересен бронзовый памятник руководителям "Манхэттенского проекта" генералу Лесли Гровсу (Leslie R.Groves) и физику, профессору университета в Беркли и Калифорнийского технологического института, Роберту Оппенгеймеру (Robert Oppenheimer), в то время директору лаборатории в LA. Это было время борьбы с фашизмом в Европе. Генерал Гровс был привлечен к этому проекту после командования строительством здания Пентагона в Вашингтоне. Впоследствии участники проекта, далекие от секретности, стали выдающимися учеными, инженерами.

В программу ISMD обязательно входит экскурсия по осмотру достопримечательностей. Нам показали знаменитый национальный парк США - Bandelier. Здесь находятся руины нескольких зданий древних пуэбло, церемониальные сооружения и наскальные рисунки. Вполне комфортные жилища из камня на каменных площадках в скалах или в пещерах. Я не рискнула подняться на самый верх по узкой деревянной лестнице: от одного вида вниз кружилась голова. В кинолектории нам показали фильм о природе этого парка. Оказывается, зимой здесь выпадает много снега, который весной превращается в бурные реки. Здесь богатый животный и растительный мир. Я заметила, как бережно относятся американцы к своей природе. Белки, олени чувствуют себя полноправными хозяевами рядом с человеком. По дороге обратно мы смогли полюбоваться на грандиозный вид с White Rock Canyon русла реки Rio Grande.

В национальном парке Bandelier.

Теперь о научной программе симпозиума. Она состояла из следующих секций: многочастичные корреляции и флуктуации; от малых - к большим системам; пертурбативные и непертурбативные свойства КХД; структура протона, физика малых и больших х; адроны в конечном состоянии во взаимодействиях с большими поперечными импульсами; коллективность во взаимодействиях при высоких энергиях; форвардная физика и дифракция; физика космических лучей и астрофизика. Организаторы добавили оригинальную секцию "новые результаты и разное". После каждого доклада следовало не менее двух-трех вопросов.

Большинство докладов, сделанных на конференции, касались физики тяжелых ионов и были представлены от коллабораций ATLAS, CMS и ALICE. В секции корреляций и флуктуаций первым был доклад Christian Bierlich о коллективности в малых системах и пределе применимости расширенной многопартонными столкновениями программы PYTHIA для описания столкновения тяжелых ионов. Он сообщил, что сотрудничеством ATLAS наблюдаются заметные гребни (ridges) в направлении, противоположном вылету лидирующего Z-бозона, что не предсказывается ни одной моделью. Подробный анализ модификации струй, обусловленный партонной средой, сделал в своем докладе молодой участник из Чехии Filip Krizek. Он отметил, что струи в Pb+Pb столкновениях более жесткие и коллимированы по отношению к струям в p+p соударениях.

Изучая по данным STAR двухчастичные корреляции, Lanny Ray из университета Техаса показал, что изучение струй является существенным, при этом генератор HIJING описывает периферические и средней центральности взаимодействия, что согласуется с механизмом суперпозиции нуклон-нуклонных соударений, в то время как EPOS согласуется с более центральными. Достаточно обоснованное сравнение различных моделей с данными экспериментов RHIC и LHC, выполненное Malgorzata Janik, свидетельствует о нашем непонимании механизма рождения протонов и других барионов.

И, конечно, я ожидала доклад по прямым фотонам, сделанный сотрудницей STAR V.Roman из PHENIX. В отличие от наших мягких фотонов, для фотонов, измеренных на RHIC, наблюдается заметный излишек Au+Au соударений в области ниже 3 ГэВ, по сравнению с моделью Глаубера, который отсутствует в pp столкновениях. Большой выход (раннее испускание) и большая анизотропия (v2, позднее испускание) не согласуется с теоретическими моделями. Такой же повышенный выход обнаружен в центральных соударениях p+Au. Продолжается набор данных для малых систем с большей статистикой.

Выход лептонных пар также является пробником сильных взаимодействий. Эти процессы дают информацию о всех стадиях эволюции системы сталкивающихся ядер или протонов, не участвуя в сильном взаимодействии.

Chin Yang из университета Шаньдун представил текущие результаты изучения процессов Дрелла-Яна, о рождении J/ и Upsilon. Подтверждается излишек выхода этих пар в -области при BES-II анализе до 7,7 ГэВ в Au+Au. При ультрапериферических взаимодействиях фотон взаимодействует с ядром как целое, с длиной волны, превышающей его размер. Докладчик отметил появление нового направления: когерентных и -ядро взаимодействий.

В секции структуры протона и малых х сделано несколько докладов. T.Peitzman из университета Утрехта постарался дать исчерпывающую картину структурных функций протона и ядер при малых х, эволюционных уравнений DGLAP и BFKL, которые приводят к росту плотности глюонов с Q₂ и 1/х, что означает проблемы с унитарностью. При такой плотности возможно проявление нелинейных процессов, но пока этому нет убедительных доказательств. Данные DIS по ядерным PDF очень скудны. Необходимо пересмотреть предположения по nPDF. Новые данные по открытому чарму, реальным фотонам, лептонным парам приблизят к пониманию нелинейности этих процессов.

Детальный доклад по TMDs функциям сделал Marc Schelgel из университета Нью-Мексико. Эти функции позволяют изучать трехмерную импульсную структуру нуклона. Поперечная односпиновая асимметрия связана с Sivers эффектом (T-odd TMDs) и изучается в SIDIS&DY в коллаборациях COMPASS, JLab. В будущем эти исследования планируют выполнить на EIC (электронно-ионный коллайдер). Линейная поляризация глюонов c T-even TMD изучается в столкновениях протонов на LHC. Расчеты основаны на факторизации TMD, которую следует проверить. Новые аспекты о трехмерной глюонной структуре обещают дать глюонные TMDs в связи со строительством EIC. Физики RHIC'a обещают достигнуть области малых х порядка 0,05 при 200 ГэВ, чтобы улучшить знания о глюонной функции g(x). Интересным был доклад Ming X.Liu из LANL о будущей установке sPHENIX, где будут обновлены основные элементы. На этой установке продолжат изучать образование идеальной кварк-глюонной жидкости. Планируется измерение адронных струй, фотонов, частиц со скрытым и открытым тяжелым ароматом, а также изучение холодной КХД (структурные функции TMDs, nPDF и другое). Набор данных на этой установке ожидается с 2023 года.

О решении проблемы с энергетическими струями, претерпевающими изменения в среде, и свойствах этой среды был доклад J.Brewer из Массачусетского технологического института. Одним из методов решения является сравнение их со струями в протонных соударениях. Автором обнаружена миграция струй из ядер к низким энергиям. Им предложен уникальный алгоритм, который позволяет привести измеренный результат к реальному.

О программе физики тяжелых ионов на установке LHCb рассказал Matt Durham из Лос Аламоса. Эта программа предполагает изучение СКМ механизма и СР нарушения (первое наблюдение СР нарушения в чармованном секторе), поиск редких распадов, наблюдение экзотических состояний, а также проведение эксперимента на фиксированных мишенях. Полностью выполнена реконструкция мезонов с открытым чармом при 5 ТэВ, что позволяет ограничить nPDF, структурную функцию глюона. Здесь же упоминается об обнаруженном в космике повышенном отношении антипротонов к протонам, что может указывать на новую физику.

Несколько докладов были посвящены вычислениям на решетках в QCD. Кстати, в них на фазовой qg диаграмме показана область NICA. Также для меня стало неожиданностью знакомство с представителем коллаборации Mex-NICA из Мексики, который слабо представляет себе возможности ОИЯИ, в частности не слышал даже о нашем суперкомпьютере. R. Bellwied из университета Хьюстона, основываясь на решеточных расчетах, предположил в докладе, что на LHC при достаточно большом образовании странных кварков возможен повышенный выход странных частиц (ALICE) и это могло бы привести к кластеризации странности с образованием экзотических состояний или к образованию в состоянии Хагедорна странных частиц с большой массой.

В секции по дифракции было несколько докладов. Руководитель этой секции бывший сотрудник ОИЯИ Р.Пасечник на протяжении всей конференции активно дискутировал со многими участниками. Он отметил нарушение факторизации в адрон-адронных взаимодействиях, поскольку исходные частицы не являются элементарными. КХД факторизация нарушается в жесткой адронной дифракции. В дифракционной DIS (глубоко неупругое рассеяние) доминируют мягкие флуктуации. Его вывод: в дифракционном NN рассеянии реализуется смесь полужесткого с полумягким вкладами.

Ответить на вопрос, чем же на самом деле является экзотический чармоний Х (3872), образующийся в ядерных столкновениях, - мезонной молекулой или тетракварком, - пытался F.Navarro из университета Сан Пауло. Изучение таких мультикварковых состояний началось активно с 2003 г. Если объект Х (3872) - молекула, то ее размер сравним с 10 фм, при тетракварковой структуре - это компактный объект, не превышающий 1 фм. Теоретическая оценка рождения Х (3872) в pp соударениях с последующей фрагментацией в пару D и D* недооценивает экспериментальное значение в 100 раз. В случае тетракварковой структуры оценка двойного партонного рассеяния в модели цветового испарения переоценивает выход Х (3872). Автор приходит к выводу о смешанной природе этого состояния. В ультра-периферических pp соударениях предпочтительно образование тетракваркового состояния. Если образование Х (3872) будет происходить в центральных ядерных взаимодействиях через механизм коалесценции, тогда это состояние будет ничем иным, как молекулой.

Доклад маститого ученого из университета Вашингтона T.Trainer хорошо проиллюстрировал молодым участникам, что не следует слепо верить единственному подходу или модели, а всегда подходить критически и сомневаться во всем. Иногда новый взгляд на явление помогает глубже его понять. В качестве примера он привел использование гидродинамической модели для описания потока (flow). Он предложил ответить на следующие вопросы: образуется ли идеальная жидкость в АА соударениях? Справедлива ли модель Глаубера при описании х-А столкновений? Свидетельствует ли спектр по поперечному импульсу о радиальном течении? Связаны ли реальные соударения с гидродинамическими моделями? Имеются ли альтернативные модели, которые лучше описывают системы двух сталкивающихся ядер? Он показал, что практически все имеющиеся теоретические подходы для ответа на эти вопросы значительно расходятся с экспериментальными данными и что наблюдаемые "сигналы" образования КГП являются обманчивыми. Предложенная им модель, представляющая суперпозицию мягкой и жесткой компонент, основанная на каплях (droplet), в которых образуется КГП, способна устранить эти противоречия.

Среди пленарных докладов по астрофизике можно выделить два. Это доклады от коллабораций IceCube и DUNE. Как известно, IceCube является самым большим детектором нейтрино, первым объявившим о регистрации нейтрино высокой энергии, пришедшего не из солнечной системы. Данные, собранные с этого детектора, пересылаются через спутниковую связь в хранилище, расположенное в Мэдисоне. Глубина погружения достигает 2450 м. Результаты измерения тесно связаны со многими разделами физики элементарных частиц и другими направлениями (фундаментальные симметрии, астрофизика, вне Стандартной модели (суперсимметрия, аксионы, странжлеты, монополь), науки о Земле (ледники, томография Земли, атмосфера), темная материя, физика нейтрино (рождение тяжелых кварков, осцилляции нейтрино, стерильные нейтрино, распад нейтрино).

В докладе прозвучало сообщение о первом наблюдении кандидатов на каскад тау-нейтрино, о 102 событиях в полном объеме, из которых 60 превышают энергию 60 ТэВ. Естественно, возникает вопрос о происхождении таких нейтрино. Предполагается, что роль ускорителя играют черные дыры/нейтронные звезды, создающие сильное гравитационное поле, а также радиация и пыль. Ускоренные до высоких энергий пионы распадаются на такие нейтрино. На спутнике, регистрирующем гамма-лучи, одновременно замечена вспышка на блазаре. Был идентифицирован источник петаэлектронвольтных космических лучей, измерено нейтринное поперечное сечение при ТэВ.

Об эксперименте DUNE (осуществляемом при активном участии ОИЯИ) рассказал D.Pershey. Он нацелен на регистрацию нейтрино в широкой энергетической области с большой статистикой, а также на поиск носителей темной материи, стерильных нейтрино, нейтринные трезубцы (tridents) и другие вопросы. При коллапсе звезд высвобождаемая энергия состоит на 99% из нейтрино. Взрыв с излучением нейтрино длится несколько секунд и случается в нашей галактике 1-3 раза в столетие. Одно такое событие могло бы прояснить механизм коллапса ядра, скорость нейтронизации, диффузию нейтрино, образование черных дыр, ядерную плотность нейтронной звезды, а также, для физики элементарных частиц, - магнитный момент нейтрино, абсолютную массу нейтрино, осцилляции и вопрос о стерильных нейтрино. Большое внимание в этом эксперименте будет уделено изучению солнечных нейтрино с энергией ниже 19 МэВ. Имеется возможность проверки различия в результатах осцилляций нейтрино, полученных при регистрации солнечных и реакторных нейтрино с точностью до 5 . Также этот эксперимент нацелен на поиск распада протона, предсказываемый теориями великого объединения.

Очень ярким и эмоциональным был доклад координатора будущего коллайдера EIC из БНЛ Elke Aschenauer по программе дифракции. Планируется, что этот ускоритель будет иметь высокую светимость (10³³-10³⁴ см^-2с^-1), ускорять поляризованные электронный и протон-ионный пучки с энергией от 20 до 140 ГэВ в системе центра масс. Он крайне востребован для понимания структуры нуклона и природы глюона. Готовится расширенная программа по физике тяжелых ионов и физике высоких энергий, в двадцать раз возрастет доступный интервал по x и Q₂. Также разрабатывается аналогичный проект JLEIC (J-Lab). На будущей установке планируется измерить распределения морских кварков и глюонов в координатном и импульсном пространстве внутри нуклона, выяснить, какие свойства нуклона отвечают за их образование и взаимодействие, и происходит ли насыщение плотности глюонов в ядерной среде.

Электронные пучки как идеальный пробник обеспечат высокую точность электромагнитного взаимодействия, будет получено прямое, модельно независимое определение партонной кинематики физических процессов при рассеянии лептона. Интересно, как будет выглядеть протон с увеличением энергии? Одним из таких сценариев является образование пионного облака. Также интересно изучить структуру нейтрона. В 1950-1960 гг. выполнено измерение распределения заряда в ядре, в настоящее время проводится измерение нейтрона, EIC позволит получить пространственное распределение глюонов в ядре и ответить на вопрос об их насыщении или ненасыщении. Для регистрации лептонов будут использованы TPC+GEM+MAPS. Будет обеспечена беспрецедентная точность измерения данных для ограничения партонной структуры нуклонов и ядер. Для этого создано сотрудничество из более 850 членов из 18 институтов и 30 стран, и оно непрерывно растет, регулярно проводятся EIC конференции.

Elke Aschenauer заинтересовалась созданием электромагнитных калориметров на базе новых технологий стекол, упомянутых в моем докладе, которая имеет большие преимущества. Изложенная ею физическая программа по поляризационной физике перекликается с программой наших физиков, планирующих экспериментальные исследования на установке SPD. Элке готова активно поддерживать сотрудничество между ОИЯИ и группой пользователей EIC. Ознакомиться с предложениями этой группы можно на сайте http://www.eicug.org.

Среди участников ISMD в Санта Фе (81 человек) преобладали американцы (54). Было сделано 54 доклада (20+5 мин). Почти все ведущие лаборатории и университеты США представили свои доклады. Европа была в малочисленном составе: Германия (4), Польша (3), Швейцария (2), Дания (2), Россия (2), Франция, Венгрия, Италия, Чехия, Швеция и Нидерланды по одному участнику. Та же ситуация с Японией, Израилем и Китаем. Оказалось, что четверым участникам из Китая не дали визы. Для россиян ситуация с визами не обсуждалась, просто они не заявили о своем участии. Хотя о визовых проблемах все были наслышаны. Мне дали визу в Минске. Я давно сделала вывод, что решать визовые проблемы надо заранее.

В Совете старейшин (Board of Elders), членом которого я являюсь, принято решение о проведении ISMD 26-31 июля 2020 года в Шотландии, в маленьком (в традициях ISMD) туристическом городке викторианской эпохи Питлохри (Pitlochry) на берегу реки Таммел. Председателем симпозиума будет Andy Buckley из университета Глазго. Местом проведения выбран дворцовый отель Atholl. Планируется хорошая ознакомительная программа. Надеюсь, что сотрудники ОИЯИ примут участие в этом симпозиуме.

Наряду с ISMD мне представилась уникальная возможность провести семинар в университете Принстона для экспериментальной группы по физике высоких энергий, руководит которой Christian Tuly. Он знаком со многими нашими физиками из CMS, кстати, около 20 лет тому назад он делал доклад на Гомельской школе по приглашению Н.М.Шумейко. Меня впечатлила аудитория, особенно молодые аспиранты, которые все 60 минут внимательно следили за моими мыслями. Вопросы были по ходу, чувствовался интерес к излагаемой теме.

Семинар в университете Принстона для аспирантов экспериментальной группы HEP.

В этом университете все подчинено научным исследованиям. Студенты и аспиранты под руководством известных ученых (они же и их преподаватели) включаются в исследования сложных явлений. Я посетила семинар молодого физика из Математического института имени Стеклова М.Храмцова. Его выступление было посвящено модели, связанной с гравитацией. В течение часа он уверенно излагал свои результаты мелом на огромной передвижной доске, отвечая на вопросы Клебанова, Мальдасены и Китаева, создателя этой модели.

На семинаре А.Капуто, молодого физика из университета Валенсии, был сделан анализ поиска распада аксиона, как кандидата на частицу темной материи, по регистрации радиосигналов от двойных галактик, кластеров и Галактического центра, а также по измерению с высокой точностью временных осцилляций угла поляризации пульсаров.

Впечатляет оригинальная архитектура университета. Здесь есть свой музей искусств, кругом много зелени (плющ, как принадлежность к лиге плюща), а самое главное - студенты университета впечатляют. На самом нижнем уровне здания, в котором находится физический факультет (носит имя Jadwin), располагаются комнаты теоретиков. В холле представлены образцы детекторов, созданных в разное время, и постеры, посвященные этапам развития физики атомного ядра, астрофизики и физики высоких энергий. Несколько постеров иллюстрируют вклад известных женщин-физиков, в том числе нобелевских лауреатов: Марии Кюри, мадам Чу, Веры Рубин и других. Уверена, что развитие более тесных научных и педагогических контактов с этим университетом будет взаимно выгодно обоим институтам.

В этом же штате находится музей Томаса Эдисона с его опытными производствами. Этот неутомимый изобретатель и предприниматель сделал в своей жизни многое, достаточно сказать, что его детище General Electric в настоящее время является одной из крупнейших фирм мира. Ему принадлежат авторство нескольких тысяч патентов, создание фонографа, усовершенствование телеграфа и многое другое.

В музее Томаса Эдисона. Опытное производство, где работало более тысячи человек.

Для меня это была отличная практика не только в научном плане, но и проверке моего уровня английского, который мне удалось улучшить благодаря возможностям ОИЯИ.

Елена КОКОУЛИНА, начальник сектора ЛФВЭ,
фото автора