SPIN-2012: впечатления, мнения, комментарии

Продолжение. Начало в N41.

О российских единомышленниках и коллегах

Хотя Протвино не так далеко от Дубны, многие сотрудники ОИЯИ долго и успешно сотрудничают с ИФВЭ, и, конечно же, в целом отслеживают успехи коллег, всегда интересно из первых уст узнать подробности. По просьбе корреспондента Василий Мочалов (ИФВЭ, Протвино) подробно рассказал, что делается и планируется на ускорителе У-70 в области спиновой физики:

- Спин - фундаментальная характеристика частиц, такая же, как масса или заряд. Исследование поляризации и асимметрии - это способы изучения спина. Поляризация показывает, как выстроен спин в частице, например в поляризованной мишени спин большинства частиц выстроен по направлению магнитного поля. Асимметрия может появиться, когда при рассеянии на поляризованной мишени частиц одного типа в одну сторону летит больше, чем в другую. Например, в нашем эксперименте с поляризованной мишенью влево относительно направления спина летит частиц почти в полтора раза больше, чем вправо. Пучок называется поляризованным, когда частицы имеют какое-то выделенное направление спина. Для получения поляризованного пучка первичные неполяризованные протоны направляют на мишень, в которой рождаются вторичные частицы, в том числе и лямбда-гипероны. Гипероны распадаются, рождаются протоны с выделенным направлением спина. При этом поляризацию протона можно точно определить, зная его координату.

В ИФВЭ развивается программа поляризационных исследований на установке СПАСЧАРМ под руководством профессора А.Н.Васильева. Программа состоит из трех частей. Первые две части - исследования односпиновых эффектов, то есть когда поляризовано что-то одно - или пучок, или мишень. Мишень, кстати, у нас дубненская, и вообще вся протвинская экспериментальная поляризационная физика "выросла" из Дубны. Основатель этой физики и нашей группы профессор С.Б.Нурушев еще в 1954 году под руководством М.Г.Мещерякова создал впервые в мире поляризованный пучок протонов в Дубне. Когда создавали новый Институт физики высоких энергий, С.Б.Нурушев переехал в Протвино, где и работает наша лаборатория, которую он возглавлял долгое время. Поляризационные исследования в ИФВЭ начались в 1968 году, практически сразу после запуска ускорителя У-70 ИФВЭ. В 1978-м в Дубне специально для ИФВЭ была изготовлена поляризованная протонная мишень, принципы которой были разработаны Б.С.Негановым. В Протвино на установке ПРОЗА был проведен цикл по исследованию односпиновых асимметрий в рождении нейтральных мезонов (пи-0, эта-мезоны), в котором активное участие принимали физики из Дубны: сначала это была группа Ю.М.Казаринова, в настоящее время - сектор Ю.А.Усова. Параллельно на другой установке, ФОДС, проводились исследования односпиновой асимметрии заряженных частиц и античастиц (пионы, каоны, протоны). В мире практически нигде не проводились измерения, где одновременно изучались поляризационные эффекты в рождении нейтральных и заряженных частиц. Наша новая установка СПАСЧАРМ позволит это делать. Сначала будут проводиться измерения с поляризованной мишенью в области фрагментации неполяризованного пучка. Это достаточно интересно, так как наши предыдущие измерения показали, что даже в этой области можно ожидать значительные эффекты.

Вторая часть программы связана с созданием поляризованного пучка для эксперимента СПАСЧАРМ. Чем лучше поляризованный пучок? Во-первых, поляризация предлагаемого пучка 40 процентов, тогда как в мишени доля поляризованных частиц составляет 10 процентов. Это означает: чтобы достичь одинаковой статистической точности при исследованиях с поляризованным пучком, нужно набрать в 16 раз меньше статистики, чем при работе с мишенью. Во-вторых, в области фрагментации поляризованного пучка заведомо ожидаются значительные эффекты в большинстве реакций. Таким образом, поляризованный пучок дает много преимуществ. Особенностью предлагаемых исследований является возможность изучить поляризационные исследования почти для всех легких частиц с различными пучками, а не для ограниченного класса реакций. К тому же будут одновременно изучаться различные эффекты - односпиновые асимметрии, поляризации, матричные спиновые элементы, параметры передачи спина.

Но есть еще одна интересная задача. Дело в том, что появилась реальная возможность сделать поляризованный пучок антипротонов. Исследований с антипротонным пучком практически не проводилось. Единственный случай, когда исследовались поляризационные эффекты с использованием антипротонного пучка при высоких энергиях, был в эксперименте Е-704 (Фермилаб).

Третье направление программы исследований - изучение двухспиновых эффектов, когда поляризованы одновременно и пучок, и мишень. Это дает возможность изучать различные эффекты, в том числе получать информацию о вкладе глюонов в спин протона при рождении чармония. Это очень трудная, но и очень интересная задача.

Наша группа раньше занималась исследованием поляризационных эффектов в рождении нейтральных частиц. Эта программа была выполнена в 2007 году. Кстати, результаты были впервые доложены в Дубне три года назад. После завершения исследований на установке ПРОЗА мы начали создавать новую установку СПАСЧАРМ, которая позволяет одновременно регистрировать как заряженные, так и нейтральные частицы в различных областях. Особенностью установки является возможность детектировать частицы в полном азимутальном угле, что позволяет значительно уменьшить систематические ошибки. Через год в начальной версии мы начнем тестировать установку, а начиная с 2014 года планируется проведение полноценных исследований с поляризованной мишенью. Параллельно за три года должен быть создан поляризованный пучок, и в 2016 году установка переедет на новое место. С 2017 года мы собираемся работать с поляризованным пучком.

Мое личное мнение, что о спине нуклона мы знаем очень мало. Когда в 80-х годах были опубликованы первые протвинские данные по асимметрии в эксклюзивных реакциях, объяснить их никто не смог. После этого появились утверждения, что уж в инклюзивных реакциях, тем более при высоких энергиях, асимметрия исчезнет. Все оказалось не так. И первые данные из ИФВЭ и BNL, представленные в 1988 году, выявили большие эффекты, которые сначала были обнаружены в классическом эксперименте Е704, а потом на коллайдере в Брукхейвене. Параллельно с данными по односпиновой асимметрии начиная с 1987 года были получены данные о том, что кварки переносят только одну треть спина. Что составляет остальную часть спина нуклона - неизвестно до сих пор.

Наши исследования в эксперименте СПАСЧАРМ больше направлены не на изучение спиновой структуры нуклона, а на исследование динамики взаимодействия. Одна из проблем для понимания - ограниченный класс реакций, для которых проведены поляризационные исследования в настоящее время. Сейчас в таблице свойств частиц есть их масса, заряд, моды распада, мы бы хотели создать таблицу поляризационных свойств частиц (асимметрий и/или поляризаций в зависимости от объекта исследований). Вторая трудность - к сожалению, теоретические расчеты в нашей области энергий очень сложны и практически нет никаких теоретических предсказаний. В нашей группе Виктор Абрамов развивает модель, в которой он пытается объяснить механизм возникновения поляризационных эффектов для большого числа реакций.

Есть одна знаменитая фраза Бьёркена "Поляризационные данные часто становились кладбищем модных теорий. Если теоретики идут своей дорогой, они должны были бы просто запретить такие исследования для того, чтобы защитить себя". Эта фраза подчеркивает важность поляризационных исследований для проверки того, насколько правильно мы понимаем природу взаимодействия частиц.

О физическом спиновом сообществе

Нет ничего удивительного в том, что спиновая физика результативна в центрах, обладающих соответствующими базовыми установками. Однако интерес к этой отрасли знаний среди физиков велик, поэтому ученым из стран, не имеющих таких ускорительных комплексов, приходится участвовать в экспериментах коллег из других стран. Олег Денисов (INFN, Турин) рассказал о том, что в Италии, где он работает много лет, есть четыре национальные лаборатории с небольшими ускорителями, но они не подходят для исследования спиновой структуры, поэтому эксперименты по спиновой физике для итальянских ученых - всегда выездные работы.

- INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) - это итальянская общенациональная структура, которая имеет четыре национальные лаборатории, секции во всех крупных университетах. Фактически INFN не только исследовательский институт, но и финансовое агентство, которое финансирует всю итальянскую фундаментальную науку в области ядерной физики и физики элементарных частиц, включая спиновую физику. Исторически в INFN эта линия исследований пользуется значительной поддержкой, итальянские физики участвуют в экспериментах ЦЕРН, Германии (DESY), в Соединенных Штатах, и это участие планируется поддерживать в перспективе.

Что касается туринской группы, в которой я работаю, то сейчас мы получили возможность продолжить эксперимент COMPASS. Как известно, программа COMPASS-II одобрена церновским комитетом, и следующие пять лет коллаборация будет занята изучением трехмерной структуры нуклонов, используя новые методы в спиновой физике - эксклюзивные процессы мюон-протонного рассеяния и процессы кварк-антикварковой аннигиляции с образованием лептонной пары (так называемые процессы Дрелла-Яна). В коллаборации COMPASS стабильно работает около 200 физиков. Этого достаточно, чтобы, с одной стороны, иметь средства и конструировать сложное и дорогостоящее оборудование, а с другой - это компактная и гибкая коллаборация, позволяющая рядовым физикам обозревать весь эксперимент в целом и предлагать новые направления исследований.

Говоря о спиновой физике в мире, в настоящий момент - во-первых, это, конечно, ЦЕРН, эксперименты на LHC и COMPASS на выведенных пучках SPS. И три научных центра в Соединенных Штатах Америки - BNL на Лонг-Айленде, Jefferson Lab в Вирджинии и Fermilab в Чикаго.

В скором будущем исследования по спиновой физике, мы надеемся, можно будет делать на FAIR (GSI, Дармштадт), но не на первом ее этапе, потому что там будут слишком низкие энергии, а после того, как будет сделано встречное кольцо. И, конечно же, на новом ускорительном комплексе NICA в Дубне. Спиновая программа в этих двух центрах, вероятно, будет сконцентрирована на исследовании Дрелл-Яновских процессов, что дает доступ к изучению структуры адрона, чем мы занимаемся и будем заниматься на COMPASS. И вообще, что касается Дрелл-Яновских процессов - в течение последних лет в физике элементарных частиц не проводилось экспериментов по их изучению. Сейчас ученые поняли, что именно в этом направлении могут быть интересные возможности. В итоге физика поляризованных Дрелл-Яновских процессов - одна из основных задач и COMPASS-II, и экспериментов на RHIC, и, конечно, ОИЯИ (комплекс NICA). Думаю, что в течение следующих 4-5 лет мы вправе ожидать очень интересных результатов в данной области физики, для этого есть все (или почти все) ресурсы и знания. И я очень надеюсь, что сотрудничество Дубны и Турина внесет в это свой достойный вклад.

Галина МЯЛКОВСКАЯ,
фото Елены ПУЗЫНИНОЙ

(Окончание следует)