Конференции

SPIN-2012: впечатления, мнения, комментарии

(Окончание. Начало в №№ 41, 42.)

О ближайших экспериментах

Проект модернизации ускорителя в Jlab и соответствующая научная программа, по мнению многих участников симпозиума SPIN-2012, - лидеры в числе предстоящих экспериментов по спиновой физике. Именно здесь, на модернизированной установке, предстоит в ближайшие годы продолжить исследования в этой области. Подробнее об этом рассказал Алексей Прокудин (Jlab, Вирджиния, США).

- На этом симпозиуме у меня было два доклада. Я представил планы нашей лаборатории. Через два года мы завершаем обновление установки: увеличиваем энергию ускорителя в два раза, делаем дополнительный экспериментальный зал, переоснастим три уже существующих зала, где проводятся эксперименты по ядерной физике, в том числе по спиновой. Сейчас у нас завершено где-то 50 процентов работ по новому ускорителю, в 2013 году мы планируем пустить в экспериментальные залы первый пучок, а в 2015 году будут проводиться новые эксперименты и начнется 10-летняя научная программа.

Jlab - один из самых больших экспериментальных центров США, тесно связан с научными центрами в Европе, такими как ЦЕРН, DESY. На SPS ЦЕРН есть эксперимент COMPASS, он работает примерно в той же самой области, но там используют мюонный пучок, а мы - электронный. В будущем надеемся использовать экспериментальные данные Jlab и других лабораторий, чтобы получить более общее представление о структуре протонов, чему и был посвящен мой второй, теоретический, доклад. Я рассказывал о том, что мы хотим сделать в ядерной физике в ближайшие 10-20 лет...

Как только мы дополняем наши эксперименты новым параметром "спин", мы можем изучить новые свойства. Например, мы поляризуем протон. Известно, что при этом все кварковые распределения каким-то образом меняются, например становятся несимметричными, смещаются вправо или влево, вносят вклад в спин протона. Уже 30 лет известно, что кварки не объясняют полностью спин протона, поэтому нужно изучать и глюоны (внутри протона кварки связаны глюонами), то есть каков вклад глюонов в спин протона, как они дополняют нашу картину понимания структуры протона. Сейчас мы имеем достаточно теоретической и экспериментальной информации, чтобы оценить этот вклад. При этом большой вклад в спин протона дает именно движение кварков. Но последнее слово за экспериментальными данными, которые мы получим в ближайшие 10 лет, когда заработает наша установка.

Мы работаем на промежуточных энергиях, до 12 ГэВ. Это означает, что мы исследуем так называемые валентные кварки, то есть не доходим до области, где глюоны доминируют в протонах, как на LHC. Но, естественно, думаем о будущем, проект электронно-ионного коллайдера подразумевает повышение энергии до 100 ГэВ и больше. Потом увеличим до 250 ГэВ, и тогда сможем изучать весь спектр - от области, где доминируют валентные кварки, до области, где есть морские и доминируют глюоны. В глюонной области у нас теоретически уже давным-давно предсказано явление насыщения глюонного распределения. То есть в некоторых условиях глюонное распределение очень сильно растет, но в определенный момент должно прекратить рост. Это было давно предсказано, но экспериментально не было подтверждено. На электронно-ионном коллайдере это явление будет исследоваться. Та же задача предусмотрена в будущем проекте LHeC, когда добавится электронная часть к Большому адронному коллайдеру, но эта установка для очень больших энергий, потому что пучок протонов на LHC доходит до 7 ТэВ.

Научная программа для электрон-ионного коллайдера разделена на три категории. Одна из них - спиновая физика, поскольку мы планируем изучать распределения кварков в зависимости от положения и движения, так называемые трехмерные распределения. Второе - распределение кварков и глюонов в ядрах. Мы знаем уже: когда протоны соединены в ядра, кварковые или глюонные распределения каким-то образом меняются. Известно много эффектов влияния того, что протон находится уже в ядрах, но детали, к сожалению, неизвестны. Еще одна очень интересная задача - в теории, которая описывает адрон (квантовая хромодинамика), основными ингредиентами являются кварки и глюоны, но они не наблюдаются в экспериментальных установках, это называется конфаймент. В установках наблюдаются адроны, которые содержат эти кварки и глюоны. И до сих пор объяснение этому факту не найдено. На электрон-ионном коллайдере мы будем изучать, каким образом кварки и глюоны рождают адроны; мы будем это делать в столкновениях электронов с протонами и в столкновениях электронов с ядрами.

Очень много людей, которые работают в Jlab, - из России или бывшего Советского Союза, и с теоретиками ОИЯИ мы сотрудничаем и общаемся. Я лично сотрудничаю с А.В.Ефремовым, О.В.Теряевым. Сотрудничество теоретиков в этом смысле не знает границ, все работают вместе, в то время как экспериментаторы привязаны к большим коллаборациям. Я разговаривал с директором ЛФВЭ В.Д.Кекелидзе, который надеется, что с Jlab будет более тесное сотрудничество, нежели то, что мы имеем на сегодняшний день. Я знаю, что в Дубне есть большая группа по эксперименту COMPASS. На SPIN-2012 был доклад из Дубны, посвященный созданию установки для исследования глубоко неупругого комптоновского рассеяния. А чем этот процесс интересен - функция, которая используется для его описания, называется обобщенным партонным распределением. Оно теоретически были открыто 15 лет назад Анатолием Радюшкиным, сотрудником ЛТФ, который сейчас работает в Jlab и с которым у меня очень тесные дружеские отношения.

Об итогах симпозиума

Сравнить уровень проведения дубненского симпозиума с предыдущими, рассказать о научной программе, подвести своеобразный итог форума редакция еженедельника попросила почетного директора ЛФВЭ Игоря Алексеевича Савина, создателя грандиозных экспериментальных установок, одного из руководителей эксперимента COMPASS.

- Конференция имеет определенные традиции, заложенные на протяжении всех этих лет, они очень демократичные: программа должна быть актуальной, охватывать все аспекты спиновой физики, начиная с теории и кончая конструкциями важных элементов для проведения экспериментов, а также возможные применения спиновых эффектов в обыкновенной жизни, в частности в медицине. Поэтому оргкомитет работал в рамках таких завещаний от предыдущих организаторов и международного оргкомитета.

Конференция, по-моему, - и не только по-моему, я спрашивал у многих участников, - была очень хорошо организована, это их отзывы. И говорили, что во многих случаях здесь было даже лучше. Никаких нареканий или критических замечаний к нам не поступило.

Что касается содержания научной программы, мне кажется, программа была очень хорошая. Докладчики, которые были выбраны не только для пленарных заседаний, а и для параллельных секций, сделали прекрасные сообщения. Они поработали хорошо, все выступили на высоком уровне не только по технике, но в основном по содержанию, которое составляет последнее слово в этом направлении физики. Также были доклады, которые посвящены программе будущих исследований в этой области. Лучше всего были сделаны доклады по программе будущего Jlab (США) и J-park (Япония). Представитель J-park Н. Саито, во-первых, оценил роль спиновой физики вообще в физической науке, ее возможность применения в жизни и очень четко представил от имени дирекции научную программу - она прошла определенный уровень подготовки, а это значит, что есть конкретные проекты и эксперименты, они еще не одобрены, но существуют, подготовлены на высоком уровне, к ним имеются описания. И он от имени дирекции их представлял. Примерно на таком же уровне находится и предложение от Jlab, там некоторое время назад была предпринята реорганизация ускорителя, направленная на повышение энергии и светимости. Этот проект модернизации ускорителя уже реализуется, планы его запуска - 2014 год. Все на уровне пропозалов, все хорошо организовано и, по-видимому, в этой области спиновой физики Jlab претендует на ключевые позиции. На третье место я бы поставил Брукхейвен с его крупнейшим ядерным коллайдером RHIC, на котором также ускоряются поляризованные протоны. И здесь, кажется, акцент сдвигается. До сих пор основная программа посвящалась поиску нового состояния вещества, так называемой кварк-глюонной плазмы. Но многие усилия и многие результаты показали, что надежд на обнаружение такой плазмы пока нет. То есть исследования будут продолжаться, но они хотят, кроме негативных результатов, иметь позитивные, которые прибавляет спиновая физика. Они будут больше времени уделять ускорению поляризованных протонов и, естественно, больше времени будет для физиков. Возможности у них есть и они дополняют те возможности, которые есть у Jlab и у эксперимента в ЦЕРН COMPASS-II, который мы будем осуществлять начиная с этого года. Сейчас уже идет сеанс, он будет продолжаться до 3 декабря, где тоже будут запущены необходимые элементы для продолжения исследований до 2016 года. COMPASS-II будет решать проблемы, тоже очень близко пересекающиеся, в некотором смысле конкурирующие, а в большом смысле дополняющие результаты Jlab и RHIC. COMPASS-II находится посередине, со стороны низких энергий Jlab, высоких - RHIC, но не только по энергии, а еще и по реакциям так называемого глубоконеупругого рассеяния, которые ни та ни другая лаборатории не могут осуществить. Области энергии всех трех ускорителей пересекаются, поэтому результаты должны состыковываться и дополнять друг друга. А эта тенденция в последнее время утвердилась во всем мире - эксперименты должны конкурировать друг с другом по науке, но по результатам дополнять друг друга. И это был как бы лозунг для продолжения такой политики, потому что она показала себя очень плодотворной.

Среди докладов больше всего результатов было представлено от COMPASS, программа которого посвящена исследованию структуры протонов, ядра, самого легкого атома, и если мы не понимаем его структуру как следует, то и не гарантируем, что все, что мы знаем о ядрах, молекулах, о жизни - правильно. Это есть фундаментальные знания. А в этом смысле природа нам преподнесла несколько загадок, которые мы еще не решили. Одна из них - так называемый спин протона, или, в общем случае, спин нуклона - протона и нейтрона. Это физическая величина, которая имеет макроскопическое значение - 1/2 постоянной Планка. Она много лет тому назад определена, но физики сейчас построили теорию, согласно которой протон не является элементарной частицей, а состоит из кварков. Кварки на сегодняшний день являются главными претендентами на элементарность. Протон стоит из трех кварков, каждый из них тоже имеет спин половинку - из трех половин, которые направлены в разные стороны, можно сделать 1/2. Такова была наивная идея. В физике главный критерий истины - это эксперимент. Эксперименты были поставлены. Первый сюрприз мы получили достаточно давно, в ЦЕРН, где было четко измерено и показано, что эту половинку из кварков получить нельзя. Отсюда появилось название "спиновый кризис". Кроме кварков, в структуру протона входят глюоны (от английского слова "клей"), которыми кварки обмениваются и тем самым достигается стабильность протона. Была идея, что глюоны могли бы участвовать в решении этой загадки. COMPASS определил, что глюоны тоже дают маленький вклад, и этот результат подтвердили, в частности, на RHIC, а кризис продолжается.

Есть идеи, как это объяснить, но чтобы это сделать, надо поставить целую серию очень сложных экспериментов, основу которых предложил один из наших теоретиков Анатолий Радюшкин. Он предложил концепцию обобщенных распределений кварков и глюонов. Подготовка этих экспериментов и их начало планируется как на COMPASS, так и в Jlab. Это все требует многолетней работы, например установка наша работает в течение пяти лет и каждый год 6-7 месяцев - это непрерывная работа с пучком. Исторически сначала в эксперименте изучалась одна характеристика этого нуклона. Выяснилось, что этот одномерный подход не дает нам возможности как-то обобщить все, что мы знаем. Нужно было перейти к двумерному. Например, с точки зрения этого представления и наивной кварк-партонной модели, кварки внутри не движутся. Это смешно, конечно, но поначалу так предполагалось. По мере накопления данных и попыток все объяснить, надо было прийти к тому, что они движутся не только в одном направлении, но и в другом. Отсюда возникли всякие идеи, что эти кварки имеют две составляющие. То есть нужно перейти, и это как раз основное содержание экспериментов, к двухмерному (2 D) представлению (а в последующем и к 3 D), что они имеют не только продольное, но и поперечное движение и соответствующие компоненты. В терминологии это называется эффектами поперечных составляющих спина и импульсов кварков внутри протона. COMPASS проделал наиболее полное измерение характеристик этих 2 D движений кварков. С точки зрения математического аппарата продольные и поперечные движения кварков внутри протона описываются так называемыми структурными функциями (СФ). Если в одномерном варианте было две структурные функции, то в двухмерном добавляются еще восемь и для того, чтобы их изучить, надо рассмотреть все возможные комбинации реакций с поляризацией пучка и мишени и пр., которые характеризуются 14 модуляциями СФ. Они все были исследованы в COMPASS и результаты впервые доложены на этом симпозиуме.

Естественно, были и другие интересные доклады и предложения, отмеченные моими коллегами. По общему мнению, которое выразил, подводя итоги, Ф.Брадаманте, конференция прошла успешно, и от имени Международного оргкомитета мы получили благодарность.

Галина МЯЛКОВСКАЯ,
фото Елены ПУЗЫНИНОЙ