Горизонты научного поиска

В Пекине открыты необычные элементарные частицы

В марте этого года коллаборация, объединяющая физиков в эксперименте BES-III, объявила об открытии двух новых короткоживущих частиц - резонансов, получивших название Z_c+(3900) и Z_c-(3900). Несмотря на то, что число известных элементарных частиц давно перевалило за сотню, открытие нового резонанса продолжает оставаться заметным событием в физике высоких энергий. Однако в данном случае сообщение коллаборации BES-III вызвало особенный интерес. Дело в том, что свойства этих двух резонансов позволяют говорить о том, что они не являются обычными мезонами или барионами, а принадлежат к новому, ранее не известному классу частиц.

Основная задача эксперимента BES-III - исследование свойств чармония и очарованных мезонов - частиц, в состав которых входит очарованный кварк. Почему же это так важно и интересно? Первое из состояний чармония - резонанс J/ - было открыто в 1974 году. Это открытие, известное как "ноябрьская революция", стало главным аргументом в пользу существования нового кварка, названного "очарованным". Довольно скоро было обнаружено целое семейство резонансов со сходными свойствами. Эти частицы интерпретировались как различные энергетические уровни чармония - связанного состояния "очарованных" кварка и антикварка. Открытие чармония, а также, позже, аналогичных связанных состояний еще более тяжелых "красивых" кварков - боттомония, дало отличный инструмент для проверки предсказаний квантовой хромодинамики. Такие состояния являются простейшими хромодинамическими системами подобно атому водорода в электродинамике. Их свойства можно достаточно точно рассчитать теоретически, а затем сравнить с экспериментальными результатами. Кроме того, эти частицы рождаются в очень большом количестве и их масса достаточно велика, что дает отличную возможность поиска в их распадах новых, необычных частиц. Например, квантовая хромодинамика предсказывает частицы, имеющие в своем составе больше трех кварков, или такие экзотические частицы, как "глюболы" - построенные только из переносчиков сильного взаимодействия глюонов. Напомним, что в состав всех известных сегодня элементарных частиц входят либо кварк и антикварк (мезоны), либо три кварка (барионы, такие как нейтрон или протон). Однако, несмотря на многолетние поиски в десятках экспериментов, подобные экзотические частицы еще не обнаружены.

С середины 80-х годов в мире разрабатывалось несколько проектов создания специализированных ускорителей, оптимизированных для рождения очарованных частиц - так называемых "c- фабрик". Кстати, один из таких ускорителей тогда проектировался и в Дубне, но он не был построен. А китайский проект коллайдера BEPC и детектора BES (Beijing Electron Spectrometer) были доведены до конца, и после нескольких модернизаций в настоящее время они представляют собой лучший в мире комплекс для изучения чармония и очарованных частиц.

Несколько месяцев назад на этой установке был начат набор данных при энергии ускорителя 4,26 ГэВ. Здесь следует сделать небольшое отступление и пояснить мотивы, которыми руководствовалась интернациональная команда участников эксперимента BES-III, выбирая именно эту энергию. Еще в 2003 году в эксперименте BELLE, проводившемся на японском ускорителе KEK-B, был обнаружен резонанс X(3872). Открытие этого резонанса было неожиданным, так как его существование не было предсказано квантовой хромодинамикой. Продолжение поисков, к которым подключились участники эксперимента BaBar в США, привело к тому, что при близких энергиях было найдено около двух десятков новых резонансов, которые все вместе получили название XYZ-состояний. Однако существование лишь пяти из них, включая резонанс Y(4260), было подтверждено независимыми измерениями. Возможности установки BES-III позволяют независимо исследовать ту же область энергий. Реализация этой программы и была начата с детального изучения свойств резонансов Y(4260) и Y(4360).

После месяца набора статистики на BES-III было зарегистрировано 1477 событий распада Y(4260) - ^+-J/. И главной новостью стало наблюдение в этом распаде новых резонансов с массой 3899 МэВ в системе заряженного пиона и J/. Вскоре после сообщения коллаборации BES-III появились публикации о независимом подтверждении этих резонансов экспериментами BELLE и CLEO-c. Таким образом, существование резонансов Z_c+(3900) и Z_c-(3900) можно считать надежно установленным. Главный вопрос сейчас связан с природой этих частиц. Наиболее вероятно предположение о том, что в их состав кроме очарованных кварка и антикварка входят еще два легких кварка, которые обуславливают электрический заряд. Таким образом, новые частицы состоят из четырех кварков! В эксперименте BES-III набор данных продолжается, и в скором времени можно ожидать новые сведения о свойствах этих необычных частиц.

Наблюдение нового резонанса Z_c±(3900) в эксперименте BES-III.

Наблюдение новых, экзотических резонансов в эксперименте BES-III, наряду с выполненным год назад измерением угла смешивания нейтрино ₁₃ в эксперименте DayaBay стало важной вехой для физики высоких энергий в КНР. Начало исследований в этой области науки в Китае тесно связано с Дубной. Как известно, в 1956 году КНР стала одним из государств-учредителей ОИЯИ. В Дубне работали более ста китайских специалистов, и среди них такие выдающиеся китайские ученые как будущий создатель китайской атомной бомбы Ван Ганчан, будущий основатель Института физики высоких энергий АН КНР Чжан Веньюй, будущий президент Академии наук КНР Чжоу Гуанчжао, будущие академики Дин Дачжао, Тан Сяовей, Фан Шоусянь, Цянь Шаоцзюнь и многие другие. Выход Китая из ОИЯИ в 1965 году был в первую очередь тяжелым ударом для китайской науки. В условиях "культурной революции" все исследования в области физики высоких энергий в Китае фактически остановились почти на десять лет. Они возобновились лишь в 1973 году, когда после многочисленных обращений китайских ученых к правительству страны в Пекине был основан Институт физики высоких энергий. Так как единственным ускорителем в Китае на тот момент был циклотрон У-120, построенный советскими специалистами в 50-х годах, то первоочередной целью нового института стало создание своей машины. Но это оказалось непростой задачей: строительство протонного ускорителя на 50 ГэВ закончилось неудачей. Вторая попытка была предпринята в середине 80-х, когда было принято решение построить электрон-позитронный коллайдер. В 1988 году на ускорителе BEPC было зарегистрировано первое столкновение. Проект BES стал национальным приоритетом для Китая и настоящей школой для китайских физиков. Спустя 20 лет, после двух глубоких модернизаций детектора и капитальной перестройки ускорителя этот комплекс достиг мирового уровня.

Эксперимент BES-III имеет для китайской науки и другое важное значение. Он впервые в КНР был построен по принципам международного сотрудничества с равноправным участием иностранных групп в планировании и проведении исследований. Результат не замедлил себя ждать: сегодня в состав эксперимента BES-III входят группы из 54 институтов 12 стран, включая Германию, Италию, Нидерланды, Пакистан, Россию, США, Турцию, Швецию, Южную Корею и Японию. Разумеется, ядро коллаборации составляет группа КНР, в которую входят сотрудники 30 китайских институтов и университетов и в первую очередь ИФВЭ АН КНР. Всего в проведении эксперимента принимают участие более 400 человек. Группа ОИЯИ участвует в эксперименте BES-III с 2005 года. Участие в экспериментах BES-III и DayaBay стало первым шагом на пути возобновления масштабного сотрудничества ОИЯИ и Китая после 1965 года. Необычным в практике международного сотрудничества ОИЯИ стало то, что в эксперименте BES-III группа ОИЯИ не участвовала в создании аппаратуры. Основной технический вклад в эксперимент был сделан путем участия в разработке программного обеспечения эксперимента. Группа ОИЯИ стала одним из ключевых разработчиков программ для обработки данных BES-III. Недавно, в связи с началом реализации большого проекта по созданию системы распределенных вычислений для эксперимента BES-III, в котором основную роль играют ОИЯИ и ИФВЭ АН КНР, в состав группы ОИЯИ в BES-III вошли сотрудники ЛИТ. Тем не менее основной целью участия в эксперименте для нашего коллектива являются новые физические результаты, которые можно получить на этой уникальной установке. В настоящее время основные наши усилия направлены на анализ экспериментальных данных в области спектроскопии легких адронов, физики распадов чармония и D-мезонов. Кроме того, ряд интересных предложений поступил от коллег из ЛТФ. Приятно отметить, что в этой работе особенно активно участвуют студенты и аспиранты: за 6 лет на материале BES-III в ОИЯИ было подготовлено семь бакалаврских и магистерских работ, готовятся к защите две кандидатские диссертации.

Сотрудники ЛЯП - участники эксперимента BES-III Г.А.Шелков, А.С.Жемчугов, И.И.Денисенко, Д.В.Дедович, И.Р.Бойко, Ю.А.Нефедов.

В завершение хотелось бы выразить надежду, что ОИЯИ и Китай - в самом начале плодотворного сотрудничества, и на этом пути нас ждет еще немало совместных увлекательных научных открытий.

Дмитрий ДЕДОВИЧ,
Алексей ЖЕМЧУГОВ

Вместо послесловия

Как самый взрослый среди участников группы BES-III в ОИЯИ не смог удержаться от короткого послесловия. Приведенный выше текст вызвал у меня, цитируя классика, "смешанные чувства радости и печали". Радости от того, что ядро участников проекта состоит из специалистов, выросших в ЛЯП ОИЯИ. В группе 8 человек, средний возраст участников (не учитывая меня) - 32 года. Рад и от того, что им повезло не только участвовать в интересном эксперименте, но и стать равноправными участниками важного и неожиданного наблюдения, очень похожего на открытие.

А печаль возникает от того, что такая установка могла быть создана в ОИЯИ. Для тех, кто молод или забыл, напомню, что в девяностых годах в ОИЯИ серьезно разрабатывался проект создания С-Тау фабрики, лидером которого был А.Н.Сисакян. Почему тогда этого не случилось? Оглядываясь назад, мне кажется - проект, который мог стать реальным началом нового этапа развития ОИЯИ, не реализовался по трем причинам, существующим, к сожалению, и по сей день. Не было единого мнения в ОИЯИ. Запомнились слова известного дубненского ученого, не поддержавшего проект и ратовавшего за приоритетное развитие программ выездных экспериментов, сказанные им при обсуждении на Ученом совете ОИЯИ, - "Ускоритель - это не ночной горшок, который должен стоять под кроватью каждого экспериментатора".

Не было единого мнения в АН СССР - один из ответственных за это направление академиков считал, что что С-Тау фабрику надо строить в ИТЭФ или в его родном институте. Не было понимания в руководстве России, что путь к созданию современной конкурентоспособной экономики лежит через развитие фундаментальных наук, а не через концентрацию ресурсов на прикладных исследованиях. Несмотря на изменившуюся в лучшую сторону ситуацию с наполнением бюджета страны за счет сырьевых ресурсов, в России так и нет ни единого утвержденного плана реализации на своей территории крупного международного проекта физики высоких энергий. Я выделяю это направление не потому, что сам в нем работаю, а потому, что в наше время это самая науко- и инженерно-емкая часть фундаментальной науки.

В последние годы в мире обсуждается вопрос и ведутся работы по разработке проекта сооружения нового ускорителя следующего поколения - ILC, или Международного линейного коллайдера. Оценочная стоимость проекта около 8 миллиардов долларов, что в три раза дешевле оценочной стоимости Олимпиады в Сочи. Создание на территории России международного научного центра, который будет интенсивно работать в течение не менее 30 лет, обеспечит восстановление роли и уровня нашей науки в мире и станет стимулом для развития в России высокотехнологичной промышленности и школой (полигоном) для подготовки высококвалифицированных кадров для науки и промышленности. Будет ли аналогичная по времени и эффективности отдача от вложений в Олимпиаду? Мне кажется, что нет.

Георгий ШЕЛКОВ