Горизонты научного поиска

Спин, поляризованные пучки и коллайдер NICA

В повестку проходившей на этой неделе сессии ПКК по физике частиц вошел доклад профессора И.А.Савина "Эксперименты по спиновой физике на поляризованных пучках протонов и дейтронов коллайдера с помощью установки SPD". Мы обратились к профессору А.В.Ефремову, одному из основных авторов программы, с просьбой рассказать об истории развития этого физического направления в ОИЯИ, актуальности темы, физической задаче и спектре исследований, планирующихся на создаваемом в Дубне коллайдере.

Спиновая физика начала развиваться в Дубне как в теоретическом, так и в экспериментальном плане еще в конце 50-х годов, когда была высказана идея так называемого полного определения ядерных сил путем фазового анализа и прочих исследований. Теоретики Я.А.Смородинский, Р.М.Рындин, С.М.Биленький разрабатывали теоретическую сторону этой проблемы. Чтобы ее изучить, предлагалось ставить эксперименты по рассеянию поляризованных протонов на неполяризованных и поляризованных мишенях. Экспериментаторы - М.Г.Мещеряков с командой были одними из первых, кто еще в начале 60-х годов сумел получить поляризованный пучок путем вторичного рассеяния протона на синхроциклотроне ЛЯП. Поляризованный при первом соударении протон, сталкиваясь второй раз, позволял измерить его поляризацию в зависимости от угла рассеяния, найти соответствующие сечения и связать их со спиновой зависимостью ядерных сил.

Вскоре у Б.С.Неганова возникла идея, как можно получить суперсверхнизкие температуры путем растворения гелия-3 в гелии-4. Они нужны для создания поляризованных мишеней, чтобы тепловое движение не сбивало упорядоченное направление спинов. Такого рода мишени использовались в Дубне и до сих пор работают в Серпухове, в ЦЕРН и других центрах.

Однако тогда во всем мире считалось, что с ростом энергии спиновые явления должны "вымирать". Но однажды на небольшом симпозиуме обсуждались новые данные по поляризации лямбда-частицы, которые показывали ее рост с ростом поперечного импульса до 20 и более процентов. Это полностью противоречило тогдашним представлениям и доминировавшей в то время кварк-партонной модели. Потом появились и другие необычные спиновые явления, например, в ИФВЭ наблюдалась растущая с поперечным импульсом лево-правая асимметрия в рождении пионов на поперечно поляризованной (дубненской!) мишени. Это поведение асимметрии было подтверждено и при более высоких энергиях. Значительным успехом явилась работа А.В.Ефремова и О.В.Теряева, которая давала теоретическую возможность объяснения спиновых явлений в квантовой хромодинамике. Далее она получила развитие в других странах - США, Японии.

Спиновые явления - это очень тонкий инструмент, который зачастую заставляет пересматривать многие, казалось бы, успешные представления. Например, как устроен протон, откуда берется его спин? В кварковой модели строения частиц считалось, что спин нуклона полностью складывается из спинов составляющих его кварков. Когда же удалось "прощупать" поляризованный нуклон пучком быстрых лептонов, выяснили, что кварки дают лишь очень небольшой вклад в спин нуклонов. В первых экспериментах он вообще был близок к нулевому, и тогда возник такой термин как "спиновый кризис", более точные современные измерения дают для него не более 30 процентов.

В Дубне и в ЦЕРН возникла идея, что, возможно, глюоны могут давать большой вклад. Чтобы определить величину этого вклада, были предложены новые эксперименты и созданы специальные установки. Например, это была одна из основных задач установки COMPASS в ЦЕРН и один из главных аргументов при создании коллайдера поляризованных протонов RHIC в Брукхейвене. Но полученные на них последние результаты показывают, что вклад спина глюонов тоже недостаточен. Тогда остается единственная возможность - измерение орбитального углового момента кварков и глюонов. Ведь они движутся внутри нуклона, создают орбитальный момент, который тоже влияет на спин протона. Здесь снова нужно отметить основополагающий вклад сотрудника ЛТФ Анатолия Радюшкина в теорию измерения этих угловых моментов. Однако эта задача гораздо более трудная, чем измерение вклада глюонов в спин нуклонов, поскольку нужно изучать совсем другие процессы. Первые пробные измерения были выполнены на установке ГЕРМЕС (с участием Дубны). А сейчас эксперимент COMPASS в ЦЕРН (снова с участием Дубны) готовится к измерению орбитальных угловых моментов. Уже понятно, как это можно сделать, но требуется большая работа по модификации установки. Посмотрим, что будет дальше, но пока данные об угловых орбитальных моментах еще довольно скудны.

Другой подход к проблеме орбитального движения и понимания причины больших асимметрий - это измерение спин-орбитальной корреляции кварков. Он связан с изучением поперечного движения кварков внутри нуклона, то есть полной трехмерной картины этого движения. При этом, однако, число функций, необходимых для описания этой картины уже в низшем приближении, возрастает от трех до восьми. Имеющиеся о них в настоящий момент данные с установок ГЕРМЕС и COMPASS неточны и зависят от функций фрагментации, полученных в других экспериментах, что не исключает наличие систематических ошибок. Поэтому было бы весьма желательным измерение всех этих восьми функций в одном эксперименте, на одной установке.

Таким экспериментом является процесс инклюзивного рождения пары лептонов (мюонов и электронов) с достаточно большой относительной энергией при соударении поперечно и продольно поляризованных протонов и дейтронов. В "западной" литературе этот процесс называют "процессом Дрелла-Яна", хотя его теоретические обоснования были предложены годом раньше в Дубне Матвеевым, Мурадяном и Тавхелидзе. Основным механизмом этого процесса является аннигиляция кварка и антикварка из разных сталкивающихся нуклонов, приводящая к рождению пары лептонов. Возникающие при этом 23 азимутальные асимметрии позволяют получить все 16 главных спиновых распределений для кварков и антикварков, зависящих от продольного и поперечного импульса. Это основная физическая задача детектора для спиновой физики (SPD) в составе ускорительного коллайдерного комплекса NICA.

Предложение о намерении создать такой детектор обсуждалось на этой неделе на сессии Программно-консультативного комитета ОИЯИ по физике частиц. Кроме этого, в предложение входит еще ряд задач: изучение механизма рождения J/ частицы в протон-протонных и других (pp-, pd-, dd-) соударениях, рождение прямых фотонов с целью изучения вклада глюонов в спин нуклона, спиновая зависимость упругого рр- и dd-рассеяния с целью проверки и изучения так называемого "эффекта Криша" (резкого изменения отношения сечений в районе углов рассеяния 90°), спиновые реакции в соударениях тяжелых ионов.

Это предложение предварительно представлялось на многих конференциях и совещаниях, в том числе на Симпозиуме по спиновой физике в октябре 2012 года в Дубне и более подробно обсуждалось на семинарах ЛФВЭ, ЛЯП, ЛТФ, ЛИТ и НТС ОИЯИ в этом году. Его актуальность и конкурентоспособность подтверждается подписями более 100 известных специалистов из 20 институтов стран-участниц ОИЯИ, стран Европы и США.

Ускорительный комплекс NICA с двумя детекторами MPD и SPD, если он будет построен с запланированными параметрами, станет очень серьезной установкой мирового уровня. В проекте этого ускорительного комплекса предусмотрен ряд технических решений, которые еще не использовались в практике создания других исследовательских машин. Это и очень широкий диапазон энергий пучков, и технические аспекты, связанные с пучками различной степени ориентации и поляризации, и так далее. Очевидно, что этим будут определяться большие перспективы финансового, интеллектуального международного сотрудничества по спиновой физике для нашего Института.

Мы очень надеемся, что и ускорительный комплекс NICA, и две многоцелевые установки на нем - MPD и SPD будут успешно сооружены.