Новый коллайдер рекордной светимости

Российские учёные работают над созданием нового перспективного коллайдера в рамках научной программы Национального центра физики и математики

Учёные Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН ведут работы по созданию нового коллайдера, который станет перспективным инструментом поиска новой физики, в рамках научной программы Национального центра физики и математики при поддержке Госкорпорации «Росатом». Реализация методов достижения рекордной в мире светимости, разработка детекторных систем и моделирование сложных экспериментов – ёмкие задачи, которыми занимаются исследователи до 2025 года в рамках программы НЦФМ.

«Основное преимущество Супер С-Тау фабрики в том, что мы широко и комплексно сможем исследовать самый тяжелый лептон (тау-лептон), очарованный кварк (с-кварк) и всю физику, связанную с ними. Это сотни различных измерений и экспериментов. Один из очень интересных экспериментов, который мы хотим провести, связан с поиском распада тау-лептона на мюон и фотон без нейтрино. В Стандартной модели это практически запрещённый процесс, очень маловероятный (10^-50) – но во многих моделях расширения Стандартной модели предсказывается, что вероятность этого процесса больше на много порядков. Нужно произвести огромное количество тау-лептонов, чтобы один из них распался в детекторе нужным образом. Сила Супер С-Тау фабрики именно в том, что благодаря высокой светимости она позволяет родить огромное количество тау-лептонов и очарованных кварков. Это тот случай, когда количество превращается в качество. Имея большое количество частиц, мы повышаем точность экспериментов, что позволяет проводить поиски Новой физики – явлений, не описываемых Стандартной моделью», – рассказал заместитель директора ИЯФ СО РАН, член секции Научно-технического совета НЦФМ «Ядерная и радиационная физика» Иван Логашенко.

Учёный отметил, что на Супер С-тау фабрике специалисты смогут изучать десятки редких распадов частиц, и это только одно из направлений планируемых исследований.

Проект Супер С-тау фабрики концептуально разработан. Сегодня исследователи занимаются детальной проработкой технических решений реализации установки. В ближайшее время специалистам предстоит провести оптимизацию, конструирование и прототипирование ключевых компонентов и систем коллайдера.

«Самое сложное и инновационное по техническим решениям направление в области создания Супер С-Тау фабрики – достижение её рекордной светимости (производительности). По проекту, она будет в сто раз больше, чем у существующих в мире установок. Такой скачок достигается с помощью новых методов фокусировки и столкновения пучков, например, метода под названием Crab Waist. Одной из наших важнейших задач в рамках научной программы НЦФМ является разработка и создание элементов финального фокуса пучка – части коллайдера, где пучки сжимаются и сталкиваются между собой», – отметил учёный.

Система финального фокуса пучка состоит из нескольких сверхпроводящих магнитов, через которые пролетают частицы, двигающиеся навстречу друг другу в коллайдере, прямо перед столкновением. Качество этих магнитов определяет, будет ли достигнута светимость в установке. Система финального фокуса должна быть компактной, её разместят близко к месту столкновения пучков в условиях жёсткой радиационной обстановки, поэтому основной деталью системы станет компактная сверхпроводящая квадрупольная линза с большим градиентом, производимая по инновационной технологии, описал член секции НТС НЦФМ «Ядерная и радиационная физика» Иван Логашенко.

«Не менее уникальная часть работы по созданию Супер С-Тау фабрики связана с разработкой детекторной системы, которая позволит при большой светимости установки в условиях высокой загрузки получить высокую точность измерения параметров частиц, родившихся при столкновении пучков. Только такой детектор позволит использовать все возможности, которые нам даст большая светимость коллайдера.  Сейчас нам необходимо технически проверить решения, предложенные теоретически ранее. Мы планируем прототипировать детекторные системы, то есть создавать их в миниатюре», – сказал заместитель директора ИЯФ СО РАН Иван Логашенко.

Третьим большим направлением подготовки Супер С-Тау фабрики в рамках научной программы НЦФМ является моделирование экспериментов на коллайдере. Результаты численного эксперимента позволят учёным подтвердить, что при проектируемом устройстве машины задачи, которые будут решать специалисты, выполнимы с необходимой точностью.

«На данном этапе мы моделируем ключевые эксперименты по измерению параметров очарованных частиц и тау-лептона, а также поведение электронного и позитронного пучка в ускорительном кольце. На уровне детального моделирования можно предсказать точность результатов наших экспериментов. В итоге мы определим, какие дополнения или изменения нужно внести в дизайн технических элементов машины и детектора. Без получения положительного результата на данном этапе невозможно приступить к физическому созданию Супер С-Тау фабрики», – уточнил физик.   

Подготовительные работы по созданию Супер С-Тау фабрики идут в ведущих научных институтах и центрах России: Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Института ядерных исследований РАН, РФЯЦ-ВНИИЭФ и других. В ИЯФ СО РАН над проектом работает команда из нескольких десятков человек, которая включает специалистов в области ускорительной физики, детекторов элементарных частиц, криогенной техники и других областях. По словам Ивана Логашенко, ведущие учёные активно подключают к работе над проектом молодых исследователей и даже студентов: «Для них участие в проекте мирового уровня очень интересно и полезно в плане профессионального развития».  

О подготовке проекта Супер С-тау фабрики в рамках научной программы НЦФМ рассказал заместитель директора ИЯФ СО РАН, член секции Научно-технического совета НЦФМ «Ядерная и радиационная физика» Иван Логашенко на II Всероссийской школе НЦФМ для студентов и молодых учёных по физике высоких энергий и ускорительной технике, которая прошла в Сарове (Нижегородская область) при поддержке Госкорпорации «Росатом» и Института ядерной и радиационной физики РФЯЦ-ВНИИЭФ в рамках Десятилетия науки и технологий в России.