Институт высоких энергий (Пекин)

Институт высоких энергий (англ. Institute of High Energy Physics, IHEP) — китайское государственное научно-исследовательское учреждение, расположенное в Пекине. Входит в состав Китайской академии наук (CAS). Является ведущим центром Китая в области физики высоких энергий, физики элементарных частиц, ядерной физики, астрофизики и смежных направлений, включая разработку и эксплуатацию ускорителей заряженных частиц, детекторов и источников синхротронного излучения.

История

Институт был основан в 1973 году на базе Пекинского отделения Института атомной энергии Китайской академии наук. Первоначально основной задачей IHEP было проведение фундаментальных исследований в области физики элементарных частиц и создание собственной экспериментальной базы. В 1984 году в Пекине началось строительство первого крупного ускорительного комплекса — Пекинского электрон-позитронного коллайдера (BEPC), который был введён в эксплуатацию в 1988 году. С этого момента IHEP стал ключевым участником международного сотрудничества в области физики высоких энергий.

В 2000-х годах институт приступил к реализации масштабных проектов, включая модернизацию коллайдера (BEPCII) и строительство Пекинского источника синхротронного излучения (BSRF). В 2010-х годах IHEP инициировал проект по созданию Китайского ускорителя нейтрино (JUNO) и Китайского кольцевого электрон-позитронного коллайдера (CEPC), который рассматривается как потенциальная замена Большому адронному коллайдеру (БАК) в будущем.

Основные направления деятельности

Физика элементарных частиц

IHEP проводит эксперименты на собственных ускорителях, а также участвует в международных коллаборациях, таких как ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН, Швейцария). Ключевым проектом является эксперимент BESIII (Beijing Spectrometer III) на коллайдере BEPCII, который специализируется на изучении физики тау-лептона, чармония и экзотических адронов. BESIII — один из крупнейших в мире экспериментов в области физики высоких энергий, работающий в диапазоне энергий 2–4,6 ГэВ.

Нейтринная физика

Институт является головной организацией проекта JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) — крупнейшего в мире подземного нейтринного детектора, строящегося в провинции Гуандун. JUNO предназначен для измерения иерархии масс нейтрино, наблюдения геонейтрино и нейтрино от сверхновых. Ввод в эксплуатацию ожидается в 2025–2026 годах. IHEP также участвует в проекте Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, который в 2012 году впервые измерил угол смешивания θ₁₃ с высокой точностью.

Ускорительная техника

IHEP разрабатывает и эксплуатирует ускорители заряженных частиц для научных и прикладных целей. Основные установки:

• Пекинский электрон-позитронный коллайдер (BEPC) — первый китайский коллайдер, работающий в режиме встречных пучков. После модернизации (BEPCII) его светимость была увеличена в 100 раз.
• Пекинский источник синхротронного излучения (BSRF) — источник синхротронного излучения второго поколения, используемый для исследований в материаловедении, биологии, химии и медицине.
• Китайский ускоритель нейтрино (JUNO) — не является ускорителем в классическом смысле, но использует реакторные нейтрино от АЭС Янцзян и Тайшань.

Астрофизика и космические лучи

Институт участвует в проектах по изучению космических лучей и гамма-астрономии, включая китайскую космическую обсерваторию DAMPE (Dark Matter Particle Explorer), запущенную в 2015 году. DAMPE предназначен для поиска тёмной материи и изучения космических лучей сверхвысоких энергий.

Крупные проекты

Пекинский электрон-позитронный коллайдер (BEPC/BEPCII)

BEPC — первый в Китае коллайдер, построенный в 1988 году. В 2004–2008 годах проведена модернизация до BEPCII, что позволило достичь светимости 1×10³³ см⁻²с⁻¹. Длина кольца — 240 м, энергия пучков — 1–2,3 ГэВ. На базе BEPCII работает детектор BESIII, который с 2009 года набрал более 10 миллиардов событий.

Китайский кольцевой электрон-позитронный коллайдер (CEPC)

CEPC — проект будущего ускорителя, который планируется построить в Китае к 2030-м годам. Длина кольца — около 100 км, энергия — до 250 ГэВ. CEPC будет работать как фабрика Z-бозонов, W-бозонов и бозонов Хиггса. В перспективе он может быть переоборудован в протон-протонный коллайдер (SppC) с энергией до 100 ТэВ. Проект находится на стадии технического проектирования и поиска финансирования.

Пекинский источник синхротронного излучения (BSRF)

BSRF — источник синхротронного излучения второго поколения, работающий с 1991 года. Энергия электронов — 2,2 ГэВ, ток пучка — до 250 мА. Используется для рентгеновской дифракции, спектроскопии, микроскопии и томографии. В 2023 году началось строительство нового источника — Пекинского источника синхротронного излучения четвёртого поколения (HEPS), который будет иметь энергию 6 ГэВ и станет одним из самых ярких в мире.

Эксперимент Daya Bay

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment — совместный проект IHEP и американских, тайваньских и европейских институтов, работавший с 2007 по 2020 год. В 2012 году эксперимент впервые измерил угол смешивания θ₁₃ с точностью до 4%, что стало важным шагом в понимании осцилляций нейтрино. Результаты Daya Bay были признаны одним из главных научных достижений десятилетия в физике.

Международное сотрудничество

IHEP активно участвует в международных коллаборациях, включая ЦЕРН (Швейцария), DESY (Германия), KEK (Япония), Фермилаб (США) и Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ, Россия). Институт является ассоциированным членом ЦЕРН с 2004 года. Китайские учёные из IHEP участвуют в экспериментах ATLAS, CMS, ALICE и LHCb на БАК, а также в проектах по нейтринной физике (DUNE, Hyper-Kamiokande) и астрофизике (CTA, LHAASO).

Образовательная и кадровая деятельность

При институте действует аспирантура и магистратура Китайской академии наук. IHEP готовит специалистов в области физики высоких энергий, ускорительной техники, детекторов и информационных технологий. Ежегодно институт принимает на стажировку и обучение десятки иностранных студентов и учёных, в том числе из России и стран СНГ.

Интересные факты

• В 2012 году эксперимент Daya Bay, в котором участвовал IHEP, был признан журналом Science одним из десяти главных научных прорывов года.
• BESIII — единственный в мире работающий эксперимент по физике чармония и тау-лептона в диапазоне энергий 2–4,6 ГэВ.
• Проект CEPC, если будет реализован, станет крупнейшим ускорителем в мире, превзойдя по длине кольца Большой адронный коллайдер (27 км) почти в четыре раза.
• IHEP является одним из немногих институтов в мире, который одновременно разрабатывает и эксплуатирует коллайдер, источник синхротронного излучения и нейтринный детектор.

Источники

• Официальный сайт Института высоких энергий Китайской академии наук (ihep.cas.cn)
• Страница проекта BESIII на сайте IHEP (bes3.ihep.ac.cn)
• Страница проекта JUNO (juno.ihep.cas.cn)
• Страница проекта CEPC (cepc.ihep.ac.cn)
• Отчёты и публикации коллаборации Daya Bay (dayabay.ihep.ac.cn)
• Материалы Китайской академии наук (english.cas.cn)