ВЭПП-4

ВЭПП-4 — это ускорительный комплекс, расположенный в Институте ядерной физики имени Г. И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) в городе Новосибирск. Он представляет собой электрон-позитронный коллайдер, предназначенный для проведения экспериментов в области физики высоких энергий, в частности, для изучения элементарных частиц и их взаимодействий. ВЭПП-4 является одним из крупнейших и наиболее значимых ускорительных комплексов в России и странах бывшего СССР.

История создания и развития

Предпосылки и начало строительства

Идея создания электрон-позитронного коллайдера в Новосибирске возникла в 1960-х годах, когда в ИЯФ СО РАН под руководством академика Г. И. Будкера активно разрабатывались методы встречных пучков. Первый в мире коллайдер ВЭП-1 (Встречные Электрон-Позитронные пучки) был запущен в 1964 году, а затем последовал ВЭПП-2. К началу 1970-х годов стало очевидно, что для достижения более высоких энергий и светимости необходим новый, более мощный комплекс. Проект ВЭПП-4 был утверждён в 1971 году, а строительство началось в 1972 году.

Запуск и модернизации

Первое получение встречных пучков на ВЭПП-4 состоялось в 1979 году. В 1980-х годах на комплексе были проведены первые эксперименты, в том числе по изучению J/ψ-мезонов и τ-лептонов. В 1990-е годы, в условиях экономического кризиса, работа комплекса была приостановлена, но в начале 2000-х годов началась масштабная модернизация. В 2006 году был запущен обновлённый комплекс, получивший название ВЭПП-4М (модернизированный). В ходе модернизации были заменены системы инжекции, вакуумная система, а также создан новый детектор КЕДР (Коллайдерный Экспериментальный Детектор для Регистрации).

Современное состояние

На 2024 год ВЭПП-4М является действующим коллайдером, работающим в диапазоне энергий от 1 до 2 ГэВ в системе центра масс. Он используется для проведения прецизионных измерений параметров элементарных частиц, таких как массы и ширины распадов, а также для поиска редких процессов. Комплекс продолжает модернизироваться, в частности, ведутся работы по увеличению светимости.

Устройство и принцип работы

Основные компоненты

ВЭПП-4М представляет собой кольцевой ускоритель, в котором электроны и позитроны движутся по одной и той же вакуумной камере в противоположных направлениях. Основные компоненты комплекса включают:

• Инжектор — источник электронов и позитронов. Электроны получаются из электронной пушки, а позитроны — при бомбардировке мишени электронами.
• Линейный ускоритель (ЛУ) — разгоняет частицы до энергии около 350 МэВ перед инжекцией в накопительное кольцо.
• Накопительное кольцо — кольцевой магнитный канал, в котором частицы накапливаются и ускоряются до рабочих энергий (до 2 ГэВ на пучок). Длина кольца составляет около 366 метров.
• Система вакуума — поддерживает сверхвысокий вакуум (до 10⁻⁹ мм рт. ст.) для предотвращения рассеяния частиц на молекулах газа.
• Магнитная система — состоит из дипольных магнитов (для поворота пучка), квадрупольных линз (для фокусировки) и секступольных корректоров (для компенсации нелинейных эффектов).
• Система высокочастотного (ВЧ) ускорения — поддерживает энергию частиц и компенсирует потери на синхротронное излучение.
• Детектор КЕДР — универсальный детектор, регистрирующий продукты столкновений электронов и позитронов.

Принцип работы

Электроны и позитроны, разогнанные до релятивистских скоростей, сталкиваются в одной из точек пересечения пучков (точка взаимодействия). В результате аннигиляции образуются виртуальные фотоны или Z-бозоны, которые затем распадаются на пары частиц-античастиц (например, мюоны, адроны). Детектор КЕДР регистрирует эти частицы, измеряя их энергию, импульс и тип. По характеристикам продуктов распада физики восстанавливают параметры исходных частиц.

Параметры

• Энергия пучков: от 1 до 2 ГэВ на пучок.
• Светимость: до 2·10³² см⁻²·с⁻¹ (после модернизации).
• Периметр кольца: 366 метров.
• Время жизни пучка: несколько часов.

Научные задачи и эксперименты

Основные направления

ВЭПП-4М используется для решения ряда фундаментальных задач физики высоких энергий:

• Прецизионные измерения масс и ширин распадов — в частности, измерение массы τ-лептона и J/ψ-мезона с высокой точностью (до 0,1 МэВ).
• Поиск редких распадов — например, распадов J/ψ на пары лёгких частиц, которые могут указывать на существование новых частиц или сил.
• Изучение адронной структуры — измерение сечений рождения адронов в электрон-позитронной аннигиляции, что важно для проверки квантовой хромодинамики (КХД).
• Поиск тёмной материи — в некоторых моделях лёгкие частицы тёмной материи могут рождаться в коллайдерных экспериментах.

Детектор КЕДР

Детектор КЕДР (Коллайдерный Экспериментальный Детектор для Регистрации) был разработан и построен в ИЯФ СО РАН. Он включает:

• Трековую систему — дрейфовые камеры для измерения траекторий заряженных частиц.
• Калориметры — электромагнитный (на основе сцинтилляционных кристаллов) и адронный (на основе сцинтилляторов) для измерения энергии частиц.
• Мюонную систему — для идентификации мюонов.
• Систему триггера — для отбора событий, представляющих интерес.

Результаты

Среди наиболее значимых результатов, полученных на ВЭПП-4М, — уточнение массы τ-лептона (до 0,2 МэВ), измерение ширины J/ψ-мезона, а также наблюдение редких распадов, таких как J/ψ → γγ. Эти данные используются для проверки Стандартной модели и поиска отклонений от неё.

Классификация и место в ряду коллайдеров

Тип ускорителя

ВЭПП-4М относится к классу электрон-позитронных коллайдеров с фиксированной энергией пучка. По сравнению с протон-протонными коллайдерами (например, Большой адронный коллайдер, БАК), электрон-позитронные коллайдеры имеют преимущество в чистоте столкновений: электроны и позитроны являются точечными частицами, что упрощает интерпретацию результатов. Однако их энергия ограничена из-за больших потерь на синхротронное излучение.

Сравнение с другими коллайдерами

• ВЭПП-2М (Новосибирск) — предшественник, работавший в диапазоне до 0,7 ГэВ.
• BEPC-II (Пекин, Китай) — коллайдер с энергией до 2,3 ГэВ, аналогичный по задачам.
• DAΦNE (Фраскати, Италия) — коллайдер с энергией до 1,02 ГэВ, специализирующийся на изучении φ-мезонов.
• БАК (ЦЕРН, Швейцария) — протон-протонный коллайдер с энергией 13 ТэВ, значительно превосходящий ВЭПП-4М по энергии, но не предназначенный для прецизионных измерений в низкоэнергетической области.

Применение и значение

Фундаментальная наука

ВЭПП-4М является ключевым инструментом для проверки Стандартной модели физики элементарных частиц в области низких энергий. Прецизионные измерения, проводимые на нём, позволяют выявлять возможные отклонения от предсказаний теории, что может указывать на существование новой физики (например, суперсимметрии или дополнительных измерений).

Прикладные аспекты

Хотя основная задача ВЭПП-4М — фундаментальные исследования, технологии, разработанные для него, находят применение в других областях:

• Синхротронное излучение — пучки ВЭПП-4М используются для генерации синхротронного излучения, которое применяется в материаловедении, биологии и медицине (например, для рентгеновской кристаллографии белков).
• Разработка ускорительной техники — опыт, полученный при создании и эксплуатации ВЭПП-4М, используется при проектировании новых ускорителей, включая Супер чарм-тау фабрику (СЧТФ) в ИЯФ СО РАН.

Международное сотрудничество

ВЭПП-4М является частью международной сети ускорительных центров. Учёные из разных стран (включая Германию, Италию, Японию) участвуют в экспериментах на нём. Результаты публикуются в ведущих научных журналах, таких как Physical Review Letters и Physics Letters B.

Интересные факты

• Название ВЭПП расшифровывается как «Встречные Электрон-Позитронные Пучки», а цифра 4 указывает на четвёртую версию коллайдера в серии.
• Комплекс расположен в подземном тоннеле на глубине около 10 метров для защиты от радиации.
• В 2000-х годах на ВЭПП-4М была проведена серия экспериментов по измерению массы τ-лептона, которая дала одно из самых точных значений в мире.
• Детектор КЕДР весит около 1000 тонн и состоит из тысяч отдельных сцинтилляционных кристаллов.

Источники

• Будкер Г. И. и др. «ВЭПП-4: электрон-позитронный коллайдер для физики высоких энергий» // Успехи физических наук, 1979.
• Иванов П. М. и др. «Модернизация коллайдера ВЭПП-4» // Ядерная физика, 2006.
• Официальный сайт Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (раздел «ВЭПП-4М»).
• «Коллайдеры в России: история и современность» // Наука из первых рук, 2018.
• «Эксперименты на ВЭПП-4М» // Physical Review Letters, 2020.