С предельной точностью. Универсальный метод определения масс частиц был разработан в ИЯФ СО РАН - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

С предельной точностью. Универсальный метод определения масс частиц был разработан в ИЯФ СО РАН

01.02.20

Впервые термин «спин» ввели голландские аспиранты Сэмюэл Гаудсмит и Джордж Уленбек в 1925 году, хотя сам эффект раздвоения атомарных потоков, позволяющий предположить существование у электрона собственного магнитного момента и связанного с ним импульса, был обнаружен в 1922-м немецкими физиками Отто Штерном и Вальтером Герлахом. Концепции спина (а Гаудсмит и Уленбек предложили рассматривать электрон как вращающийся волчок) предстояло сыграть значительную роль и в физике элементарных частиц, и впоследствии в ускорительной физике.

Юрий Шатунов, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН: Понятие спина помогло ученым разобраться в строении атомов. Когда же пришло время физики высоких энергий, то сначала высказывались мнения, что в этой области от спина ничего не будет зависеть. Однако результаты экспериментов на первых ускорителях протонов свидетельствовали, что рассеяние частиц не объясняется только их электрическими зарядами. Для проверки предположения об участии спинов в рассеянии требовалось ускорять поляризованные протоны, чем и занялись в конце 1950-х годов в лаборатории Сакле (Франция). Но очень быстро выяснилось, что подобный эксперимент не так-то просто поставить. Уже при энергии в несколько ГэВ поляризация пучка терялась. Два теоретика – М.Фруассар и Р.Стора – проанализировали ситуацию и обнаружили спин-орбитальные резонансы, приводящие к потере поляризации. Однако в 1963 году группа теоретиков МГУ во главе с А.Соколовым и И.Терновым предсказала радиационную самополяризацию электронов и позитронов при их длительном движении в магнитном поле, что, собственно, и пробудило интерес к проблеме в Институте ядерной физики, где в это время строились накопители ВЭП-1 и ВЭПП-2.

Александр Скринский, академик, научный руководитель ИЯФ СО РАН: Вращение высокоэнергичного электрона или позитрона по циклической орбите приводит к тому, что спин начинает давать излучение. И это может при определенных условиях приводить к самополяризации – спины всех частиц выстраиваются по полю. Однако вышеупомянутые резонансы этому процессу мешают. Поэтому в 1960-х годах было долгое сомнение: наверное, резонансы убьют эту слабую радиационную поляризацию.

Ю.Шатунов: В ИЯФе радиационной поляризацией занялись сразу и теоретики, и экспериментаторы. А.Скринский с командой теоретиков пришли к заключению: Тернов и Соколов рассматривали идеальный случай в однородном магнитном поле, а в реальном накопителе магнитное поле принципиально неоднородно, и, кроме того, спин подвергается воздействию переменных полей, возникающих при колебаниях частицы. При таком подходе оказалось, что уравнение, описывающее движение спина, совпадает по форме с уравнением движения электрона и нужно применять одинаковые методы решения этих задач. В 1973 году А.Скринским, Я.Дербеневым и А.Кондратенко была окончательно сформулирована теория радиационной поляризации, учитывающая реальное движение частиц и их спинов в накопителях. Впоследствии правильность теории была подтверждена на всех работавших в мире электрон-позитронных накопителях.

А.Скринский: Но еще в конце 1960-х начались попытки получить радиационную поляризацию экспериментально. Не идти от создания электронных пучков при малой энергии, а потом ускорения их до нужной, а получить поляризацию прямо на высоких энергиях.

Ю.Шатунов: Надо сказать, изначальная программа института не содержала даже упоминаний о поляризованных пучках. Установка ВЭПП-2 строилась для доказательства возможности встречных электрон-позитронных пучков, что еще в начале 1960-х казалось не очень реальным делом. Но в 1967 году на ВЭПП-2 была проведена регистрация рождения π-мезонов при e+e-аннигиляции. После такого успеха изменилось и отношение к поискам радиационной поляризации. Параметры накопителя ВЭПП-2 давали надежду такую поляризацию получить. Работала группа энтузиастов из разных лабораторий: кроме нас со Скринским участвовали Г.Тумайкин, С.Середняков, М.Егорычев. В ВЭПП-2 был добавлен только один элемент – высокочастотный виток (деполяризатор), который можно настраивать на частоту прецессии спина, больше ничего даже менять не пришлось. Оказалось, что два счетчика, с помощью которых измерялась светимость в месте встречи пучков, годятся и для регистрации актов столкновения и рассеяния пары частиц при их движении внутри сгустка. Скорость счета таких событий зависит от поляризации частиц и скачкообразно изменяется при настройке деполяризатора на спиновую частоту. Впоследствии этот метод получил название «метод резонансной деполяризации». В 1969 году на ВЭПП-2 мы все-таки засекли поляризацию, но неустойчивую. Был даже подготовлен к печати препринт, но он так и не увидел свет – из-за недоверия авторов самим себе. (Интересно, что Гаудсмит и Уленбек тоже поначалу опасались публиковать концепцию спина, но их учитель профессор Эренфест настоял, сказав, что они достаточно молоды, чтобы разок сделать глупость.)

А.Скринский: Настоящие рабочие поляризованные пучки появились только на коллайдере ВЭПП-2М (на снимке). Тогда же родилась идея: появление таких «вращающихся часов» (электрон условно вращается, как волчок, его спин меняет направление, счетчики регистрируют вращение) создает возможность с очень высокой точностью измерить частоту прецессии. Оказалось, что резонансная деполяризация – путь к абсолютно точному измерению энергии электронов и позитронов. Следовательно, этот способ может служить для прецизионного (предельно точного) измерения энергии, а затем и вычисления массы частиц, рождающихся при аннигиляции электронов и позитронов, – ρ+-мезонов, φ-мезонов и так далее, поскольку вся кинетическая энергия сталкивающихся электрона и позитрона переходит в образующуюся частицу. Тех параметров, которых удалось достичь на ВЭПП-2М, другие ускорители мира дать не могли. И мы получали рекордную точность в измерении – впервые это было сделано для φ-мезона. Словом, был разработан универсальный метод определения точной массы элементарных частиц, который теперь используется во всех экспериментах, вплоть до измерения Z-бозонов, рекордных по энергии частиц, полученных в ­ЦЕРНе и имеющих в сто раз большую массу, чем протон. Сегодня при компьютерном моделировании экспериментов прецизионные массы частиц, участвующих в столкновении, берутся из таблиц в Particle Data Group, львиная доля данных которых получена в нашем институте. Шкала прецизионных масс в физике элементарных частиц установлена с помощью метода поляризованных пучков, предложенного и разработанного сотрудниками ИЯФ. До его появления было лишь «предзнание» о массах элементарных частиц – теперь же измерения достигли точности 10-6 и выше.

Ю.Шатунов: Одно время в литературе даже встречалось выражение «сибирский метод». Потом, к сожалению, забылось. Единственное, где упоминание места изобретения осталось, – так это в названии разработанного нами устройства для подавления резонансов – «сибирская змейка». Самая большая установка, в которой используются «сибирские змейки» – протон-протонный коллайдер в Брукхейвене (США), где сталкиваются поляризованные протоны с энергией 250 ГэВ.

Подготовила Ольга КОЛЕСОВА

Фото из архива ИЯФ СО

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2