В интересах передовой науки в разных странах строятся ускорители-гиганты. Это грандиозные установки, с помощью которых достигаются высокие энергии и исследуются мельчайшие структуры материи. Такие эксперименты помогают ученым приблизиться к пониманию основополагающих процессов мироздания.
Однако мегаускорители — это сложные и дорогие установки. Поэтому российские физики-ядерщики из Института ядерных исследований РАН, Московского физико-технического института, Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН и Объединенного института ядерных исследований предложили, как решить одну из важнейших загадок Вселенной, при этом лишь незначительно усовершенствовав имеющийся ускоритель. Статья с разработками опубликована в журнале Physics of Atomic Nuclei. В ней речь идет о Нуклотроне — базовой установке ОИЯИ. Ученые предлагают создать продвинутую версию машины для поиска электронного дипольного момента (ЭДМ) частиц.
Нуклотрон. Фото: ОИЯИ
«ЭДМ — это величина, которая показывает неравномерное распределение плотности заряда внутри элементарных частиц. Их образование в первые мгновения Большого взрыва, согласно условиям, сформулированным академиком Андреем Сахаровым в 1967 году, происходило так, что материя производилась быстрее, чем антиматерия. Это в итоге привело к современному состоянию Вселенной, где частицы присутствуют повсеместно, но нет постоянно живущих античастиц. Все условия, перечисленные Сахаровым, сводятся к тому, что ЭДМ должен быть гораздо больше величины, которая предсказывается Стандартной моделью — современной теорией элементарных частиц. Таким образом, ЭДМ — это индикатор физики за гранью Стандартной модели. Определив его значение, можно получить доказательство асимметрии материи и антиматерии на ранних стадиях рождения Вселенной», — объяснил фундаментальную основу изысканий один из авторов статьи, ведущий научный сотрудник ИЯИ, профессор, старший научный сотрудник лаборатории физики ускорителей МФТИ Юрий Сеничев.
Модернизированный нуклотрон способен помочь в решении этой задачи. Однако это нетривиальная проблема, поскольку, согласно современным представлениям, ЭДМ не может превышать 10−38 e·см (произведение элементарного электрического заряда на сантиметр). Это настолько малая величина, что если бы, например, элементарная частица была размером с Землю, то смещение оси ее вращения, которое намерены измерить ученые, оказалось бы сопоставимо с толщиной человеческого волоса.
Идея использования накопительного кольца для детектирования ЭДМ заряженных частиц появилась в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL, США) в начале 2000-х годов. Она основана на концепции, которая предполагает аккумулирование ничтожного сигнала ЭДМ за счет большого количества оборотов на кольце. Однако в этом проекте не была решена проблема систематических ошибок. Кроме того, для его воплощения требовалось ускорительное кольцо, ориентированное исключительно на поиск ЭДМ, стоимостью 250 миллионов долларов.
«Предложенный подход подразумевает отказ от измерения смещений пучка в пространстве и переход только к измерению частоты прецессии спина (смещения оси вращения, вызванного электромагнитным моментом частицы), что является самым точным измерением. Идея может быть воплощена в реальность путем частичного усовершенствования нуклотрона», — пояснил Юрий Сеничев.
Он добавил, что мегаустановка была построена в ОИЯИ в 1992 году и сыграла важную роль во многих исследованиях. Однако сейчас, когда готовится ко вводу в эксплуатацию ускорительный комплекс NICA, нуклотрону в нем отводится вспомогательная роль. Поэтому на нем останутся свободные мощности, которые можно будет задействовать, чтобы детектировать ЭДМ, не нарушая других его функций в составе нового комплекса.
