История Лаборатории /
Отдела высоких энергий
НИИЯФ МГУ

(версия от 07.02.2017)

I. Структурная история ЛВЭ / ОВЭ

II. Научная история ЛВЭ / ОВЭ

По замыслу В.Г. Шевченко создание в НИИЯФ МГУ Лаборатории высоких энергий и утверждение её в качестве головной в системе Минвуза СССР отвечало задаче обучения в высшей школе на базе современных научных исследований. Физика высоких энергий — один из наиболее важных и быстро развивающихся разделов фундаментальной науки. Экспериментальные исследования в этом направлении ставят своей целью получение новых сведений о строении вещества и для своего осуществления нуждаются в использовании самых последних достижений различных областей техники. Таким образом, появление новой лаборатории открыло перед коллективом ученых и преподавателей МГУ дополнительные возможности для участия в разработке важнейших научных проблем и подготовки на её базе не только физиков для исследовательской работы в фундаментальных и прикладных областях, но и специалистов по радиоэлектронике, вычислительной технике, автоматизации обработки информации, прикладной математике, т.е. кадров для самых различных областей народного хозяйства.

История Лаборатории / Отдела высоких энергий естественным образом распадается на два периода — до ввода в строй корпуса высоких энергий в 1980 г. и после этого, после обретения материальной базы. Очевидно, что наиболее трудным был первый период.

Первое десятилетие
(1968 – 1979 годы)

Программа исследований в Лаборатории высоких энергий включала подготовку и проведение сотрудниками лаборатории электронных экспериментов, участие в обработке и анализе результатов экспериментов на пузырьковых камерах, а также проведение теоретических исследований.

За годы со времени создания лаборатории её сотрудниками был выполнен ряд значительных экспериментальных и теоретических исследований в наиболее важных областях физики высоких энергий.

Перешедший в НИИЯФ из ФИАН-а Е.М. Лейкин продолжил работу по программе изучения поляризационных эффектов при фоторождении пионов на водороде в области малых энергий, которая ставила своей целью проведение исследований по программе "полного опыта" для процесса фоторождения пионов. Реализация этой программы была поддержана научным советом АН СССР по электромагнитным взаимодействиям. В рамках этой программы на линейном ускорителе электронов Харьковского физико-технического института совместно с физиками ФИАН и УФТИ были проведены систематические измерения сечений процесса фоторождения положительных пионов на протонах с линейно поляризованным гамма-излучением. Важные результаты были получены на основе анализа проблемы "полного опыта", были решены задачи об объеме и содержании "полного опыта" в области малых энергий. На основе этих результатов Е.М. Лейкин в 1973 г. защитил докторскую диссертацию. В этих работах принимала участие группа физиков, инженеров и техников, а также математик А.Я. Ротвайн, защитивший по математическим аспектам этих исследований кандидатскую диссертацию (1984 г.).

В период с 1971 г. по 1974 г. по инициативе В.Г. Шевченко группа сотрудников лаборатории во главе с Е.М. Лейкиным принимала участие в совместном эксперименте с физиками ИТЭФ и ЦЕРН на ускорителе в Серпухове, где был сформирован нейтронный пучок и подготовлена экспериментальная аппаратура для широкой программы исследований взаимодействия нейтронов с протонами, дейтронами и сложными ядрами при энергиях 30 - 70 ГэВ. В этом эксперименте с высокой точностью были измерены сечения взаимодействия нейтронов с протонами и ядрами, исследованы процессы упругого рассеяния нейтронов на протонах, рассеяния с перезарядкой и дифракционной диссоциации нейтронов. Эти результаты вошли во все основные сводки мировых данных. В результате изучения нейтрон-протонной перезарядки была обнаружена смена механизма у этого процесса.

Наше освоение методики пузырьковых камер началось с того, что двое сотрудников лаборатории (И.А. Коржавина и В.И. Рудь) с мая 1971 г. были прикомандированы к ЛВЭ ОИЯИ в Дубне, к сектору И.М. Граменицкого. Сотрудники этого сектора готовили эксперимент с 2-метровой водородной камерой "Людмила", предназначенной для работы на серпуховском ускорителе. Эта камера была сооружена и испытана в Дубне в 1969 г., а затем перевезена в Протвино и там была установлена на канале сепарированных частиц ИФВЭ. Однако первый её физический сеанс состоялся в 1972/73 году, а до этого физики сектора И.М. Граменицкого занимались обработкой данных с 1-метровой жидководородной камеры ЛВЭ, экспонировавшейся на синхрофазотроне, изучая реакцию π p → π+ π n при 5 ГэВ/c. Примкнув к этим исследованиям, мы освоили все этапы обработки фильмовой информации – просмотр и измерение событий, идентификацию относительно медленных (с импульсами <1.2 ГэВ/c) частиц, обработку событий на ЭВМ по программам геометрической реконструкции и кинематического анализа. Заключительным этапом был анализ на ЭВМ данных, накопленных на лентах суммарных результатов. Эту школу мы прошли успешно и уже через год появилась первая статья, в которой мы были основными авторами, посвящённая определению сечений рождения резонансов в упомянутой реакции.

БПС-1 - большой просмотровый стол
для просмотра фотографий с пузырьковых камер

(Разработка ОИЯИ, препринт ОИЯИ 10-4172, 1968 г.) :
1 - фильмопротяжный механизм;
2 - объективы; 3 - зеркала;
4 - штурвалы управления.
БПС-1 - оптическая схема и
схема фильмопротяжного
устройства.

По инициативе В.Г. Шевченко начиная с 1974 г. лаборатория активно участвовала в работе международного сотрудничества по обработке снимков с пузырьковой камеры "Людмила", облучавшейся сепарированными пучками частиц на ускорителе У-70 в Серпухове. Эти работы продолжались вплоть до 1990 г. Участниками этого сотрудничества кроме ОИЯИ и МГУ были университеты Праги, Хельсинки и Тбилиси, а также Физический институт ЧСАН (Прага) и ИФВЭ АН КазССР. Первые сеансы облучения камеры "Людмила" пучком сепарированных антипротонов (96% чистоты) с импульсом 22,4 ГэВ/с состоялись в 1972/73 г., а публикация физических результатов началась с 1974 года.

Первая часть физической программы этого эксперимента включала исследование взаимодействий антипротонов с импульсом 22,4 ГэВ/с с протонами. Особый интерес к антипротон-протонным взаимодействиям связан с уникальной возможностью изучения аннигиляционных процессов, в которых барион и антибарион превращаются в мезоны. Их характерной особенностью является большая множественность образующихся частиц (по сравнению с другими адронными взаимодействиями, в которых около половины энергии в СЦМ уносится лидирующими частицами). Поэтому одной из целей p̅p-эксперимента было изучение характеристик аннигиляционных процессов путём сравнения p̅p- и pp-взаимодействий. Для этого сравнения нами использовались данные о pp-взаимодействиях при 24 ГэВ/с с 2-метровой жидководородной пузырьковой камеры ЦЕРН.

На базе измерительных и вычислительных средств ИТЭФ сотрудниками лаборатории была введена в действие полная система обработки информации с "Людмилы", начиная с просмотра и обмера снимков и кончая формированием на ЭВМ лент суммарных результатов, содержащих сведения о взаимодействиях в пузырьковой камере в формате, пригодном для дальнейшего физического анализа на ЭВМ. После завершения всеми членами сотрудничества обработки отснятого на камере материала, на ленту суммарных результатов было занесено около 50 тысяч инклюзивных событий и около 6 тысяч событий с нейтральными частицами (γ-квантами и странными частицами). При этом вклад МГУ был на уровне 9%.

Этот экспериментальный материал позволил осуществить обширную физическую программу. Были исследованы характеристики процесса множественного рождения частиц при взаимодействии антипротонов с протонами и установлен ряд особенностей этого процесса, обусловленных вкладом протон-антипротонной аннигиляции: увеличение асимметрии инклюзивных спектров с ростом поперечного импульса частиц, большое сечение рождения векторных мезонов и т.п. Была проведена проверка современных теоретических представлений и получено подтверждение предсказаний схемы дуально-топологической унитаризации относительно процесса аннигиляции, а также относительно универсальности механизма рождения адронов в различных процессах и ряд других выводов. Также были проведены исследования дифракционной диссоциации антипротонов в инклюзивном и эксклюзивном подходах.

Впервые в p̅p-взаимодействиях при высоких энергиях наблюдался и был изучен эффект интерференции тождественных π-мезонов. Это были во многом пионерские работы. Было обнаружено, что средний размер области генерации заряженных π-мезонов больше радиуса взаимодействия, что указывало на непрямой характер рождения большинства интерферирующих π-мезонов. Было получено указание на вытянутость области генерации заряженных π-мезонов вдоль оси реакции. Совокупность полученных данных была интерпретирована в рамках модели движущихся источников типа кластеров или резонанасов, рождающихся периферически. Было показано, что параметры области генерации заряженных π-мезонов воспроизводятся характеристиками ρ0-мезонов, рождавшихся в наших реакциях. Позднее это направление развилось в то, что теперь называется Correlation Femtoscopy.

Одним из важнейших результатов коллаборации “Людмила” было обнаружение такого тонкого явления как выстроенность спина ρ0-мезонов в p̅p-взаимодействиях. Это явление наиболее естественно объясняется поляризованностью исходных валентных кварков.

В 1978 г. на ускорителе в Серпухове впервые в физической практике был получен сепарированный пучок антидейтронов с импульсом 12,2 ГэВ/с и было проведено облучение камеры "Людмила” этим пучком. Кроме того, была проведена модернизация камеры путем создания в ней трекочувствительной мишени, что значительно расширило возможности камеры, и, в частности, позволило провести исследования на дейтериевой мишени, а также на водородной мишени при заполнении самой камеры неон-водородной смесью, что существенно повысило эффективность регистрации γ-квантов. Таким образом, вторая часть физической программы исследований на пузырьковой камере "Людмила" включала изучение взаимодействий антидейтронов с протонами и дейтронами, что позволяло получить новые интересные данные и проверить ряд важных теоретических предсказаний относительно механизмов процесса аннигиляции, связанных с многокварковыми структурами типа бариония, вклада многокварковых состояний в волновую функцию дейтрона. На основе характеристик процессов множественного рождения частиц с участием (анти)дейтронов удалось значительно детальнее, чем ранее, исследовать пространственно-временную структуру адронных процессов, и, прежде всего, аннигиляции адронов. Анализ разности топологических сечений d̅d- и dd- указал на подавляющий вклад процессов d̅d-аннигиляции, в которых аннигилирует одна N̅N-пара. Верхняя оценка полной d̅d-аннигиляции составила ~1.5% от неупругого сечения. Также были получены инклюзивные характеристики рождения Λ и Кs0 в d̅d-, d̅С- и d̅Pb-взаимодействиях. Эти исследования проводились в основном в период с 1978 по 1985 гг.

В этих работах коллаборации "Людмила" от ЛВЭ принимали участие Т.А. Гаранина, Р.К. Дементьев, И.А. Коржавина, Е.М. Лейкин, Н.А. Пожидаева и В.И. Рудь при поддержке технического персонала.

С 1972 по 1978 г. в лаборатории были выполнены исследования πр-взаимодействий при энергии 40 ГэВ, которые проводились под руководством В.С. Мурзина и Л.И. Сарычевой как самостоятельная часть работы в рамках сотрудничества социалистических стран по обработке данных с 2-метровой пропановой пузырьковой камеры ОИЯИ. Было подробно изучено явление асимметричного рождения частиц в πр-взаимодействиях и дано описание этого эффекта на основе реджевской и кварковой моделей, выполнены расчеты сечений образования различных резонансов на базе модели кварков и экспериментально изучены выходы резонансов в πр-взаимодействиях при 40 ГэВ. Важным результатом этих исследований был вывод о том, что основным продуктом множественного рождения частиц при взаимодействии адронов являются не пионы, как считалось ранее, а различные резонансы: более 50 – 70% всех вторичных стабильных частиц образуется через промежуточные резонансные состояния, в том числе через векторные мезоны.

В ходе этих работ были экспериментально исследованы и теоретически объяснены явление асимметрии и связанная с ним кластеризация в πр-столкновениях, впервые при высоких энергиях детально исследовано явление неупругой перезарядки π → π0 в инклюзивном процессе, а также измерено сечение пион-пионного рассеяния.

В этих работах коллаборации пропановой камеры ОИЯИ по изучению πр-взаимодействий при 40 ГэВ/c от ЛВЭ принимали участие В.С. Мурзин, Л.А. Диденко, И.Н. Ерофеева, С.И. Лютов, С.Ю. Сивоклоков, Л.Н. Смирнова, А.Н. Соломин, Л.М. Щеглова. Сотрудниками сектора В.С. Мурзина в зоне "Г" был организован просмотр снимков с пузырьковых камер.

В 1979 г. работа молодых ученых ЛВЭ Л.А. Диденко, С.И. Лютова и Л.Н. Смирновой по этой тематике заняла первое место на конкурсе работ молодых ученых НИИЯФ МГУ и второе место на конкурсе МГУ.

Совместно с группой из ANL (США) в эксперименте на 30" дейтериевой пузырьковой камере FNAL для рd-взаимодействий при 200 ГэВ/c были определены топологические сечения рd-взаимодействий, изучено влияние процессов перерассеяния и получены топологические сечения для рn-взаимодействий без перерассеяний.

В 1978 г. в секторе В.С. Мурзина были начаты исследования взаимодействий релятивистских ядер на материалах с 2-метровой пропановой камеры ОИЯИ с установленными пластинами из тантала, облучавшейся пучками p, d, He и 12C с импульсами 4.2 ГэВ/с на нуклон. В первую очередь изучались характеристики множественного рождения частиц во взаимодействиях этих пучков с ядрами Ta и 12C в сравнении с нуклон-нуклонными взаимодействиями.

В конце 70-х годов Л.Н. Смирнова подключилась к исследованиям p̅p-взаимодействий при 32 ГэВ/с, проводимых в ИФВЭ на пузырьковой камере ”Мирабель”. Были изучены особенности ряда эксклюзивных каналов, включая дифракционную диссоциацию и рождение резонансов. Изучены характеристики инклюзивного рождения π-мезонов, протонов, нейтральных странных частиц и γ-квантов в сопоставлении с кварковыми моделями.

Хотя основное внимание В.Г. Шевченко уделял развитию экспериментальной физики высоких энергий в МГУ, тем не менее он понимал, что для продуктивного научного поиска необходим тесный союз экспериментаторов и теоретиков. Поэтому с самого создания ЛВЭ в лабораторию стали принимать и физиков-теоретиков. Уже в первые два года существования ЛВЭ в неё пришли В.С. Минеев (к.ф-м.н.), Г.Ю. Богословский (к.ф-м.н.), Л.М. Сладь, В.С. Замиралов, Н.П. Зотов. Насколько удачен был этот первый призыв говорит тот факт, что со временем четверо из них стали докторами наук. Первоначально все теоретики входили в состав сектора физики высоких энергий.

В 1975 г. к нам в ЛВЭ перешёл из МИАН-а профессор Ю.М. Широков, известный физик-теоретик, автор серии фундаментальных работ по теории представлений группы Пуанкаре, по теории поля и теории ядра, автор (совместно с Н.П. Юдиным) фундаментального учебника "Ядерная физика". И был создан сектор теории поля во главе с Ю.М. Широковым (в дальнейшем — Лаборатория теории поля, ЛТП), включивший в себя всех теоретиков. После трагической гибели Ю.М. Широкова в горах в 1980 г. сектор возглавил его ученик В.Е. Троицкий.

В секторе теории поля помимо теоретических исследований, непосредственно связанных с проводимой в лаборатории экспериментальной работой, велась также теоретическая разработка фундаментальных вопросов физики элементарных частиц.

Велись поисковые работы, связанные с исследованием возможности модификации геометрии пространства-времени. В частности, была выдвинута гипотеза о структуре пространства событий, в рамках которой, с одной стороны, сохраняются почти все свойства специальной теории относительности, а с другой - появляются новые, тонкие эффекты анизотропии пространства. К этому же направлению примыкали работы по построению теории поля с дискретным пространством-временем.

В секторе теории поля также велись работы по теоретическому объяснению новых экспериментальных результатов современной физики элементарных частиц, была разработана детальная количественная теория электромагнитных свойств составных частиц. Были предложены различные механизмы взаимодействия элементарных частиц при высоких энергиях, хорошо описывавшие последние экспериментальные данные тех лет по упругому рр-рассеянию при больших переданных импульсах.

Во избежание повторов некоторые результаты, полученные в секторе теории поля в первое десятилетие, здесь не упоминаются, а включены ниже в общие итоги работы ЛТП.

В 1978 г. сектор Б.С. Ишханова выделился из состава ЛВЭ, образовав самостоятельную "Лабораторию электромагнитых процессов и взаимодействий атомных ядер" во главе с Б.С. Ишхановым. После этого в ЛВЭ осталось три сектора, работавших только по тематике физики высоких энергий.

С момента основания ЛВЭ заработал общий научный семинар, которым сначала руководил сам В.Г. Шевченко, а позже руководство семинаром перешло к Е.М. Лейкину. В группе теоретиков с 1970 г. работал свой еженедельный семинар, руководить которым с 1975 г. стал Ю.М. Широков.

Уже в первый период существования ЛВЭ ряд сотрудников защитил кандидатские диссертации :

Экспериментаторы

Теоретики

Итоги развития Лаборатории высоких энергий
за первое десятилетие её существования

Уже в первые годы существования ЛВЭ усилиями В.Г. Шевченко, Е.М. Лейкина, В.С. Мурзина и Ю.М. Широкова был создан научный коллектив, способный вести успешные научные исследования как в экспериментальной, так и в теоретической физике высоких энергий. Ограниченность собственной материальной базы компенсировалась энтузиазмом сотрудников и широким научным сотрудничеством как с ведущими институтами СССР (ИТЭФ, ФИАН, ИФВЭ, УФТИ), так и с крупными международными центрами (ОИЯИ и ЦЕРН), что способствовало тому, чтобы исследования сотрудников ЛВЭ вышли на мировой уровень. Физики ЛВЭ приняли участие в двух электронных экспериментах и освоили методику пузырьковых камер. Эксперименты на больших пузырьковых камерах выполнялись в рамках крупных международных коллабораций на базе ОИЯИ и ИФВЭ. В них были получены важные физические результаты. На базе измерительных и вычислительных средств ИТЭФ сотрудниками лаборатории была введена в действие полная система обработки фильмовой информации с камеры "Людмила", что позволяло вносить полноценный вклад в статистику экспериментов. Ряд актуальных научных исследований был выполнен в области теоретической физики. Защиты кандидатских диссертаций начались у теоретиков с 1971 г. (В.С. Замиралов), а у экспериментаторов с 1974 года (Л.Н. Смирнова). За этот период сотрудниками ЛВЭ были защищены 12 кандидатских диссертаций и одна докторская.

К концу 1979 г. было завершено строительство Корпуса высоких энергий, что открыло возможность приступить к созданию в нём центра обработки фильмовой информации, запланированного В.Г. Шевченко ещё в 1969 г., и подвело материальную базу под всё дальнейшее развитие физики высоких энергий в Московском университете.

Сотрудники лаборатории регулярно читали лекции в МГУ и других университетах страны, руководили работой студентов и аспирантов.

Итоги первого десятилетия развития Лаборатории высоких энергий ясно демонстрируют, что уже к 1980 г. В.Г. Шевченко удалось поднять до высокого уровня созданное им новое для МГУ научное направление – физику высоких энергий, включившись в систему международного научного сотрудничества.

Второе десятилетие
(1980 – 1991 годы)

Весной 1980 года состоялся наш переезд с чердака зоны "Г" главного здания МГУ в новый корпус высоких энергий.

В начале 80-х годов сотрудники ОВЭ Б.А. Юрьев и Ю.В. Нильсен принимали участие в совместном советско-американском электронном эксперименте на ускорителе ИФВЭ по изучению излучения электронов и позитронов с энергией 10 ГэВ при каналировании в монокристаллах кремния и германия. Было обнаружено, что спектральная плотность излучения при каналировании электронов в 28-70 раз превышает спектральную плотность тормозного излучения из аморфной мишени.

В 1978 г. в НИИЯФ был организован Отдел измерительной техники под руководством профессора П.Ф. Ермолова, имевшего опыт создания в ИФВЭ центра обработки фильмовой информации.

В 1981-83 гг. Отделом измерительной техники под руководством П.Ф.Ермолова был создан автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс по обработке и анализу фильмовой информации с больших пузырьковых камер и гибридных спектрометров. Этот ИВК по мощности был вторым в СССР после ИФВЭ. Создав этот центр, П.Ф.Ермолов фактически реализовал программу, сформулированную В.Г. Шевченко в 1969 г.. Хотя и не в полной мере, поскольку в центре не было автоматических сканирующих устройств типа HPD и SR. Работал этот центр вплоть до 1997 г.

Продолжение экспериментов на пузырьковых камерах

В 80-е годы продолжалась обработка и анализ фильмовой информации с камеры "Людмила" – как в ИТЭФ, так теперь и у себя в НИИЯФ. В 1985 г. суммарная статистика p̅p-эксперимента на камере "Людмила" достигла 80 тысяч событий (окончательно – 165 тыс. событий), причём вклад МГУ составил 9%. Продолжалось детальное исследование характеристик рождения частиц в p̅p-взаимодействиях: было изучено образование ρ0-, ω-, f2- и φ-мезонов; проведено сравнение неупругих p̅p-взаимодействий при 22,4 ГэВ/с с аннигиляцией e+e в адроны; проведено изучение дифракционных процессов; проведено изучение аннигиляционных и неаннигиляционных компонент p̅p-взаимодействий; для эффекта интерференции тождественных пионов была обнаружена его зависимость от скорости пар; на большей статистике было продолжено детальное изучение выстроенности спина ρ0-мезонов. В 1982 г. В.И. Рудь с коллегами из ОИЯИ получил Вторую премию ОИЯИ за цикл работ "Исследование антипротон-протонных взаимодействий при 22,4 ГэВ/с".

Сотрудники ОВЭ принимали участие и во второй части физической программы исследований на пузырьковой камере "Людмила" – изучении взаимодействий антидейтронов с протонами и дейтронами. Просмотр и измерение событий, их обработка и анализ велись как в НИИЯФ, так и на базе ИТЭФ.

Как уже упоминалось, несмотря на создание в ОИТ упомянутого ИВК, наш отдел продолжал использовать ресурсы дружественного нам ИТЭФ-а. В период с 1984 г. по 1988 г. в ИТЭФ на основе договора о сотрудничестве между ИТЭФ и НИИЯФ МГУ проводилась обработка фильмовой информации с 2-метровых пузырьковых камер с дейтериевым наполнением: камеры ЦЕРН-а и камеры ОИЯИ "Людмила" с внутренней трекочувствительной мишенью. На этих материалах планировалось получить новые экспериментальные данные о взаимодействии дейтронов, антипротонов и антидейтронов с импульсами 12 ГэВ/с с ядрами дейтерия. В год просматривалось до 15 плёнок с 2-метровой камеры ЦЕРН-а и до 10 плёнок с камеры "Людмила". Ежегодный объём измерений был на уровне 4000 событий с камеры ЦЕРН-а и 2000 событий с камеры "Людмила". Выделялось нам и соответствующее время на ЭВМ ВЦ ИТЭФ для обсчёта этих событий по программам геометрического восстановления и кинематического анализа с целью формирования лент суммарных результатов.

В экспериментах на "Людмиле" по изучению взаимодействий антидейтронов с протонами и дейтронами был выполнен широкий круг исследований как по анализу общих свойств d̅p- и d̅d-взаимодействий при 12 ГэВ/с, так и раздельному изучению особенностей n̅n-, nn- и n̅p-взаимодействий при 6,1 ГэВ/с. Отметим основное: изучение характеристик множественного рождения частиц; изучение характеристик n̅p-аннигиляции; изучение процессов рождения резонансов в упомянутых процессах.

В перечисленных работах коллаборации "Людмила" от ОВЭ принимали участие Л.К. Гладилин, Р.К. Дементьев, И.А. Коржавина, Е.М. Лейкин, Н.П. Новокшанов и В.И. Рудь при подержке технического персонала.

В лаборатории В.С. Мурзина продолжались работы по релятивистской ядерной физике и по дальнейшему анализу p̅p-взаимодействий при 32 ГэВ/с. В 1982 г. лаборатория из ОВЭ переходит в ОИТ, к П.Ф. Ермолову.

К концу 80-х годов стало ясно, что методика пузырьковых камер доживает свой век. Остро встал вопрос о нашем переходе на электронные эксперименты.

Участие в эксперименте "СФИНКС" в ИФВЭ

С 1987 года группа сотрудников ОВЭ подключилась к совместному эксперименту ИТЭФ-ИФВЭ "СФИНКС" в ИФВЭ (лаборатория Л.Г. Ландсберга). Нас тогда интересовала не столько физическая программа этого эксперимента (изучение процессов дифракционного рождения экзотических мезонов и барионов), сколько возможность освоения новой для нас экспериментальной методики – RICH (Ring Imaging CHerenkov) детекторов. Использование RICH детекторов позволяет производить сепарацию заряженных частиц по их массам. Занимался этой работой в СФИНКС-е В.И. Соляник. К моменту нашего подключения у него уже были все компоненты RICH детектора, но не было людей, которые помогли бы ему собрать, запустить и отладить этот RICH вместе с необходимой электроникой. С нашей стороны активное участие в этой работе принимал талантливый молодой физик-методист И.С. Филимонов, к сожалению, рано ушедший из жизни (в 1995 г.). В работе с электроникой RICH-а очень хорошо проявил себя молодой электронщик А.В. Немиткин.

В результате с нашей помощью RICH детектор СФИНКС-а был собран и запущен и в декабре 1989 г. состоялся первый физический сеанс установки с использованием этого детектора.

RICH детектор СФИНКС-а представлял собой стальной цилиндр длиной 150 см и диаметром 70 см, наполненный элегазом (SF6) под давлением несколько превышающим атмосферное, служивший радиатором. Оптическая система состояла из двух тонких сферических стекляных зеркал с фокусным расстоянием 125 см. Эти зеркала превращали конуса черенковского излучения в кольца в плоскости двух фотоматриц из малогабаритных ФЭУ, каждая содержавшая по 23х16 ФЭУ, всего 736 ФЭУ. Эти ФЭУ образовывали ячейки гексагональной сотовой структуры с шагом 1,5 см. Использовались отечественные ФЭУ-60 производства МЭЛЗ с диаметром фотокатода 10 мм. Непосредственно к ФЭУ подключались резистивные делители питающего напряжения и высокочувствительные предусилители. Для улучшения светосбора применялись конуса из алюминизированного майлара, а для повышения эффективности регистрации черенковского излучения – PTP сместитель спектра. В RICH детекторе к ФЭУ предъявляются повышенные требования, поскольку они должны обладать способностью регистрировать одиночные фотоны и иметь низкий уровень собственных шумов. Подобные требования предъявляются и к регистрирующей электронике – высокая чувствительность и низкий уровень шумов.

Этот RICH детектор показал добротность N0=42 см–1, что соответствовало 13,3 фотонам на кольцо максимального радиуса. Что позволяло осуществлять π/K сепарацию на уровне 2σ вплоть до импульсов 30 ГэВ/с.

Таким образом мы освоили методику RICH детекторов. По числу каналов и общей схеме этот RICH можно рассматривать как прототип в 1/4 будущего RICH детектора эксперимента SELEX.

Практически одновременно с работой в СФИНКС-е началась подготовка к эксперименту "ГИПЕРОН" на УНК. Вместе с В.И. Соляником мы образовали RICH группу эксперимента "ГИПЕРОН".

Подготовка к эсперименту "ГИПЕРОН" на УНК

Работы по созданию УНК (протон-протонного коллайдера с энергией пучков 3 ТэВ) были начаты в ИФВЭ в 1983 году (прекращены в 1994 г.). Предполагалось, что на первой стадии работы ускорителя будут выводиться пучки вторичных частиц, среди них – интенсивный почти чистый пучок Σ-гиперонов с импульсом до 2.7 ТэВ. Эксперимент для работы на этом пучке получил название "ГИПЕРОН", а коллаборацию составили ИФВЭ, ИТЭФ, ЛИЯФ и НИИЯФ МГУ (ОВЭ). Позже свой интерес к этому эксперименту выразили и американские физики из коллаборации SELEX. Характерно, что группу физиков ИТЭФ в ГИПЕРОН-е в тот момент возглавлял наш В.Г. Шевченко! Но он не включил себя в окончательный список участников от ИТЭФ.

Участие в подготовке этого неосуществлённого эксперимента сыграло важную роль в нашем переходе к электронным экспериментам. Впервые мы получали столь щедрое финансирование, приобрели первый персональный компьтер, смогли приобрести необходимые приборы и оборудование для методических работ, оплачивали работы МЭЛЗ над перспективными ФЭУ для RICH детекторов, планировали создать участок по производству микродрейфовых камер.

Первое совещание сотрудничества "ГИПЕРОН" состоялось в конце 1987 г., а финансирование проекта началось с 1989 г. От ОВЭ на этом этапе в основном участвовали Е.М. Лейкин, В.И. Рудь, Е.А. Чудаков, И.С. Филимонов.

Установка "ГИПЕРОН" планировалась как 3-магнитный спектрометр с трековыми системами на основе пропорциональных и дрейфовых камер. Пучковая трековая система из микростриповых и падовых кремниевых детекторов вместе с пучковым TRD должна была обеспечивать прецизионное измерение пучковых частиц и их тагирование. Следом должен был располагаться микростриповый вершинный детектор. Для идентификации заряженных вторичных частиц предполагалось использовать три RICH детектора и три TRD. Калориметрические системы были представлены электромагнитными калориметрами на основе BGO (или BaF) и свинцового стекла, а также адронными калориметрами. После калориметров должен был располагаться мюонный детектор.


Схема установки "ГИПЕРОН"
(из Nuclear Physics B - Proceedings Supplements,
vol. 21, June 1991, pp.306-314. [PDF, DOI]).


Схема RICH детектора. Характеристики
RICH детекторов.

Физики ОВЭ участвовали как в формировании физической программы эксперимента, так и в разработке его технического проекта. ОВЭ принимал участие в моделировании регистрации в установке процессов, сопровождающихся рождением и распадом тяжелых кварков (Е.А.Чудаков). Целью моделирования был выбор конфирурации и характеристик различных элементов установки: вершинного детектора, трековых детекторов, магнитных спектрометров, электромагнитных и адронных калориметров, приборов для идентификации частиц (RICH и TRD). В области методики ОВЭ принимал участие в разработке RICH детекторов (И.С. Филимонов), микродрейфовых камер (Е.А. Чудаков) и электромагнитных калориметров (В.И. Рудь). При разработке RICH детекторов изучались (И.С. Филимонов) возможности использования вместо ФЭУ лавинных фотодиодов – полупроводниковых приборов, обладающих высокой эффективностью регистрации черенковского излучения в газе, приемлемыми шумовыми характеристиками, внутренним усилением сигнала, способностью работать в магнитных полях. Эти фотоприемники не требуют высоковольтного питания и допускают простое сочетание с ПЗС, что существенно упрощало бы решение проблемы считывания информации с детекторов с большим числом каналов (до I04).

Планировалось создать установку "ГИПЕРОН" к 1996 году, её стоимость оценивалась в конце 80-х годов в 50 млн рублей.

В эксперименте "ГИПЕРОН" предполагалось выполнить широкую программу исследований по физике тяжёлых кварков на гиперонном пучке УНК :

Предполагалось также выполнить прецизионные опыты по измерению параметров матрицы смешивания кварков; по поиску несохранения лептонного заряда в опытах с τ–лептонами; по поиску эффектов смешивания и CP–несохранения в системах нейтральных B–мезонов. Кроме того, предполагались поиски целого ряда эффектов, выходящих за рамки стандартной модели.

В 1990 г. сотрудничество "ГИПЕРОН" опубликовало подготовленный проект эксперимента (препринт ИФВЭ 90-81, скан полного текста). На это время полный список участников эксперимента от ОВЭ выглядел так: Н.Н.Баламатов, Р.К.Дементьев, Н.П.Зотов, Е.М.Лейкин, И.В.Надеждин, А.В.Немиткин, Ю.В.Нильсен, Н.П.Новокшанов, В.И.Рудь, А.Н.Соломин, И.С.Филимонов, Е.А.Чудаков, Л.М.Щеглова, Б.А.Юрьев. В связи с распадом СССР работы по эксперименту "ГИПЕРОН" были прекращены в 1992 году.

"ГИПЕРОН" был первым крупным электронным экспериментом в подготовке которого сотрудники ОВЭ принимали широкое и полноценное участие.

Итоги развития Отдела высоких энергий
за второе десятилетие существования

В 1980 – 1991 гг. сотрудники ОВЭ продолжали участие в экспериментах на пузырьковых камерах, ведя обработку и анализ фильмовой информации как на созданном в НИИЯФ измерительно-вычислительном комплексе, так и на базе ИТЭФ. В экспериментах на камере "Людмила" был проведён более детальный анализ данных об р̅р-взаимодействиях при 22,4 ГэВ/с и получены новые данные об общих свойств d̅p- и d̅d-взаимодействий при 12 ГэВ/с, и об особенностях n̅n-, nn- и n̅p-взаимодействий при 6,1 ГэВ/с.

С 1987 года начался наш переход на электронные эксперименты, который осуществлялся путем освоения нами методики RICH детекторов в эксперименте "СФИНКС" в ИФВЭ и в процессе подготовки эксперимента "ГИПЕРОН" на УНК. Успешное освоение этой методики позволило сотрудникам ОВЭ претендовать на участие в эксперименте SELEX (E781) во FNAL на основе участия в создании RICH детектора.

Продолжилось успешное развитие теоретических исследований в Лаборатории теории поля, резюме которых приводится ниже. Продолжились защиты кандидатских диссертаций, четыре человека защитили докторские диссертации – В.Е. Троицкий, Г.Ю. Богословский, Н.П. Зотов, В.А. Смирнов.

После В.Г. Шевченко
(с 1992 г. по настоящее время)

Через год после смерти В.Г. Шевченко Лабораторию теории поля в 1992 г. из ОВЭ переводят в ОТФВЭ. А оставшаяся часть ОВЭ была включёна в состав ОЭФВЭ в качестве Лаборатории высоких энергий.

Участие в эксперименте SELEX (E781) в Фермилабе

SELEX был последним экспериментом, "добро" на участие в котором успел дать В.Г. Шевченко.

Опыт, полученный при работе с RICH детектором установки "СФИНКС" и при подготовке к эксперименту "ГИПЕРОН", дал нам возможность в 1992 г. войти в эксперимент SELEX во FNAL (США) на основе вклада в создание RICH детектора установки.

Коллаборация SELEX (Segmented Large X baryon Spectrometer) была образована для изучения рождения очарованных барионов на Σ-пучке Фермилаба (см. Proposal) как сотрудничество 21 института из 10 стран. Значительный вклад в эксперимент был внесен институтами России – СПИЯФ, ИТЭФ, ИФВЭ и НИИЯФ МГУ (ОВЭ). Основными участниками эксперимента от ОВЭ были Е.М. Лейкин, В.И. Рудь, И.С. Филимонов и А.В. Немиткин, причем последние трое работали и непосредственно в Фермилабе.

Установка SELEX в Фермилаб представляла собой 3-магнитный спектрометр с пропорциональными и дрейфовыми камерами, предназначенный для изучения адронного образования очарованных барионов и мезонов с высокой статистикой в области xF>0.1, используя интенсивные пучки выведенных 600 ГэВ-ных Σ, π и 540 ГэВ-ных протонов. Программа эксперимента SELEX также включала изучение ряда процессов вне физики чарма.

Основные особенности спектрометра и эксперимента (см. также SELEX in a Nutshell) :

Спектрометр обеспечивал высокое пространственное разрешение при реконструкции вершин и обладал хорошим разрешением по массе.

Отрицательный пучок содержал 50% Σ и 50% π, которые тагировались пучковым TRD. В положительном пучке протоны составляли 92% (8% - примесь π+).

Важным нововведением SELEX-а было использование в триггере 3-го уровня программной фильтрации событий. Программа фильтрации в режиме online проводила полное трехмерное восстановление вершин, используя только треки, идентифицированные RICH детектором как p, K или π, и восстановленные в вершинном кремниевом детекторе и последующих PWC. После этого отбирались только события с наличием вершины распада. Это позволило существенно подавить фон и в 8 раз сократить объем записываемых данных.

Группа сотрудников ОВЭ внесла вклад в проектирование, создание, запуск и эксплуатацию RICH детектора (включая создание и испытание его прототипа), в обеспечение набора данных в эксперименте, в создание и развитие математического обеспечения эксперимента и в обработку и анализ данных.

RICH детектор представлял собой цилиндрический объем длиной 10 м и диаметром 2,4 м, заполненный газообразным неоном под давлении 1,05 атм. Сферическое зеркало с радиусом 20 м, собранное из 16 шестигранных сегментов, фокусировало кольца черенковского света на фотодетектор из 2848 ФЭУ, расположенных в виде матрицы 89х32. Электроника RICH детектора была разработана и поставлена НИИЯФ МГУ (включая высокоомные делители напряжения для питания ФЭУ, выполненные на основе толстопленочной технологии, и усилители-формирователи в гибридном исполнении), так же как и источники высоковольтного питания для ФЭУ. Использовались малогабаритные ФЭУ диаметром 15 мм (с диаметром фотокатода 10 мм). Из них 608 штук были ФЭУ R-760 фирмы Hamamatsu, а остальные 2240 – наши отечественные ФЭУ-60 производства МЭЛЗ с напыленным PTP сместителем спектра. При этом НИИЯФ МГУ предоставил 1400 обычных ФЭУ-60 и 400 модернизированных ФЭУ-60 с улучшенной чувствительностью к коротковолновому черенковскому излучению.

Набор данных на установке SELEX проводился в 1996-97 гг. в течение 15-месячного сеанса. Всего было зарегистрировано 24 миллиарда взаимодействий в разных пучках:

Пучок Состав
π        Σ      p
Взаимодействий
(млрд)
отрицательный 50%   50%    – 2,2
Σ  7%    93%    – 20,0
'протонный'  8%     –    92%
1,8
Всего 24,0

Из них было отобрано и записано 109 событий, что позволило выполнить широкую программу физических исследований.

В течение длительного сеанса работы на пучке RICH детектор показал высокую надежность и стабильность своих параметров. Была достигнута высокая добротность N0=104 cм–1, соответствующая 13,6 зарегистрированных фотонов на кольцо для частиц с β=1, при очень низком уровне фона - всего 6 фоновых каналов в событии без пучка. При измерении радиусов колец в многочастичных событиях было получено разрешение в 1,8 мм, что позволяло разделять (на уровне 2σ) каоны и пионы до 165 ГэВ/с, а протоны и пионы до 320 ГэВ/с. Эффективность идентификации оказалась высокой – на уровне 90-100%. На то время RICH SELEX-а был лучшим в мире RICH детектором.

В течение года после сеанса проводилась доработка и оптимизация программ реконструкции и анализа. Все события прошли процесс поэтапной реконструкции, что позволило затем перейти к получению физических результатов. Все данные были обработаны дважды, и окончательная реконструкция была закончена в 2001 году.

Основные физические результаты коллаборации SELEX:

Некоторые результаты коллаборации SELEX, полученные на пределе чувствительности эксперимента, не были подтверждены другими экспериментами. Имеются в виду заявленное обнаружение дважды очарованного бариона Ξcc+(3519) и очарованно-странного мезона DsJ+(2632). Частично это может быть объяснено различием в физике процессов рождения чарма в других взаимодействиях.

SELEX был первым крупным электронным экспериментом, в котором сотрудники ОВЭ приняли участие на всех его стадиях — от создания установки и до получения физических результатов.

После завершения активной стадии этого эксперимента уже все сотрудники ОВЭ окончательно перешли на тематику П.Ф. Ермолова.

Участие в эксперименте ZEUS в DESY

С 1991 г. П.Ф. Ермолов начал привлекать сотрудников ОВЭ к участию в эксперименте ZEUS на ep-коллайдере HERA в DESY (Гамбург). С 1991 г. к теоретическим исследованиям в рамках ZEUS-коллаборации был привлечён Н.П. Зотов, а с 1992 г. присоединились и экспериментаторы – Л.К. Гладилин, Р.К. Дементьев, И.А. Коржавина и Н.П. Новокшанов, начав работы по изучению процессов дифракции, по изучению процессов рождения адронов с тяжёлыми кварками и рождения векторных мезонов в глубоконеупругом ep-рассеянии и в режиме фоторождения. С 1993 г. НИИЯФ стал официальным членом коллаборации ZEUS.

Итоги исследований в ОВЭ
за годы существования отдела
(1968 – 1992)

Итоги развития экспериментальных исследований в ОВЭ:

С 1991 г. сотрудники ОВЭ начали привлекаться П.Ф. Ермоловым к участию в эксперименте ZEUS на ep-коллайдере HERA в DESY (Гамбург). Поэже сотрудники ЛВЭ примкнули к эксперименту D0 на коллайдере Фермилаба, а впоследствие и к эксперименту АТЛАС на LHC в ЦЕРН.

Итоги развития теоретических исследований в ОВЭ

Приводимый ниже текст основывается на докладе И.П.Волобуева о развитии теоретических исследований в ОВЭ на семинаре, посвящённом 90-летию В.Г. Шевченко.

За время пребывания Лаборатории теории поля (ЛТП) в составе ОВЭ были исследованы многие важные проблемы теоретической физики и получены интересные результаты.

Ю.М. Широковым было проведено глубокое исследование структуры алгебр наблюдаемых в квантовой и классической теории. В результате квантовая и классическая теории впервые были сформулированы в терминах одних и тех же физических и математических понятий. Им разрабатывались также сложные математические вопросы квантовой теории поля, связанные с изучением поведения квантовых полей на малых расстояниях.

Г.Ю. Богословский создал последовательную теорию локально анизотропного пространства-времени, основанную на финслеровой геометрии пространства событий и представлении о спонтанном нарушении лоренцевой симметрии без нарушения релятивистской симметрии. Важность этого результата связана с тем, что в настоящее время широко обсуждается возможность нарушения лоренцевой симметрии при высоких энергиях. В частности, соответствующая Очень Специальная Теория Относительности Глэшоу оказалась предельным случаем финслеровой теории анизотропного пространства-времени, а недавно открытая анизотропия ускоренного расширения Вселенной получила естественное описание в рамках финслеровой космологии.

Н.П. Зотовым для описания адронных процессов при высоких энергиях была развита (в соавторстве с В.А. Царевым) модель комплексных полюсов Редже с учетом дуальных свойств амплитуды рассеяния в форме правил сумм при конечной энергии и правил сумм по переданному импульсу. Было получено предсказание для нетривиального поведения поляризации нейтронов отдачи в процессе презарядки π-мезонов и получен логарифмический рост полного сечения рр-рассеяния при высоких энергиях. Им также была предложена флуктонная модель с рескейлингом партонных распределений в ядрах. В рамках этой модели были получены ядерные структурные функции. В рамках аддитивной кварковой модели и пертурбативной КХД им был предложен механизм перерассеяния партонов в начальном состоянии, что позволило учесть ядерные эффекты в процессах рождения J/ψ-мезонов и мюонных пар при столкновении релятивистских ядер.

Л.М. Сладь выдвинул предположение о существовании взаимодействия нейтрино с гипотетическим аксиальным фотоном, введённым Саламом в 1966 г. Рассмотрел возможные проявления такого взаимодействия в редких распадах заряженных K-мезонов и во взаимодействии с реликтовыми нейтрино.

В.А. Смирнов занимался развитием методов вычисления фейнмановских диаграмм. Для физики высоких энергий это тоже очень важное направление, потому что сейчас, когда предсказания Стандартной модели сравниваются с экспериментом, древесного приближения уже не хватает, и необходимо учитывать двух- и трехпетлевые поправки. В.А.Смирнов является очень известным специалистом в этой области. У него много монографий по этой тематике и он входит в группу лидеров этого направления.

В работах В.Е. Троицкого была развита последовательная релятивистская теория связанных состояний, на основе которой было дано количественное описание электромагнитных свойств составных частиц.

И.П. Волобуев и Ю.А. Кубышин внесли значительный вклад в развитие теорий с большими дополнительными измерениями пространства-времени. Их работы фактически были предтечей современных работ по теории бран, в которых обсуждается возможность поиска больших дополнительных измерений пространства-времени в экспериментах на коллайдерах.

К 1992 г. сотрудниками ЛТП было издано 4 монографии и 4 сотрудника стали докторами наук.

В лаборатории за эти годы было подготовлено два аспиранта (А.Крутов и И.Цирова). С 1985 г. И.Волобуев и Ю.Кубышин постоянно участвовали в организации ежегодной Школы молодых ученых НИИЯФ МГУ по квантовой теории поля и физике высоких энергий, которая сейчас превратилась в международную конференцию QFTHEP.

Таким образом создание В.Г. Шевченко ЛВЭ / ОВЭ придало дополнительный импульс к расширению в НИИЯФ МГУ теоретических исследований не только по физике высоких энергий, но и в других областях изучения фундаментальных взаимодействий. А Лаборатория теории поля за время своего пребывания в составе ОВЭ сформировалась как научный коллектив высокого уровня, способный успешно вести исследование широкого круга проблем физики элементарных частиц.

Общие итоги ОВЭ

За время существования ОВЭ многие сотрудники стали кандидатами наук, пятеро стали докторами наук (Е.М. Лейкин, В.Е. Троицкий, Г.Ю. Богословский, Н.П. Зотов, В.А. Смирнов). Сотрудниками ОВЭ были опубликованы четыре монографии по фундаментальным проблемам физики.

ОВЭ активно участвовал в учебном процессе ОЯФ. Сотрудники отдела читали лекции по физике высоких энергий в МГУ и других университетах страны, руководили работой студентов и аспирантов. Совместно с физическим факультетом МГУ в 1982 г. в ОВЭ для студентов IV курса кафедры физики элементарных частиц был организован практикум “Методы обработки и анализа данных в экспериментальной физике высоких энергий”, который в течение 20 лет вели сотрудники ОВЭ. Для практикума было выпущено два учебных пособия.

Наследие В.Г. Шевченко

Наследие В.Г. Шевченко представлено в НИИЯФ успешно развивающимся научным направлением Физика высоких энергий (в чём велика заслуга и П.Ф. Ермолова). Ярким свидетельством этого служит тот факт, что 31 сотрудник отделов ОЭФВЭ и ОТФВЭ НИИЯФ стали соавторами открытия бозона Хиггса в экспериментах ATLAS и CMS на LHC/БАК в ЦЕРН. Структурные части прежнего Отдела высоких энергий существуют в НИИЯФ в виде Лаборатории высоких энергий в составе ОЭФВЭ, бывшей лаборатории В.С. Мурзина (ЛТКРР) в составе ОЭФВЭ, Лаборатории теории поля в составе ОТФВЭ, Отдела электромагнитых процессов и взаимодействий атомных ядер. С 1980 г. материальной базой всего нашего научного направления служит Корпус высоких энергий.

Вклад В.Г. Шевченко в развитие физики высоких энергий в НИИЯФ МГУ и в ИТЭФ подробно обсуждался на мемориальном семинаре НИИЯФ 14 июня 2013 г., посвящённом 90-летию со дня рождения В.Г. Шевченко. В работе семинара приняли активное участие и физики из ИТЭФ, ИФВЭ и ОИЯИ.


Приложения :

  1. Полная версия статьи о В.Г. Шевченко в юбилейном (к 70-летию) сборнике НИИЯФ "ОСНОВОПОЛОЖНИКИ. ОНИ СОЗДАЛИ НАШ ИНСТИТУТ" : "В.Г. Шевченко — видный учёный в области ядерной физики и основоположник исследований по физике высоких энергий в Московском университете".
  2. Эксперименты ОВЭ (1969 — 2004 гг.)

Страница нашей памяти
Страница     создана      07.06.2013
Последнее обновление: 07.02.2017