Аэрогель поможет найти новые частицы в будущем новосибирском коллайдере
Обновленные материалы на основе четырехслойных аэрогелей станут ключевым элементом детекторов для будущих экспериментов в Супер чарм-тау фабрике, позитрон-электронном коллайдере, разрабатываемом сейчас в Институте ядерной физики имени Будкера (Новосибирск). Перед физиками стоит задача создать огромный детектор площадью более 15 квадратных метров, в котором будет более миллиона каналов считывания. Проект детектора будет представлен 26-27 мая на первом совещании международного Совета Супер чарм-тау фабрики, сообщает Институт ядерной физики СО РАН.
Супер чарм-тау фабрика — позитрон-электронный коллайдер, разрабатываемый в Институте ядерной физики имени Будкера. Как и у японского коллайдера SuperKEKb, задача ускорителя — эффективное создание частиц определенного типа в столкновениях элементарных частиц. Но если SuperKEKb рассчитан на генерацию прелестных адронов, содержащих b-кварк, то Супер чарм-тау фабрика будет оптимизирована для рождения частиц двух типов: адронов, содержащих очарованные с-кварки и тау-лептонов. Особенный интерес вызывают тау-лептоны — эти частицы являются тяжелыми собратьями электронов, отличаясь в 3500 раз большей массой. В отличие от мюонов и электронов, тау-лептоны достаточно массивны, чтобы распадаться на адроны. Примерно в двух случаях из трех тау-лептон распадется на пион(ы) и тау-нейтрино.
Существует интересный экспериментальный факт, входящий в Стандартную модель — сохранение полного лептонного числа в процессах распадов частиц. Лептонное число вычисляется так: если в системе есть лептоны (электрон, мюон или тау, а также нейтрино трех соответствующих типов), то каждый лептон добавляет единицу к лептонному числу, а если в системе присутствуют антилептоны (позитроны, антимюоны, антитау и антинейтрино), то за каждый антилептон из лептонного числа единица вычитается. Поиски нарушений закона сохранения лептонного числа в редких каналах распада тау-лептонов — один из способов обнаружить физику за пределами Стандартной модели.
Все подобные анализы — статистические исследования. Физикам требуется провести миллионы одинаковых экспериментов (распадов частиц) для того, чтобы знать наверняка, с какой вероятностью происходит рождение тех или иных частиц и сравнить ее с предсказываемой теорией. Поэтому если ученые хотят исследовать распады конкретных частиц, то просто необходимо настроить коллайдер так, чтобы именно эти частицы рождались чаще всего при столкновении электронов и позитронов. Здесь играет важную роль энергия и другие параметры ускорителя (это связано с тем, что вероятность рождения частицы-осколка в столкновении сильно зависит от суммарной энергии столкновения). Именно поэтому нужны специализированные коллайдеры-фабрики, настроенные на максимальную эффективность определенных процессов.
Важная часть любого коллайдерного эксперимента — детектор. Это устройство, позволяющее определить, какие именно осколки образуются в каждом из миллионов столкновений, происходящих в эксперименте. Фактически для этого надо выяснить несколько свойств осколков: определить их энергию и траекторию. Детектор, о котором говорится в сообщении Института ядерной физики, относится к категории черенковских детекторов. Они определяют скорость (а с ней и энергию) частиц по характерному свечению, испускаемому ими. Эффект Черенкова заключается в том, что когда частица движется в среде быстрее, чем скорость света в этой же среде, то она генерирует своеобразную «ударную волну», которую мы видим как свет. Конус «разлета» этой волны как раз и зависит от скорости частицы. Черенковское свечение можно наблюдать в активных зонах ядерных реакторов, а на свечении высокоэнергетических космических частиц даже построены специальные телескопы.
Для будущей Супер чарм-тау фабрики физики разработали черенковские кольцевые детекторы (RICH) на основе фокусирующего аэрогеля. Они состоят из двух частей: светочувствительной матрицы и четырехслойного аэрогеля, в котором происходит генерация черенковского излучения.
Аэрогели — это очень пористые материалы с очень низкой плотностью. Если извлечь из аэрогеля весь воздух и заменить его на гелий, то можно добиться того, что этот твердый материал будет легче воздуха. Подробнее об аэрогелях можно прочитать в материале «Пять стихий: воздух». Используя многослойный аэрогель, в котором разные слои обладают различными коэффициентами преломления (и скоростями света в среде) ученые добиваются увеличения пространственного разрешения детекторов, по сравнению с однослойными аэрогелями, а значит увеличивают точность их работы.
Как отмечают специалисты Института ядерной физики СО РАН, такой четырехслойный аэрогель умеют производить лишь в Институте катализа имени Борескова СО РАН. На сегодняшний день прототипы таких четырехслойных детекторов уже протестированы на протонном синхротроне в CERN и на электронном пучке ускорителя ВЭПП-4М (ИЯФ СО РАН).
Стоит заметить, что детекторы на основе аэрогеля уже сейчас применяются в экспериментах по физике элементарных частиц. К примеру, «новосибирский» аэрогель сейчас используется в детекторе эксперимента КЕДР на коллайдере ВЭПП-4М, а также в детекторе AMS02, установленном на Международной космической станции. Ранее аэрогель также использовался в эксперименте LHCb Большого адронного коллайдера.
Владимир Королев
Эксперименты с проверкой мартовского рекорда прошли научное рецензирование
Китайские физики попытались воспроизвести результаты по комнатной сверхпроводимости в легированном азотом гидриде лютеция при умеренном давлении, опубликованные в марте этого года их американскими коллегами. И хотя в новых экспериментах ученые увидели характерное изменение цвета, полученное их предшественниками, никаких признаков сверхпроводимости они не нашли. Ранее статья с результатами проверки была доступна лишь в виде препринта, но сейчас она прошла рецензирование и вышла в Nature. В марте этого года группа Ранги Диаса из Рочестерского университета опубликовала статью в журнале Nature, в которой утверждалось, что физики смогли получить комнатную сверхпроводимость при давлении в десять килобар для гидрида лютеция, легированного азотом. Это существенно меньше, чем предыдущий рекорд — миллион с лишним атмосфер, при которых сверхпроводит гидрит лантана при температуре, близкой к комнатной. В случае подтверждения другими группами результат группы Диаса существенно продвинет прогресс в поисках сверхпроводимости при более доступных для практического использования условиях. Авторы этой работы известны не только своими достижениями, но и пристальным вниманием коллег, которое привело к отзыву их предыдущей статьи. Тогда речь шла о сверхпроводимости твердого материала на основе сероводорода H3S и метана CH4 при 15 градусах Цельсия и 1,4 миллиона атмосфер. Подробности этой истории читайте в материале «Под давлением». Новое достижение группы Диаса тут же было подвергнуто тщательной ревизии и перепроверке со стороны других групп, в том числе и экспериментальных. Часть физиков, к примеру, смогла увидеть характерное изменение цвета материала при изменении давления, но никто пока так и не обнаружил сверхпроводимости в гидриде лютеция, легированного азотом. До этого момента все попытки повторить результат группы Диаса представлены лишь в виде препринтов, то есть статей, не прошедших рецензирование. Первыми, кому удалось попасть на страницы крупного научного журнала, стали физики из университета Нанджунга под руководством Хайя Ху Вэня (Hai-Hu Wen). Метод, которым китайские физики синтезировали легированный азотом гидрид лютеция, слегка отличался от метода группы Диаса. Тем не менее, рентгеноструктурный анализ и рамановская спектроскопия подтвердили, что все три образца, изготовленные авторами, имеют ту же структуру с едва заметным отличием в постоянной решетки. Эксперименты при высоких давлениях подтвердили эффект изменения цвета: с темно-синего через фиолетовый к розовому. Однако это у группы Хайя Ху Вэня это произошло при куда большем давлении — в диапазоне 2–41 гигапаскаля против 10–320 мегапаскалей у группы Диаса. Авторы исследовали в этом диапазоне проводимость и намагниченность, но не нашли свидетельств сверхпроводимости вплоть до двух кельвин — образец демонстрировал металлические свойства. Но вряд ли новая публикация напрямую приведет к отзыву предыдущей — такое возможно, только если она поможет найти методологические ошибки. Это не первый случай в физике, когда результаты исследований, опубликованные в престижнейших научных журналах, противоречат друг другу. Совсем недавно такое произошло в физике элементарных частиц: масса W-бозона, измеренная с помощью данных с Тэватрона, существенно отличилась от таковой, измеренной на БАКе. Обсуждению этой ситуации посвящен материал «Камешек в ботинке».