Очаровательная «матрешка» для коллайдера: предложения ученых СПбГУ вошли в обновленную Европейскую стратегию по физике частиц

Совет Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) согласовал новую Стратегию по физике частиц, определяющую перспективные направления международных исследований в области физики высоких энергий, — документ, объединяющий и координирующий действия тысяч ученых из десятков стран мира. В обновленную стратегию вошли и предложения физиков Санкт-Петербургского государственного университета.

Ученые лаборатории физики сверхвысоких энергий СПбГУ вместе с коллегами по международной научной коллаборации ALICE готовят новый этап работ в масштабном эксперименте по изучению кварк-глюонной плазмы — особого состояния сверхгорячей и сверхплотной материи, в котором находилась ранняя Вселенная в первые микросекунды после Большого взрыва. Новые возможности прямой регистрации в столкновениях тяжелых ионов на Большом адронном коллайдере частиц, содержащих тяжелые, так называемые очарованные кварки, существенно расширят горизонты будущих фундаментальных исследований.

Данная стратегия — очень интересный пример того, как огромное научное европейское сообщество — коллектив единомышленников, занимающихся фундаментальными проблемами ядерной физики и физики высоких энергий, выбирает, организует и координирует направления своих работ.

Заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, доцент кафедры высоких энергий и элементарных частиц СПбГУ Григорий Феофилов

«Это и фундаментальные, и прикладные исследования по субатомной физике, приложения для медицины и биологии, приборы для астрофизики и космоса, новые материалы, информационные технологии, популяризация науки и образовательные программы. Каждая организация занимается работой, которая складывается в одну большую картину, с помощью чего человечество — не только в области фундаментальной физики, но и во многих других аспектах — движется вперед», — отмечает заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, доцент кафедры высоких энергий и элементарных частиц СПбГУ кандидат физико-математических наук Григорий Феофилов.

С 1992 года ученые СПбГУ стали активными участниками этого сообщества. Тогда на мировой арене обсуждений будущего эксперимента по столкновениям ультрарелятивистских ядер победили наши предложения по двум центральным системам ALICE, и мы с тех пор активно участвуем в работе ЦЕРН.

Заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, доцент кафедры высоких энергий и элементарных частиц СПбГУ Григорий Феофилов

От конкурса идей 1992 года до ввода в работу Внутренней трековой системы — самой центральной части установки ALICE, окружающей точку встречи пучков ионов коллайдера, прошло 16 лет. Далее это «сердце» ALICE в течение 10 лет обеспечивало на Большом адронном коллайдере получение уникальных данных, в том числе по регистрации странных и мультистранных гиперонов — частиц, содержащих странные кварки, появление которых является одним из сигналов образования кварк-глюонной плазмы. Новые предложения СПбГУ, направленные для включения в стратегию, обеспечат возможность исследовать процессы рождения очарованных кварков, что неоценимо для изучения свойств образующейся кварк-глюонной материи.

Установка ALICE — это гигантский физический прибор размером с многоэтажный дом высотой 16 метров и длиной 26 метров.

Заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, доцент кафедры высоких энергий и элементарных частиц СПбГУ Григорий Феофилов

«Весь эксперимент состоит из примерно 20 разных детектирующих систем и выглядит как русская матрешка, и первая куколка, которая сидит в серединке, — самая сложная. Это и есть Внутренняя трековая система, к которой предъявлялись самые высокие, более того, взаимоисключающие, жесткие требования. И вот как раз эту задачу решала в 1992 году петербургская группа. А сегодня выдвигаются идеи, которые позволят на новом уровне регистрировать события, в которых рождается очарование — частицы, содержащие очарованные кварки. Мы предлагаем следующий, уже третий мировой рекорд по радиационной прозрачности для этой самой центральной, новой "очаровательной" куколки установки ALICE. Если сравнить ALICE с микроскопом, то наша трековая система — это самые первые линзы, самые прозрачные и качественные», — рассказывает Григорий Феофилов.

В работе вместе с учеными принимают участие студенты и аспиранты СПбГУ. Проект, над которым исследователи уже начали работу, планируется реализовать к 2024 году. После этого новая трековая система будет работать в рамках эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере примерно пять лет. В частности, с помощью системы, разработанной учеными и студентами СПбГУ, в эксперименте ALICE на Большом адронном коллайдере будут проводиться измерения выходов очарованных кварков в столкновениях ультрарелятивистских протонов и ядер, изучаться различные корреляции с участием странных и очарованных частиц, исследоваться особенности механизмов множественного рождения частиц и решаться другие фундаментальные задачи.

«Это следующий важный шаг, который позволяет продвинуться дальше в фундаментальных исследованиях. А попутно могут возникнуть разные приложения для практического применения», — подчеркивает Григорий Феофилов.

Предложения для включения в Европейскую стратегию по физике частиц от ученых всего мира сегодня собраны в Physics Briefing Book, а публикация обновленного документа планируется на сайте CERN в ближайшие месяцы.

Среди прикладных направлений, отмеченных в стратегии, — адронная терапия и радионуклидная диагностика онкологических заболеваний, а также развитие информационных технологий. Григорий Феофилов отметил, что эти направления все годы были и в фокусе внимания в СПбГУ: «Исследования физики высоких энергий помогают медицине и дают новые эффективные методы как в диагностике, так и в лечении: например, адронная терапия — прорывные технологии воздействия на локализованные опухоли и на метастазы. Локализованные опухоли можно прицельно обстреливать протонами или ионами углерода с минимальными побочными эффектами — адронная терапия широким фронтом сегодня развивается в Европе и Японии. А небольшое облучение широким пучком с небольшими дозами позволяет стимулировать иммунную систему человека так, что она сама справляется с метастазами. Кроме того, радионуклидная диагностика и позитронно-эмиссионная томография — на сегодня это самые высокоточные способы выявления ранней онкопатологии. Третье приложение — новейшие информационные технологии, которые и у нас в Университете работают уже более 15 лет: это российский сегмент мировой вычислительной сети Grid, которая обеспечивает хранение и обработку больших данных, получаемых на адронном коллайдере».

Одним из важнейших аспектов работы ученый назвал преемственность в формировании петербургской школы физиков, которая остается одной из лучших в мире. «Например, мы уже в течение последних десяти лет получаем в эксперименте ALICE материю в экстремальном состоянии с температурой в 100 тысяч раз выше, чем температура в центре Солнца — и эту материю изучают студенты и аспиранты СПбГУ. Наши студенты занимаются анализом новейших и уникальных экспериментальных данных, теоретическими моделями. И это важно как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точки зрения образования — на этой самостоятельной исследовательской работе ребята растут. Это университетский стиль, это традиция, и так было всегда, и я так же рос в свое время, занимаясь экспериментом на циклотроне Ленинградского университета. То знание, которое получается нашими руками сегодня, и его понимание проецируются на будущее науки», — подчеркивает Григорий Феофилов.