Новая физика в квадрате: Александр Сергеев рассказал о синергии установок мегасайенс в Сарове

«Якорные проекты класса мегасайенс позволят сделать Национальный центр физики и математики уникальным не только в масштабах нашей страны, но и для всего мира», – отметил президент РАН Александр Сергеев, выступая с лекцией «Супер с-тау фабрика и XCELS» в рамках визита во ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ (Федеральное государственное унитарное предприятие Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики – Ред.) в Сарове.

По мнению главы РАН, среди перспективных установок класса мегасайенс для НЦФМ сейчас выделяются три: первая – это современная вычислительная машина с рекордной производительностью, которая основана на обработке информации с помощью фотонов – фотонный компьютер, вторая – Супер с-тау фабрика на основе электрон-позитронного коллайдера и третья – XCELS – создание лазера с рекордной высокой пиковой мощностью.

Александр Сергеев напомнил, что в РФ в 2011 году в результате конкурса было отобрано 6 проектов класса мегасайенс: реактор ПИК в Гатчине, коллайдер тяжелых ионов НИКА в Дубне, синхротрон 5 поколения, токамак с сильным магнитным полем. Два последних – Супер с-тау фабрика и XCELS – предлагается разместить в Национальном центре физики и математики в Сарове.

«Стандартная модель элементарных частиц и их взаимодействий, принятая в науке, дает нам до определенной глубины понимание мироустройства, и в этом есть некая степень завершенности. С другой стороны, уже давно известно, что в рамках стандартной модели не описываются некоторые явления природы. Соответственно, обнаружение в эксперименте различных особенностей, которые не укладываются в стандартную модель, и понимание того, в каком направлении ее надо расширять – задача, которая сейчас, по-видимому, является основной в физике, с точки зрения более глубокого понимания строения мира», – отметил глава РАН. По словам Александра Сергеева, это абсолютно фундаментальная задача, и ее пытаются решать на разных ускорительных комплексах, в том числе и на электрон-позитронных коллайдерах.

«У всех на слуху „фабрика Хиггса” (проект ускорителя для получения бозонов Хиггса с высокой производительностью – Ред.), но аналогичные фабрики для производства других частиц существуют давно, и первой из них был электрон-позитронный коллайдер в ЦЕРНе гигантского размера – кольцо длиной 27 километров. Затем он был превращен в знаменитый Большой адронный коллайдер. В нем происходят столкновения тяжелых частиц с гораздо большей энергией, в результате чего рождается множество самых разнообразных частиц, среди которых обнаруживаются и новые. Задача коллайдеров-фабрик другая. Энергия сталкивающихся электронов и позитронов относительно небольшая и продукты этих столкновений известны. Важно, чтобы таких столкновений было как можно больше для наработки статистики возможных отклонений от стандартной модели, а для этого коллайдер должен обладать высокой светимостью», – пояснил Александр Сергеев.

Именно на таком принципе основаны коллайдеры, которые работают с c-кварками, или очарованными кварками (англ. charm – Ред.) или b-кварками, например, коллайдер в Пекине или японский SuperKEKB.

«На 2030–40-е годы намечена реализация супер-задачи – создание так называемого Будущего циклического коллайдера (Future Circular Collider) в ЦЕРНе. Этот проект придет на смену Большому адронному коллайдеру, но кольцо будет гораздо большего размера – планируется строительство тоннеля длиной порядка 100 километров, где сначала будут сталкиваться пучки электронов и позитронов, а потом – как это было с первым коллайдером – его переоборудуют для столкновения тяжелых частиц – протон-протонных пучков», – рассказал Александр Сергеев.

В настоящий момент, как фабрика с-кварков работает Пекинский электрон-позитронный коллайдер – его светимость составляет 10³³ частиц/см²·с. «Это на два порядка меньше, чем должно быть в Супер с-тау фабрике, где мы планируется достичь 10³⁵. И здесь мы подходим к вопросу, который 10 лет назад даже еще не обсуждался, а именно – к синергии двух установок – Супер c-тау фабрики и XCELS», – отметил глава РАН.

Цель проекта XCELS (Exawatt Center for Extreme Light Studies) – создание лазерного комплекса с относительно небольшой энергией лазерного импульса, но очень короткой длительностью – на уровне 10, 20, 30 фемтосекунд. «В результате будет достигаться очень высокая пиковая мощность, и речь пойдет о сверхсильных полях, поскольку интенсивность – это электрическое поле в квадрате. И здесь есть своя новая физика – прежде всего, физика вакуума. А для многих исследователей представляет большой интерес использовать поля с гигантской интенсивностью для того, чтобы изучить в эксперименте квантовую структуру вакуума», – говорит Александр Сергеев.

По его мнению, наличие двух уникальных установок в одном центре, причем каждая из которых рассчитана на новую физику, заставляет задуматься – а не будет ли это «новая физика в квадрате»? «Предварительные обсуждения показывают, что если мы сумеем столкнуть электроны с энергией 2–3 ГэВ, которые мы будем получать на С-тау фабрике с мощным – даже не экзаваттным, а на несколько порядков меньшим излучением, то получим сильнейший нелинейный эффект Комптона (рассеяние электромагнитного излучения на свободном электроне, сопровождающееся увеличением частоты излучения – Ред.), который даст нам фотоны с энергиями в десятки, сотни ГэВ. Что это за фотоны? Пока мы их знаем как „прилетающие из космоса”, а здесь мы будем иметь возможность в лаборатории получать, смотреть, исследовать такой источник. Даже такое пересечение, такая синергия представляет интерес. Но есть много других возможностей взаимодействия этих двух установок», – подчеркнул Александр Сергеев.

Глава РАН отметил, что при поддержке научного сообщества, в частности, сибирских ученых, удастся достичь мирового лидерства в этой области. «Пока нам неизвестно, что в планах каких-то стран создание таких комплексов – одновременно мощных ускорителей электронов и сверхмощных лазеров», – акцентировал Александр Сергеев.

Кроме того, по словам президента РАН, создание любой установки класса мегасайенс связано с применением уникальных подходов, новейших материалов, передовых технологий, а значит – «подтягивает» развитие смежных индустрий, что также расширяет сферу применения. «Одно перечисление уникальных материалов, которые нужны для того, чтобы сделать сверхпроводники, или задач для отечественной СВЧ-электроники для создания ускорителей позволяет сделать вывод, что проделанная работа окупится. Мегасайенс – это не только возможность узнать секреты мироздания, строительство установок подстегивает развитие современных технологий в стране», – подчеркнул Александр Сергеев.