ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ПРОЕКТ СУПЕР-ЧАРМ-ТАУ-ФАБРИКИ В НОВОСИБИРСКЕ
(© 2013 г. А. Е. Бондарь* (от имени Коллаборации проекта Супер-чарм-тау-фабрики1))
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск; Новосибирский государственный университет, Россия Поступила в редакцию 03.04.2012 г.; после доработки 09.06.2012 г.
Проект Супер-чарм-тау-фабрики разрабатывается в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (г. Новосибирск). Коллайдер на встречных электрон-позитронных пучках будет работать в области энергий от 2 до 5 ГэВ в с.ц.м. с беспрецедентно высокой светимостью 1035 см-2 с-1 и продольной поляризацией электронов в месте взаимодействия пучков. Основная цель экспериментов на Супер-чарм-тау-фабрике — изучение процессов рождения и свойств очарованных кварков и тау-лептонов. Высокая светимость установки позволит получить на 3—4 порядка большую статистику исследуемых процессов, чем в любом другом, проводившемся до сих пор, эксперименте. Предполагается, что эксперименты на этой установке будут чувствительны к новым физическим эффектам, не описываемым стандартной моделью. Исследования, планируемые на Супер-чарм-тау-фабрике, дополняют будущие эксперименты на строящихся Супер-В-фабриках в Италии и в Японии.
DOI: 10.7868/S0044002713090031
1. ВВЕДЕНИЕ
В девяностые годы прошлого столетия в лабораториях мира, занимающихся исследования-
* E-mail: A.E.Bondar@inp.nsk.su
В.В. Анашин, В.М. Аульченко, Е.М. Балдин, А.К. Бар-ладян, А.Ю. Барняков, И.Ю. Басок, О.Л. Белобородова, А.Е. Блинов, В.Е. Блинов, А.В. Бобров, В.С. Бобров-ников, А.Г. Богданчиков, А.В. Богомягков, А.А. Боро-денко, А.В. Брагин, А.Р. Бузыкаев, A.R Винокурова, П.Д. Воблый, ГВ. Воднев, A^. Воробьёв, В.С. Воробьёв, Н.И. Габышев, А.Ю. Гармаш, С.А. Глухов, В.Д. Голубев, Д.Н. Григорьев, В.Р. Грошев, Д.В. Гусев. Н.С. Диканский, Т.В. Димова, А.М. Долгов, В.П. Дружинин, Ф.А. Еманов, Д.А. Епифанов, Е.С. Ершов, В.Н. Жилич, В.В. Жуланов, A.C Зайцев, ^В. Золотарёв, С.В. Карпов, П.В. Касья-ненко, В.Ф. Казанин, Е.К. Кенжебулатов, В.И. Хазин, С.В. Хрушев, В.А. Киселев, В.И. Кокоулин, В.В. Колмогоров, С.А. Кононов, И.А. Кооп, А.А. Король, Е.А. Кравченко, А.А. Краснов, П.П. Кроковный, В.Н. Кудрявцев, А.С. Кузьмин, В.Ф. Куликов, Г.Н. Кулипанов, Е.А. Купер, ГЯ. Куркин, А.Е. Левичев, Е.Б. Левичев, Р.Н. Ли, П.В. Логачев, Д.В. Матвиенко, А.С. Медведко, Н.А. Мезенцев, А.И. Мильштейн, АА. Морозов, Н.Ю. Мучной, CA. Никитин, И.Б. Николаев, И.Н. Окунев, А.П. Онучин, С.Б. Орешкин, АА. Осипов, A.Q Осипов, A^. Отбоев, A3. Петренко, M3. Петриченков, В.В. Петров, ПА. Пи-минов, A.O. Полуэктов, A3. Полянский, В.Г Присекин, ЮА. Пупков, ВА. Родякин, TA. Савинов, С.И. Середняков, С.В. Синяткин, И.В. Сидоров, К.Ю. Сковпень,
A.R Скринский, В.В. Смалюк, А.А. Соколов, А.В. Соколов, E3. Старостина, A.M. Сухарев, A.A. Талышев,
B.И. Тельнов, ЮЮА. Тихонов, ВЖ Титов, Ю.В. Усов, В.С. Фадин, В.Л. Черняк, В.Я. Чудаев, И.Н. Чур-кин, Ю^. Шатунов, Д.Н. Шатилов, ВЗ. Шебалин,
ми по физике высоких энергий, рассматривалось несколько проектов ст-фабрик. Все эти установки планировались на энергию пучка 1—3 ГэВ и пиковую светимость около 1033 см-2 с-1 [1—7]. В Новосибирске также разрабатывался проект е+е--коллайдера с круглыми пучками, рассчитанный на светимость 1034 см-2 с-1 [8]. Для изучения узких резонансов рассматривались различные варианты монохроматизации энергии столкновения частиц и возможности получения поперечно-
Л.И. Шехтман, С.Н. Шмаков, ДА Штоль, A.И. Шу-шаро, БА. Шварц, С.И. Эйдельман, Ю.И. Эйдельман, Л.Б. Эпштейн, Ю.В. Юдин, A.Н. Юшков, А.Ф. Данилюк, Н.Н. Ачасов, И.Ф. Гинзинбург, ГН. Шестаков, Г.Л. Кот-кин, И.Б. Логашенко, ДА. Максимов, O.И. Мешков, ИЮ. Орлов, В.Г Сербо, Ю.И. Сковпень, A.Г Харламов, M.Ю. Барняков, С.Г. Пивоваров, A.В. Арфеев, T.A. Аушев, М.В. Данилов, Д.Р. Ливинцев, Р.В. Мижук, ГВ. Пахлова, П.Н. Пахлов, В.Ю. Русинов, Е.И. Соловьёва, E.И. Тарковский, И.Н. Тихомиров, ТВ. Углов, K.A. Чиликин, Р.Н. Чистов, И.Р. Бойко, Д.В. Дедович, ЮА. Нефедов, A.С. Жемчугов, В.Л. Голотцов, Н.В. Грузинский, ВА. Никонов, A.В. Саранцев, Л.Н. Уваров, ВА. Щегельский, В.И. Яцуро, A.Ю. Логинов, В.Н. Сти-бунов, ХЛ. Каравичева, E.В. Карпешев, A.Б. Курепин, A.Н. Курепин, В.И. Разин, A.И. Решетин, Н.С. То-пильская, ДА. Финогеев, E.A. Ющенко, А.А. Левченко, А.А. Соколов, В. Смахтин, М. Брако, С. Корпар, Б. Голоб, Р. Пестотник, М. Старик, П. Кризан, Д. Бабусчи, Г. Венан-зони, М. Зобов, А. Лузиани, М. Масколо, Д. Морисиани, Х. Кжижиц, A. Джегерлехнер.
поляризованных частиц (для точной калибровки энергии).
Единственным практически реализованным проектом из "семейства" ст-фабрик 90-х годов в настоящее время является коллайдер BEPC II, запущенный в 2009 г. в Пекине в лаборатории IHEP [9], с запланированной пиковой светимостью 1033 см-2 с-1. Возрождение интереса к рассматриваемой тематике и начало работ по проекту Супер-чарм-тау-фабрики в ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН связано с выдающимися результатами по изучению нарушения комбинированной четности в распадах Б-мезонов, полученными на Б-фабриках в лабораториях КЕК (Япония) и SLAC (США), которые увенчались присуждением в 2008 г. Нобелевской премии по физике М. Кобаяси и Т. Маскаве. Несмотря на то что высокая светимость Б-фабрик позволила получить интересные результаты и в области энергий ст-фабрик, создание коллайдера-фабрики, нацеленного на изучение физики очарованных частиц и тау-лептона, по-прежнему является чрезвычайно актуальным вопросом.
Рост интереса к созданию ст-фабрики следующего поколения был также вызван открытием принципиально нового метода встречи пучков в электрон-позитронном коллайдере, который позволяет поднять светимость по сравнению с существующими фабриками на два порядка без существенного увеличения интенсивности пучков, размеров установки или уменьшения длины сгустка. Идея была высказана итальянским физиком Рай-монди [10] в 2006 г. в связи с изучением возможности создания Б-фабрики с высокой светимостью. Позже метод был строго обоснован в совместных работах Раймонди, Зобова (INFN/LNF, Фраскати) и Шатилова (ИЯФ, Новосибирск) [11, 12]. Новый подход получил английское название "Crab-Waist Collision with Large Piwinski Angle" (Crab Waist или CW-метод встречи), которое может быть переведено на русский язык как "встреча пучков под большим углом Пивинского с разворотом перетяжки (минимума вертикальной бетатронной функции) в месте встречи". В настоящий момент CW-метод встречи используется в проектах Супер-Б-фабрик в Италии и Японии (KEKB).
Основными задачами предлагаемого проекта являются: прецизионное изучение процессов рождения с-кварков и т-лептонов, прецизионная физика очарованных частиц, поиск четырех- и пя-тикварковых состояний, глюболов, гибридных и других экзотических состояний и исследование их свойств. Статистика, набранная на Супер-чарм-тау-фабрике, на 3—4 порядка превысит объем данных, доступный для анализа в настоящее время.
Это позволит существенно продвинуться в изучении таких явлений, как СР-нарушение в распадах ^-мезонов, т-лептона, а также провести поиск нарушения законов сохранения лептонного числа и аромата в распадах т-лептона.
2. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРОГРАММА
Основной целью экспериментов на Супер-чарм-тау-фабрике является изучение процессов с с-кварками и т-лептонами в конечном состоянии со статистикой, на 3—4 порядка превышающей сегодняшнюю, накопленную в экспериментах CLEO (США) и BES II (Китай). На Супер-чарм-тау-фабрике со светимостью 1035 см-2 с-1 интегральную светимость в 1.5 абн-1 можно накопить в течение полугода непрерывной работы и произвести примерно 109 т-лептонов, 109 D-мезонов и фантастическое число 1012 J/0-мезонов. Такая статистика позволит провести систематическое изучение практически всех состояний, рождающихся из распадов т-лептона, D- и сс-мезонов и состоящих из кварков первых двух поколений (и, d, s и с), включая поиск "экзотических" состояний.
Некоторые теоретические модели теории сильных взаимодействий в дополнение к обычным мезонам и барионам, состоящим из двух и трех кварков соответственно, предсказывают наличие четырех-и пятикварковых состояний, а также связанных состояний, в состав которых входят глюоны, переносчики сильного взаимодействия [13]. Такая связь возможна из-за того, что глюоны, в отличие, например, от электрически нейтрального переносчика электромагнитных взаимодействий фотона, обладают сильным или цветовым зарядом. КХД предсказывает как гибридные кварк-глюонные состояния, так и состояния, состоящие только из глюонов, глюболы. Гибриды и глюболы представляют собой совершенно новую форму материи, которая может формироваться только в сильных взаимодействиях. Одной из задач Супер-чарм-тау-фабрики является обнаружение экзотических состояний и изучение их свойств.
Большая статистика D-мезонов, очарованных барионов и т-лептонов позволит непосредственно подступиться к исследованию принципиально новых явлений, таких, как несохранение лептонного числа, CP-нарушение в системе очарованных ад-ронов и распадах т-лептонов.
Структурно физическую программу для Супер-чарм-тау-фабрики можно разделить на следующие подразделы: чармоний, спектроскопия состояний из легких кварков, физика D-мезонов, физика очарованных барионов, физика т-лептона, измерение сечения e+e- — адроны и двухфотонная физика.
Таблица 1. Количество векторных сс-мезонов, которое можно будет произвести на Супер-чарм-тау-фабрике при интегральной светимости —1.5 абн-1
.7/0 ДО) -0(3770) 0(4040) 0(4160) 0(4415)
М [ГэВ] 3.097 3.686 3.771 4.039 4.153 4.421
Г [МэВ] 0.093 0.337 23 80 100 62
а [нбн] -1450 -400 -6 -10 -6 —4
¿[фбн-1 800 250 400 10 20 25
N 1012 1011 2 х 109 108 108 108
2.1. Чармоний
Непосредственно в е+е--столкновениях рождаются векторные (3рс = 1 ) мезоны: 3/ф, ф(2Б), '(3770) и т.д.
В табл. 1 приведено количество 1 -мезонов, которое можно будет произвести на Супер-чарм-тау-фабрике при интегральной светимости 1.5 абн-1. Для оценки физических сечений были использованы результаты работ [14—16].
В радиационных распадах 3/ф- и ф(25)-мезонов [14] может быть получено по 1010 Хс.1 -и ^с-мезонов. Около 108 Нс-ме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.