Эксперимент H1

Цели и задачи эксперимента Н1

Материя, пространство и время - самые фундаментальные понятия в окружающем нас материальном мире. Поэтому, познание их свойств и внутреннего строения всегда являлось одной из главных задач, стоящей перед человечеством. Мы знаем, что материальные объекты обладают внутренней упорядоченностью и системной организацией. Современные границы познания структуры материи простираются от 10^-16 см до 10²⁸ см. Эксперимент Н1 на электрон-протонном коллайдере HERA нацелен на исследование внутреннего устройства обЪъектов материального микромира на минимально доступных масштабах расстояний.

Для исследования структуры материи следует простейшую частицу направлять на частицу более сложную, структура которой неизвестна. Этот метод впервые использовал Э. Резерфорд в 1911 году, когда α-частицу стал рассеивать на атоме и обнаружил атомное ядро. Эксперимент Н1, в каком-то смысле, повторяет эксперимент Резерфорда, только роль α-частиц в Н1 играют электроны, а роль исследуемого атомного ядра - самые простейшие атомные ядра водорода (протоны). Есть еще два принципиально важных отличия эксперимента Н1 от опыта Резерфорда.

1. Энергия столкновения частиц на ускорителе HERA в сто тысяч раз больше, чем в опытах Резерфорда по рассеянию α-частиц. Благодаря такому увеличению энергии, эксперимент Н1 позволяет изучать внутреннюю структуру материи на предельно доступных малых размерах 10^-16 см.
2. Э.Резерфорд изучал упругое рассеяние α-частиц на ядрах золота. Упругое рассеяние на протонах позволяет лишь получить информацию о размерах протона и усредненное распределение заряда и магнитного момента в нем. По современным представлениям протоны собраны из кварков и, связывающих их глюонов. Но в силу непонятных еще науке причин эти субчастицы в свободном состоянии не наблюдаются. Поэтому, каждый раз, когда в эксперименте Н1 происходит рассеяние электрона на протоне, протон разбивается, разлетаясь на множество новых частиц. Такое рассеяние называется глубоко-неупругим.

Как выглядит глубоко-неупругое рассеяние в детекторе Н1 показано на рисунке ниже.

Существенное различие в энергии между опытом Резерфорда и экспериментом Н1 обуславливает существенное различие в размерах этих двух экспериментальных установок. Если Э.Резерфорду было достаточно небольшого свободного места на письменном столе, то габариты детектора Н1 превышают хороший трехэтажный дом.

Детектор Н1

Событие глубоко-неупругого рассеяния в детекторе Н1

Основные научные открытия, сделанные в эксперименте Н1

Рис. Распределения кварков и глюонов в протоне в зависимости
от переносимой ими доли импульса протона (x).

Таких открытий было сделано два:

1. Оказалось, что плотности кварков и глюонов резко возрастают на малых расстояниях внутри протона. То есть, если основную долю импульса протона несут только три его валентных кварка (u, u, d), то ничтожно малые доли его импульса делит между собой гигантское количество глюонов и кварков всех сортов. И чем меньше эта доля, тем больше их в протоне наблюдается. Природа этого неожиданного и загадочного явления абсолютно непонятна.
2. В глубоко-неупругом рассеянии электронов на протонах были обнаружены диффракционные явления. Причем вероятность таких диффракционных процессов оказалась на уровне вероятности диффракционного рассеяния адронов. Это неожиданное открытие указывает на то, что во внутренней стуктуре протонов образуются независимые бесцветные (и потому слабосвязанные с самим несущем их протоном) материальные кластеры неизвестной природы. Происхождение и динамика этих загадочных кластеров-частиц пока не выяснена. Однако, несомненно, что их существование тесно связано с явлением конфайнмента, которое пока также ждет своего объяснения. Эти новые виртуальные состояния материи были названы Померонами в честь физика-теоретика, академика АН СССР И.Я.Померанчука, работавшего в ИТЭФ.

Эти важные открытия были сделаны одновременно с параллельным экспериментом, также работающим на ускорителе HERA - ZEUS. Кроме этих двух открытий, в эксперименте Н1 было сделано много других измерений, наблюдений и более узкоспециализированных научных работ, которые опубликованы более чем в 100 научных статьях.

Материальный вклад группы ИТЭФ в создание установки Н1

Сборка калориметра SPACAL в Н1

Создание Установки Н1 началось в 80-е годы прошлого столетия. На протяжении многих лет детектор Н1 модернизировался. В ИТЭФ были созданы одни из наиболее важных приборов детектора - калориметры. Калориметры измеряют полную энергию попадающей в него частицы. Среди калориметров, собранных в ИТЭФ:

• часть жидкоаргонового адронного калориметра;
• задний адронный калориметр "SPACAL";
• передний нейтронный калориметр;
• тороидальный магнит.

Создание одного только тороидального магнита для измерения импульсов мюонов оценивается, как материальный вклад, эквивалентный одному миллиону немецких марок.

Кроме того группа ИТЭФ внесла наиболее важный интеллектуальный вклад в Н1, который неизменно показывают на любом выступлении участников международной коллаборации на научных конференциях. Мы создали логотип сотрудничества Н1.

Статус современных работ в коллаборации и планы

В настоящее время сбор данных детектора Н1 прекращен и идет работа с уже имеющимся накопленным объемом данных. Эти данные обрабатываются участниками сотрудничесива Н1 и с их помощью решаются очередные, поставленные научные задачи. Кроме того, важной задачей является сохранение этих данных и разработка новых программных инструментов, которые позволили бы в будущем воспользоваться этими данными любому физику-экспериментатору (а может быть даже и теоретику) для решения новых задач.

В эксперименте Н1 были решены многие научные проблемы и мы сейчас знаем гораздо больше о внутреннем устройстве материи, чем раньше. Однако, конкретная внутренняя структура протона остается не раскрытой. Гипотеза кварков, как фундаментальной основы элементарных частиц, также не привела к установлению конкретной внутренней структуры протона. Кварковая модель была предложена для объяснения многообразия адронов. Она ничего не говорит явным образом о внутреннем строении какой-либо из этих частиц. До сих пор отсутствует понимание, на каких принципах строится механизм формирования структуры протона. Из-за этого не находит количественного объяснения природа его массы и спина. Наш мир своим существованием обязан протону, однако уровень знаний о нем не соответствует его роли в мироздании. Поэтому, важно продолжать исследования, важный вклад в которые был сделан и продолжает делаться в эксперименте Н1.

Более подробную информацию о детекторе, эксперименте и сотрудничестве можно получить на домашней странице Н1.