Лаборатория мезонной физики
(см. Историю Лаборатории мезонной физики - в книге "ОФВЭ – страницы истории", страницы 60 и 110). (Фотогалерея Лаборатории мезонной физики).
Лаборатория Мезонной Физики (ЛМФ) была официально образована в 1963 г. В то время она называлась сектором "Мезоны и мезоатомы" - в ПИЯФ (в то время ПИЯФ был филиалом Физико-Технического Института им. А.Ф. Иоффе (ЛФТИ)), существующее название Лаборатория мезонной физики получила в 1986 году.
В период с 1963 по 2002 гг. Лабораторию возглавлял Сергей Павлович Круглов, который был инициатором создания Лаборатории и её постоянным лидером. В конце 2002 года заведующим Лабораторией стал Викторин Владиславович Сумачёв.
В 2020 году ЛМФ воссоединилась с Лабораторией мезонной физики конденсированных сред (ЛМФКС), которая была сформирована в 1986 году сначала как группа, входящая в состав "Лаборатории мезонной физики" под руководством С.П. Круглова, а затем и как самостоятельное подразделение во главе с В.П. Коптевым ( подробнее о нем читайте в статье "Вся жизнь - служению науке").
С 2012 года ЛМФКС руководил С.И. Воробьев. Интервью с и.о. заведующего лабораторией мезонной физики конденсированных сред С.И. Воробьевым:
смотреть ( https://yadi.sk/i/b7Pn5O6SUpYpA ),
читать (http://www.pnpi.spb.ru/win/press/docs/140627-1.pdf ).
Изначально за лабораторией были закреплены два направления исследований:
- изучение магнитных свойств различных веществ при помощи µSR -метода,
проводимых на пионном и мюонном каналах СЦ ПИЯФ; - изучение рождения мезонов и гиперонов в протон-нуклонных и протон-ядерных
соударениях (до 1989 года на синхроциклотроне (СЦ) ПИЯФ, а в настоящее время на спектрометре ANKE (Juelich, Германия) в рамках международного сотрудничества ПИЯФ-COSY.
Лаборатория мезонной физики была создана в то время, когда шли горячие обсуждения научной программы экспериментов на ускорителе, который строился на площадке ПИЯФ в 60-е годы. И изучение пион-нуклонного взаимодействий на пионном канале синхроциклотрона ПИЯФ было выбрано в то время приоритетным научным направлением Лаборатории.
После 1969 года ученые и инженеры Лаборатории приняли активное участие в создании и настройке пионного канала и в исследовании его характеристик. Пионный канал позволяет получать интенсивные (до 105–106 1/сек.) пучки отрицательных и положительных пионов с энергией до 650 МэВ. Первые физические измерения на пионном канале синхроциклотрона ПИЯФ начались во второй половине 1970 года.
На первом этапе в рамках программы «Барионная спектроскопия в области низколежащих пион-нуклонных резонансов с использованием пучков пионов» была выполнена серия экспериментов, в результате которых получены прецизионные значения дифференциальных сечений и поляризационных параметров Р, А, R для упругого пион-протонного рассеяния в области энергий налетающих пионов от 300 до 640 МэВ (что соответствует интервалу импульсов налетающих пионов от 417 до 765 МэВ/с). В общей сложности, в итоге получено более 500 новых экспериментальных точек. Эти новые результаты были использованы как основная часть базы данных при проведении фазового анализа ПИЯФ-94.
В 90-е годы, после завершения исследований упругого пион-протонного рассеяния, на пионном канале ПИЯФ начаты новые эксперименты по изучению пион-протонного рассеяния с перезарядкой. Разнообразные типы приборов были разработаны в Лаборатории мезонной физики для регистрации нейтронов отдачи и фотонов, образующихся при распаде образовавшегося в реакции перезаряки нейтрального пиона на два фотона, нейтронные детекторы на основе больших сцинтилляторов, электромагнитные калориметры полного поглощения, созданные из черенковских детекторов на базе свинцовых стекол и из кристаллов CsI(Na), и, наконец, спектрометр нейтральных мезонов, состоящий из двух электромагнитных калориметров, каждый из которых включает в себя 24 кристалла CsI(Na). С помощью спектрометра нейтральных мезонов измерены сечения этой реакции под углами, близкими к 00 (то есть для рассеяния вперёд). Эксперимент был выполнен в той области импульсов налетающих пионов (от 417 до 710 МэВ/с), где имевшиеся на тот момент в литературе данные были фрагментарны, противоречивы и неточны. Наши измерения произведены с высокой точностью при десяти значениях импульса налетающих пионов в указанном выше диапазоне. Результаты этих измерений послужили основой кандидатской диссертации, успешно защищённой в 2004 году сотрудником
лаборатории Д.Е. Баядиловым.
В настоящее время с использованием спектрометра нейтральных мезонов на пи-мезонном канале ПИЯФ проводится серия измерений дифференциальных сечений процесса образования эта-мезона при нескольких импульсах налетающих пионов в области около порога реакции (685 МэВ/с). Эти измерения направлены на выяснение механизма этого процесса, характеризующегося тем, что его порог находится очень близко по отношению к положению
резонанса S11(1535).
В конце 80-х новый цикл экспериментов по измерению параметров поворота спина А и R в упругом пион-протонном рассеяния во второй резонансной области начат на пионном канале ускорителя ИТЭФ. Такие измерения проведены в указанной области впервые в мире. Экспериментальная программа выполнялась учеными и инженерами ПИЯФ в сотрудничестве с физиками Института теоретической и экспериментальной физики (Москва). Измерение параметров А и R представляет собой ключевой эксперимент во всей программе изучения упругого пион-нуклонного рассеяния, поскольку только такого рода измерения позволяют устранить дискретные неоднозначности, возникающие при проведении парциально-волнового анализа. Результаты измерения параметров поворота спина A и R, полученные при импульсах налетающих пионов 1430 и 1620 МэВ/с, позволили сделать очень важный вывод о том, что широко используемый анализ КН-80 (на нём базируются, в частности, все приводимые в таблицах Review of Particle Physics характеристики пион-нуклоных резонансов) не верен в некоторых энергетических областях.
Следующий этап программы, осуществляемой на пионном канале синхротрона ИТЭФ - эксперимент по измерению поляризационного параметра P. Уже выполнены измерения при импульсах налетающих пионов 800, 1780, 1940 и 2070 МэВ/с в диапазоне углов от 1500 до 1700 в системе центра масс. В этом диапазоне углов измерения до сих пор никем не проводились из-за очень малой величины дифференциального сечения.
На пионном канале 322 синхротрона У-10 ИТЭФ, имеющем высокое импульсное разрешение (лучше 0,1%), реализуется новый эксперимент «ЭПЕКУР» по поиску экзотического барионного резонанса – нестранного члена антидекуплета «пентакварков» Р11 с ожидаемой массой около 1700 МэВ. С этой целью исследуются дав типа реакций, происходящих при взаимодействии отрицательно-заряженного пиона протоном: упругое пион-протонное рассеяние и реакция образования каона и Лямбда-гиперона. Эксперимент осуществляется сканированием инвариантной массы системы «пион-протон» в диапазоне от 1620 до 1896 МэВ; соответствующий интервал импульсов налетающих пионов составляет 900–1200 МэВ/с. Такое сканирование осуществляется путём изменения импульса налетающих пионов с шагом около 1 МэВ/c при точности измерения величины импульса 0,08% (т.е. лучше, чем 1 МэВ в терминах инвариантной массы) в магнито-оптическом канале c помощью многопроволочных пропорциональных камер, расположенных в первом и во втором фокусах пионного канала. Вторичные частицы, образовавшиеся в жидководородной мишени, детектируются двухплечевым безмагнитным спектрометром, основанным на дрейфовых камерах с гексагональной структурой, оснащённых современной электроникой съёма информации. И те, и другие камеры спроектированы и изготовлены в ПИЯФ. В 2008 году завершена настройка пионного канала 322, закончена отладка экспериментальной установки, и начата первая стадия эксперимента, на которой поиск узкого экзотического резонанса производится в реакции упругого пион-протонного рассеяния. В первом методическом сеансе были проверены все системы экспериментальной установки, и записано 7x106 триггеров на жидководородной мишени.
В 1994 году Лаборатория мезонной физики вошла в международную коллаборацию, выполняющую программу «Барионная и гиперонная спектроскопия с использованием детектора Crystal Ball”. Эта коллаборация была сформирована окончательно в 1995-1997 гг., она включает в себя 14 университетов и институтов из пяти стран. Несколько экспериментов Е913/914/953/958 были выполнены в течение периода с 1997 года по 2002 год на пучковой линии С6 ускорителя AGS Брукхэйвенской национальной лаборатории (США). Как пионные, так и каонные пучки были использованы в этих экспериментах. Полученные данные позволят исследовать различные реакции с нейтральными частицами в конечном состоянии, а также изучить редкие и запрещенные моды распада эта-мезона. Сейчас интенсивная обработка полученных данных осуществляется как в США, так и в Гатчине. Сотрудник ПИЯФ А.Б. Старостин защитил в ПИЯФ ученую степень кандидата физ.-мат.наук на тему: «Измерение рождения пар нейтральных пионов в ядерной среде».
Начиная с 1998 года, физики ЛМФ участвуют в коллаборации CBELSA, базирующейся на ускорителе ELSA в Бонне (Германия). Этот электронный ускоритель имеет интенсивные пучки меченых фотонов с энергией до 3000 МэВ и располагает прекрасным прибором - фотонным спектрометром Crystal Barrel - для детектирования с высокой эффективностью многофотонных конечных состояний. При использовании жидководородной мишени в одном эксперименте одновременно изучалось фоторождение различных нейтральных мезонов на протоне. В ряде сеансов мишень работала в жидкодейтериевом варианте, и набранная в этом случае статистика позволила изучать также фоторождение нейтральных мезонов на нейтроне и на дейтроне. В настоящее время ведётся обработка и анализ громадного массива полученных данных, часть результатов уже опубликована в журналах Physical Review Letters и European Physical Journal. Но особую ценность будут представлять данные, полученные в экспериментах с использованием как поляризованной мишени, так и пучков поляризованных фотонов. Именно для реализации такой возможности в 2006?2007 гг. проведена серьёзная модернизация экспериментальной установки. Спектрометр Crystal Barrel, во внутреннюю полость которого вставлена поляризованная мишень «с замороженным спином», перемещён на другую пучковую линию, что позволило расположить рядом с ним криогенную установку для «накачки» поляризации. В ходе модернизации Crystal Barrel был оснащён дополнительными форвардными детекторами, обеспечивающими более высокое угловое разрешение для частиц, вылетающих под малыми углами. Была переделана также установленная на этой линии система мечения фотонов с целью расширить захватываемый ею диапазон энергий фотонов и улучшить энергетическое разрешение. Эксперименты на модернизированной установке начались в 2008 году, получены первые физические результаты.
По инициативе С.П. Круглова на синхроциклотроне ПИЯФ был также создан мюонный канал, в реализации этого проекта также активно участвовали сотрудники Лаборатории.
Изначально за лабораторией было закреплено изучение магнитных свойств различных веществ при помощи µSR-метода, проводимых на и мюонном канале синхроциклотрона ПИЯФ.
В ПИЯФ мюонный метод исследования вещества начал развиваться в 1976 году, когда был введён в строй мюонный канал на синхроциклотроне, в 1977 году создается установка «МЮОНИЙ» для изучения локальных магнитных полей в веществе методом вращения мюонного спина и тогда начались экспериментальные исследования магнитных свойств вещества с помощью µSR-метода. В настоящее время в России существует единственная работающая µSR-установка на мюоном пучке синхроциклотрона ПИЯФ. µSR в ПИЯФ уже более 40 лет!
Работа на установке «МЮОНИЙ» в ЛИЯФ АН СССР началась в 1978 году. Это был период бурного развития µSR-методики на мезонных фабриках Швейцарии, Канады, США. В нашей стране в связи с реконструкцией ускорителя в Дубне, ЛИЯФ монопольно обладал пучком поляризованных мюонов. Опыт работы московских физиков (Курчатовский институт, ИТЭФ, МИФИ, МФТИ, ОИЯИ) и частичное использование их аппаратуры способствовали развитию µSR-методики в ЛИЯФ. Однако значительная часть работ этого периода носила, в основном, методический характер, происходил поиск направлений наиболее оптимального использования µSR в научных исследованиях.
К началу 1987 года, когда была открыта высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) лаборатория «Мезонной физики конденсированных сред» (МФКС) накопила большой опыт работы на пучках поляризованных мюонов. Однако запуск ускорителя в Дубне значительно осложнил практические возможности работы в ЛИЯФ. Для эффективного исследования ВТСП мюонным методом необходимо было не только понимание физических основ сверхпроводимости, как направления исследований в физике твердого тела, но и создания новой µSR установки на базе оборудования ЛИЯФ. Была создана новая µSR-установка для измерений в более высоких полях и проведена модернизация экспериментальной аппаратуры. Это позволило уменьшить требуемые размеры образцов и эффективно использовать разработанный в ПИЯФ интегральный метод µSR-исследований.
На пионном канале 322 синхротрона У-10 ИТЭФ, имеющем высокое импульсное разрешение (лучше 0,1%), реализуется новый эксперимент «ЭПЕКУР» по поиску экзотического барионного резонанса – нестранного члена антидекуплета «пентакварков» Р11 с ожидаемой массой около 1700 МэВ. С этой целью исследуются дав типа реакций, происходящих при взаимодействии отрицательно-заряженного пиона протоном: упругое пион-протонное рассеяние и реакция образования каона и Лямбда-гиперона. Эксперимент осуществляется сканированием инвариантной массы системы «пион-протон» в диапазоне от 1620 до 1896 МэВ; соответствующий интервал импульсов налетающих пионов составляет 900–1200 МэВ/с. Такое сканирование осуществляется путём изменения импульса налетающих пионов с шагом около 1 МэВ/c при точности измерения величины импульса 0,08% (т.е. лучше, чем 1 МэВ в терминах инвариантной массы) в магнито-оптическом канале c помощью многопроволочных пропорциональных камер, расположенных в первом и во втором фокусах пионного канала. Вторичные частицы, образовавшиеся в жидководородной мишени, детектируются двухплечевым безмагнитным спектрометром, основанным на дрейфовых камерах с гексагональной структурой, оснащённых современной электроникой съёма информации. И те, и другие камеры спроектированы и изготовлены в ПИЯФ. В 2008 году завершена настройка пионного канала 322, закончена отладка экспериментальной установки, и начата первая стадия эксперимента, на которой поиск узкого экзотического резонанса производится в реакции упругого пион-протонного рассеяния. В первом методическом сеансе были проверены все системы экспериментальной установки, и записано 7x106 триггеров на жидководородной мишени.
В 1994 году Лаборатория мезонной физики вошла в международную коллаборацию, выполняющую программу «Барионная и гиперонная спектроскопия с использованием детектора Crystal Ball”. Эта коллаборация была сформирована окончательно в 1995-1997 гг., она включает в себя 14 университетов и институтов из пяти стран. Несколько экспериментов Е913/914/953/958 были выполнены в течение периода с 1997 года по 2002 год на пучковой линии С6 ускорителя AGS Брукхэйвенской национальной лаборатории (США). Как пионные, так и каонные пучки были использованы в этих экспериментах. Полученные данные позволят исследовать различные реакции с нейтральными частицами в конечном состоянии, а также изучить редкие и запрещенные моды распада эта-мезона. Сейчас интенсивная обработка полученных данных осуществляется как в США, так и в Гатчине. Сотрудник ПИЯФ А.Б. Старостин защитил в ПИЯФ ученую степень кандидата физ.-мат.наук на тему: «Измерение рождения пар нейтральных пионов в ядерной среде».
Начиная с 1998 года, физики ЛМФ участвуют в коллаборации CBELSA, базирующейся на ускорителе ELSA в Бонне (Германия). Этот электронный ускоритель имеет интенсивные пучки меченых фотонов с энергией до 3000 МэВ и располагает прекрасным прибором - фотонным спектрометром Crystal Barrel - для детектирования с высокой эффективностью многофотонных конечных состояний. При использовании жидководородной мишени в одном эксперименте одновременно изучалось фоторождение различных нейтральных мезонов на протоне. В ряде сеансов мишень работала в жидкодейтериевом варианте, и набранная в этом случае статистика позволила изучать также фоторождение нейтральных мезонов на нейтроне и на дейтроне. В настоящее время ведётся обработка и анализ громадного массива полученных данных, часть результатов уже опубликована в журналах Physical Review Letters и European Physical Journal. Но особую ценность будут представлять данные, полученные в экспериментах с использованием как поляризованной мишени, так и пучков поляризованных фотонов. Именно для реализации такой возможности в 2006?2007 гг. проведена серьёзная модернизация экспериментальной установки. Спектрометр Crystal Barrel, во внутреннюю полость которого вставлена поляризованная мишень «с замороженным спином», перемещён на другую пучковую линию, что позволило расположить рядом с ним криогенную установку для «накачки» поляризации. В ходе модернизации Crystal Barrel был оснащён дополнительными форвардными детекторами, обеспечивающими более высокое угловое разрешение для частиц, вылетающих под малыми углами. Была переделана также установленная на этой линии система мечения фотонов с целью расширить захватываемый ею диапазон энергий фотонов и улучшить энергетическое разрешение. Эксперименты на модернизированной установке начались в 2008 году, получены первые физические результаты.
По инициативе С.П. Круглова на синхроциклотроне ПИЯФ был также создан мюонный канал, в реализации этого проекта также активно участвовали сотрудники Лаборатории.
Изначально за лабораторией было закреплено изучение магнитных свойств различных веществ при помощи µSR-метода, проводимых на и мюонном канале синхроциклотрона ПИЯФ.
В ПИЯФ мюонный метод исследования вещества начал развиваться в 1976 году, когда был введён в строй мюонный канал на синхроциклотроне, в 1977 году создается установка «МЮОНИЙ» для изучения локальных магнитных полей в веществе методом вращения мюонного спина и тогда начались экспериментальные исследования магнитных свойств вещества с помощью µSR-метода. В настоящее время в России существует единственная работающая µSR-установка на мюоном пучке синхроциклотрона ПИЯФ. µSR в ПИЯФ уже более 40 лет!
Работа на установке «МЮОНИЙ» в ЛИЯФ АН СССР началась в 1978 году. Это был период бурного развития µSR-методики на мезонных фабриках Швейцарии, Канады, США. В нашей стране в связи с реконструкцией ускорителя в Дубне, ЛИЯФ монопольно обладал пучком поляризованных мюонов. Опыт работы московских физиков (Курчатовский институт, ИТЭФ, МИФИ, МФТИ, ОИЯИ) и частичное использование их аппаратуры способствовали развитию µSR-методики в ЛИЯФ. Однако значительная часть работ этого периода носила, в основном, методический характер, происходил поиск направлений наиболее оптимального использования µSR в научных исследованиях.
К началу 1987 года, когда была открыта высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) лаборатория «Мезонной физики конденсированных сред» (МФКС) накопила большой опыт работы на пучках поляризованных мюонов. Однако запуск ускорителя в Дубне значительно осложнил практические возможности работы в ЛИЯФ. Для эффективного исследования ВТСП мюонным методом необходимо было не только понимание физических основ сверхпроводимости, как направления исследований в физике твердого тела, но и создания новой µSR установки на базе оборудования ЛИЯФ. Была создана новая µSR-установка для измерений в более высоких полях и проведена модернизация экспериментальной аппаратуры. Это позволило уменьшить требуемые размеры образцов и эффективно использовать разработанный в ПИЯФ интегральный метод µSR-исследований.
Продолжение читайте (mpl_introduction_ru-3.pdf)