«Выбивая» всё новые неизвестные человечеству частицы — знакомство с пекинским коллайдером электрон-позитронных пучков после второй модернизации

Под старинным двором, окружённым зеленью, у дороги Юйцюаньлу в Пекине скрывается гигантская научная установка, по форме напоминающая ракетку для бадминтона, — Пекинский коллайдер электрон-позитронных пучков. В этом кольцевом устройстве периметром 240 метров электроны и позитроны разгоняются до скоростей, близких к скорости света, и сталкиваются в лоб. Изучая микрочастицы, рождающиеся при столкновениях, учёные исследуют фундаментальные законы микромира, проверяют существующие физические теории и ищут неизвестные новые частицы.

На днях корреспондент побывал здесь, чтобы узнать секреты этого важнейшего государственного устройства, только что завершившего вторую модернизацию. После проведённых работ ключевые показатели установки, такие как энергия и светимость столкновений, значительно выросли, а основные характеристики достигли исторического прорыва.

“Эта установка работает уже почти сорок лет, но она вовсе не ‘старая машина’.” Спустившись в подземный тоннель, главный руководитель эксплуатации Пекинского коллайдера электрон-позитронных пучков Института физики высоких энергий Китайской академии наук (далее — “ИФВЭ”) профессор Юй Чэнхуэй рассказал, что после двух серьёзных модернизаций установка полностью “преобразилась” и является по-настоящему современной крупной научной установкой.

Фото предоставлено Институтом физики высоких энергий Китайской академии наук

“Чтобы лидировать, нужно превосходить самого себя”

“Зачем потребовалась очередная модернизация?”

Отвечая на вопрос корреспондента, Юй Чэнхуэй рассказал, что после завершения первой модернизации в 2009 году Пекинский коллайдер электрон-позитронных пучков стал единственным в мире коллайдером, работающим в тау-чармовой области энергий. За последующие 11 лет в этой области было открыто 32 новые частицы, ни одна из которых не вписывается в теоретические рамки существующей Стандартной модели, что указывает на возможность пересмотра самых глубинных представлений человечества о материальном мире.

“Благодаря этим результатам Китай долгое время лидировал в фундаментальных исследованиях физики частиц в тау-чармовой области. Чтобы лидировать, нужно превосходить самого себя”, — сказал Юй Чэнхуэй. — “Теоретически в тау-чармовой области скрываются ещё 10–15 новых частиц. Если не повысить характеристики коллайдера, по нашим оценкам, потребуется 15 лет, чтобы их ‘выкопать’.”

Эти реально достижимые богатые результаты привлекли внимание нескольких международных конкурентов. С 2020 года экспериментальные установки PANDA в Германии, Belle II в Японии, Jefferson Lab в США и другие подали заявки на финансирование, пытаясь нацелить свои коллайдеры на эту “золотую” область энергий.

“Коллайдер — это как лопата, которой учёные копают в богатой жиле. Раньше мы этой лопатой выкопали вожделенные сокровища, а теперь другие собираются прийти с более совершенными инструментами, чтобы отобрать нашу жилу. Мы должны наточить свою лопату ещё острее”, — привёл сравнение Юй Чэнхуэй.

“Мы обязаны отстоять своё лидерство в тау-чармовой области и не дать упустить уже почти пойманную птицу”, — указал он на карту распределения открытых новых частиц рядом с установкой. — “В физике высоких энергий тот, кто первым сделает открытие и опубликует результат, получает право дать название. Опоздаешь — и всё насмарку. Вторая модернизация крайне важна, она напрямую определяет, сможет ли Пекинский коллайдер сохранить глобальное конкурентное преимущество.”

В июле 2021 года был официально утверждён проект модернизации Пекинского коллайдера электрон-позитронных пучков по повышению энергии столкновений и эффективности набора данных. Китайская академия наук решила инвестировать 160 миллионов юаней с целью увеличить пиковую и интегральную светимость коллайдера более чем в 3 раза по сравнению с исходным уровнем.

Ранее внимательно следившие за ситуацией международные конкуренты, оценив наш план модернизации, скорректировали свои стратегии: Германия, США и Швейцария добровольно вышли из конкуренции в этой области. Японская установка после модернизации не достигла запланированных целей.

“Недавно мы успешно завершили модернизацию, все заданные показатели характеристик достигнуты”, — с улыбкой сказал Юй Чэнхуэй. — “На этот раз птица точно не улетит.”

“Создание лучшего в мире комбинированного сверхпроводящего магнита”

Разговаривая, корреспондент вместе с научными сотрудниками прошёл через защитную дверь и вошёл в тоннель накопительного кольца. Перед глазами — аккуратно выстроенные низкотемпературные сверхпроводящие резонаторы, комбинированные сверхпроводящие магниты и прецизионные вакуумные камеры; оборудование отливало холодным блеском в свете ламп.

“Вот здесь — сердце второй модернизации. Мы провели масштабную реконструкцию зоны столкновения”, — указал Юй Чэнхуэй на только что прошедший приёмку комбинированный сверхпроводящий магнит. — “Чтобы повысить характеристики в 3 раза, ключ в том, чтобы сжать размеры сгустков в точке столкновения и поднять ток пучка, добившись качественного скачка эффективности столкновений.”

Звучит просто, но на деле это чрезвычайно сложная инженерная задача. Ведущий научный сотрудник ИФВЭ Чжу Иншунь рассказал корреспонденту: “Самое большое препятствие — фокусирующие магниты по обе стороны точки столкновения — комбинированные сверхпроводящие магниты.”

Однако технология производства таких магнитов была эксклюзивно монополизирована американской Брукхейвенской национальной лабораторией.

“Чтобы как можно скорее выйти из положения зависимости от других, мы потратили 13 лет на создание лучшего в мире комбинированного сверхпроводящего магнита. Характеристики нашего магнита на 40% выше, чем у американского аналога”, — с гордостью в голосе отметил Чжу Иншунь. Ещё более показательно, что в мае 2025 года та самая американская лаборатория, некогда обладавшая эксклюзивной монополией, сама связалась с ИФВЭ с просьбой закупить комбинированные сверхпроводящие магниты китайского производства.

Параллельно команда преодолела ряд ключевых технологических барьеров и добилась локализации производства многих ключевых компонентов. Например, сверхпроводящие радиочастотные модули, используя свойство сверхпроводящих резонаторов терять электрическое сопротивление при экстремально низких температурах около минус 269 градусов Цельсия, повышают эффективность ускорения в несколько раз, что позволяет более эффективно поднимать энергию пучков электронов и позитронов в ограниченном пространстве на более высокий уровень; новый инжекционный кикер-магнит, заменив традиционную конструкцию с керамической пластиной с покрытием на инновационную схему с металлическими полосами, снизил требования к вакуумным условиям для инжекционного кикер-магнита на порядок, решив техническую проблему стабильной работы при высокой мощности пучка и высокой интенсивности одиночного сгустка; фотонные поглотители, использующие специальные медные сплавы и коническую ступенчатую структуру поглощения, обеспечивают эффективное охлаждение мощности синхротронного излучения, что в итоге гарантирует долгосрочную стабильность сверхвысокого вакуума в накопительном кольце.

“Благодаря всестороннему продвижению независимых инноваций, после второй модернизации уровень локализации оборудования Пекинского коллайдера электрон-позитронных пучков достиг 100%, параллельно была проведена модернизация энергии линейного ускорителя, а комплексные характеристики вышли на передовой уровень среди аналогичных международных установок”, — сказал Юй Чэнхуэй.

“Сохранение лидирующих позиций в исследованиях физики тау-чармовой области”

Выйдя из тоннеля накопительного кольца, корреспондент направился в диспетчерскую пекинского спектрометра. Едва войдя, он увидел на экранах компьютеров сложные и красочные изображения треков частиц.

“Это треки распада микрочастиц, которые непрерывно регистрирует наш детектор”, — пояснил Юй Чэнхуэй. После модернизации объём набора событий пекинским спектрометром увеличен в 3 раза, сигналы большого количества редких чармированных мезонов и экзотических адронов будут фиксироваться более эффективно для дальнейшего анализа физиками.

“Цель по новым частицам, на которую до модернизации потребовалось бы 15 лет, теперь, по прогнозам, будет достигнута за 5 лет. Благодаря этой модернизации мы можем сохранить лидирующие позиции в исследованиях физики тау-чармовой области”, — сказал Юй Чэнхуэй. Вокруг этой установки сформирована крупная международная коллаборация, объединяющая более 700 ведущих учёных из 15 стран и 96 организаций. В этой коллаборации Китай является бесспорным лидером: разработка экспериментальных программ, сбор и анализ данных, публикация результатов — всё осуществляется под нашим руководством.

Вклад этой установки не ограничивается передовыми исследованиями в физике частиц. Она работает “в двух режимах”: помимо столкновений для физики высоких энергий, электронные пучки, циркулирующие в накопительном кольце, непрерывно генерируют высококачественное синхротронное излучение, обслуживая множество пользователей. Вэй Яньжу из ИФВЭ пояснила: “Когда электроны меняют направление в поворотных магнитах, они испускают мощное рентгеновское излучение по касательной. Оно, как прожектор, может осветить микроструктуру экспериментальных образцов.”

Именно благодаря этому свету исследователи могут увидеть, как зарождаются трещины при усталости металлов, как сворачиваются белковые молекулы, есть ли дефекты в нанометровых схемах чипов... Все эти передовые исследования зависят от высокой разрешающей способности и проникающей силы синхротронного излучения.

“После второй модернизации интенсивность света установки удвоилась. Это означает, что время, необходимое для экспериментов, сократилось вдвое. Теперь установка может ежегодно поддерживать около тысячи экспериментальных тем пользователей, предоставляя незаменимую исследовательскую платформу для таких областей, как материаловедение, науки о жизни и калибровка детекторов в Китае и за рубежом”, — сказала Вэй Яньжу.

В будущем эксплуатационная команда продолжит углублённо раскрывать потенциал установки, дальнейшую оптимизацию качества пучка, тонкую настройку рабочих параметров, неуклонно продвигаясь вглубь микромира и “выбивая” всё больше неизвестных человечеству новых частиц. “Мы уже доказали, что китайцы способны на равных конкурировать с сильнейшими в мире в самых передовых областях фундаментальной науки и при этом постоянно побеждать”, — сказал Юй Чэнхуэй.