ВЭПП-6: коллайдер, детекторы и исследовательская программа

Новый коллайдер на существующей площадке

Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН в Новосибирске разрабатывает электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-6. 29 марта 2024 года заместитель директора института Евгений Левичев обозначил энергию одного пучка от 1 до 2,1–2,2 ГэВ и ожидаемую светимость на порядок выше ранее достигнутой. Для установки предполагалось использовать собственную инфраструктуру, включая тоннели ВЭПП-4. Подготовку проекта Левичев оценивал примерно в три года; к этому времени ожидался вывод старого коллайдера из эксплуатации. Предварительную стоимость он сравнил с половиной стоимости Сибирского кольцевого источника фотонов, оценивавшейся тогда в 47,3 млрд рублей. Это была ранняя оценка разработчика. Директор института Павел Логачев рассчитывал, что новый комплекс обеспечит исследования в выбранной области энергий примерно на двадцать лет. Учёные также выступали за государственную программу создания инфраструктуры для изучения фундаментальных взаимодействий в России.

Сильное взаимодействие и экзотические состояния

Заместитель директора ИЯФ Иван Логашенко связывает физическую программу ВЭПП-6 с исследованием сильного взаимодействия. Кварки и глюоны образуют привычные составные частицы: мезоны содержат кварк и антикварк, барионы — три кварка. В более сложных состояниях число составляющих может увеличиваться. Тетракварки и пентакварки ставят вопрос о том, как именно организована такая система. Несколько кварков могут образовывать компактный объект либо объединяться в более крупную структуру через связанные между собой частицы. Различение этих вариантов входит в круг задач экспериментальной физики адронов. Логашенко рассматривает будущий новосибирский коллайдер как инструмент исследования подобных объектов.

Ещё одно направление связано с глюболами — предполагаемыми состояниями, состоящими из глюонов. Их поиск требует изучения процессов рождения и распада частиц, а также накопления достаточной статистики. В интервью, перепечатанном 3 мая 2024 года, Логашенко говорил о возможности получать на ВЭПП-6 большое число распадов джей-пси-мезона и исследовать в них экзотические состояния. Ожидаемые преимущества он связывал с будущей светимостью установки. Эти исследовательские задачи относятся к проектируемому комплексу. Упоминавшиеся им измерения нейтрон-анти­нейтронных и протон-антипротонных пар уже выполнялись на другом коллайдере института, ВЭПП-2000.

Финальная фокусировка как первый этап

К апрелю 2025 года первый этап разработки ВЭПП-6 был связан с системой финальной фокусировки. В опубликованном 23 апреля изложении институтского проекта длина будущего кольца составляла 366 метров, а энергия каждого пучка — от 0,5 до 2,1 ГэВ. Эти параметры относятся к более позднему варианту проекта, чем мартовская оценка 2024 года. Площадкой по-прежнему служила инфраструктура ВЭПП-4М. Начальный этап предполагал изготовление элементов новой финальной фокусировки и их проверку на действующем ускорителе за счёт финансирования института.

Столкновение пучков планируется организовать по схеме «крабовая талия», предложенной Панталео Раймонди (Pantaleo Raimondi) в 2006 году. Пучки пересекаются под углом, а специальная фокусировка формирует компактную область взаимодействия. Левичев связывал с этой схемой значительное повышение светимости. Для её реализации требуются компактные сверхпроводящие магниты со специальной обмоткой. Прототип такого магнита уже прошёл испытания и, по оценке разработчиков, обеспечил расчётные параметры. Проверка финальной фокусировки на ВЭПП-4М должна предшествовать её применению в новом комплексе. Повторное использование тоннеля, охлаждения, водоснабжения и электропитания входит в проектный подход к сокращению затрат.

Экспериментальная база ВЭПП-2000

На ВЭПП-2000 в 2024 году накопленная интегральная светимость достигла одного обратного фемтобарна. Этот показатель характеризует накопленный объём столкновений для экспериментального исследования. Кольцо длиной 24 метра работает при энергии в системе центра масс до 2 ГэВ; события регистрируют детекторы КМД-3 и СНД. Особенность ускорителя — круглые встречные пучки. Концепцию разрабатывали Иван Кооп, Евгений Переведенцев и Юрий Шатунов. Сильные соленоиды обеспечивают фокусировку пучков в области столкновений; применение этой оптики связано с задачей повышения светимости компактной установки.

Оба действующих коллайдера института получают частицы от инжекционного комплекса ВЭПП-5, введённого в работу в 2015 году. Его технологическая цепочка включает электронную пушку, линейное ускорение, получение позитронов на конверсионной мишени, накопление и транспортировку частиц. Пучки поступают к экспериментальным установкам по каналам транспортировки. Накопленная статистика ВЭПП-2000 используется для исследований электромагнитных форм-факторов нуклонов и рождения мезонов. В октябре 2024 года Логашенко также обсуждал последующее обновление оборудования и продолжение программы измерений. Эти планы сопровождали действующую экспериментальную программу КМД-3 и СНД и относились к дальнейшей работе ВЭПП-2000.

Нейтроны: статистика и время прихода сигнала

В эксперименте СНД к декабрю 2023 года исследователи располагали примерно шестью тысячами событий рождения нейтрон-анти­нейтронной пары. Выборка выросла в четыре раза по сравнению с данными, использованными в 2022 году. Статистическая точность улучшилась примерно вдвое. Измерения вблизи энергии 2 ГэВ согласовывались с предыдущими результатами СНД и данными китайского эксперимента БЭС-III. Целью работы было уточнение электромагнитных форм-факторов нейтрона через измерение процесса рождения пары при электрон-позитронной аннигиляции. Эти результаты получены на ВЭПП-2000, где действует СНД.

Важную роль сыграло измерение времени сигналов калориметра. В этом эксперименте нейтрону требуется около пяти наносекунд, чтобы долететь до детектора. Измерение характерной задержки помогает выделять нужные события. Новая система позволила измерять время с точностью около одной наносекунды для каналов калориметра, содержащего 1640 кристаллов. При этом исследователи отдельно оценивали систематические погрешности: их уровень для измерения сечения не превышал десяти процентов. Увеличение выборки и улучшение временного отбора решают разные задачи обработки экспериментальных данных. Работа с обоими видами неопределённости сопровождает определение характеристик нейтрона и уточнение результатов регистрации нейтрон-анти­нейтронных пар.

Протонные пары и восстановление события

Детектор КМД-3 используется для прямого исследования рождения протон-антипротонной пары в диапазоне от порога около 1877 МэВ до 2000 МэВ в системе центра масс. Даниил Иванов, участвующий в этих измерениях, в марте 2025 года связывал интерес к диапазону с взаимодействием рождающихся частиц вблизи порога. Более высокая статистика позволила уточнять энергетическую зависимость сечения и отношения электрического и магнитного форм-факторов. Ранее сечение этого процесса на КМД-3 измерили в 2017 году. Иванов отмечал согласие тех результатов с измерениями других коллабораций и возможность более подробного исследования при прямом изменении энергии столкновений.

Анализ начинается с восстановления зарегистрированного события. Детектор даёт информацию об импульсах, направлениях движения и энерговыделении частиц. Затем исследователи выделяют подходящие события, изучают угловые распределения и сопоставляют наблюдения с моделированием. Так определяют число зарегистрированных пар и характеристики процесса. Иванов занимался также системой высоковольтного питания дрейфовой камеры и дежурствами на установке. Такая работа включает контроль состояния аппаратуры и качества поступающих данных. Измерение формы энергетической зависимости требует одновременно устойчивой регистрации частиц и последующей обработки экспериментальной выборки.

Детекторный зал, сборка и обслуживание

Для будущего эксперимента требуется инфраструктура изготовления, установки и эксплуатации детектора. В концепции Виктора Бобровникова от 3 апреля 2025 года эти стадии имеют отдельные инженерные задачи. При создании систем нужны контролируемые температура и влажность, чистые помещения для сборки чувствительных элементов, локальная вытяжка, рабочие газовые смеси и места хранения материалов. Перемещение крупных узлов требует подходящих дверных проёмов, грузоподъёмных устройств и приспособлений для точного позиционирования. При установке необходимо согласовать размещение кабелей, охлаждающих линий и газовых трасс внутри магнитного ярма.

На стадии эксплуатации проект предусматривает отвод тепла, электропитание с заданными параметрами и защиту чувствительных систем от кратковременных провалов напряжения. Бобровников сформулировал требование разбирать детектор для быстрого ремонта за один-два дня. Системы должны сохранять работоспособность в положении для эксперимента и в положении сборки или наладки. Поэтапная замена подсистем требует универсального ярма с доступом к установленным элементам. Обсуждалась также возможность параллельно настраивать ускоритель и испытывать детектор. При этом детектор мог бы работать с космическими частицами, пока ускорительная часть проходит собственные проверки. Инженерная концепция опирается на предыдущие разработки института для фабрики тау-чарм-частиц.

Трубчатые трекеры: опыт прежних установок

Один из обсуждаемых вариантов координатной системы использует тонкостенные дрейфовые трубки. Андрей Соколов 10 апреля 2025 года сопоставил возможный трекер ВЭПП-6 с опытом других детекторов. Во внутреннем детекторе КЕДР применялись 312 трубок в шести слоях. Диаметр трубки составлял 10 миллиметров, длина чувствительной области — 670 миллиметров. Опыт эксплуатации выявил значение герметичности: по оценке Соколова, большинство трубок потеряло её примерно через три-четыре года после установки. Другой практический вопрос связан с согласованием регистрирующей электроники и газовой смеси, от которого зависит пространственное разрешение.

Соколов отмечал, что электроника КЕДР была рассчитана на одну газовую смесь, тогда как в эксплуатации применялась другая. Такое несоответствие ухудшало разрешение системы. В дальнейших конструкциях он рекомендовал избегать массивных опорных фланцев и рассматривать поддержку положения трубок избыточным давлением. Предварительная оценка трубчатого трекера для ВЭПП-6 включала внутренний радиус 150 и наружный радиус 700 миллиметров. Эти размеры относятся к обсуждаемой компоновке. Сопоставление с действовавшими системами охватывало конструкцию трубок, материал стенок, механическую поддержку и работу электроники. Выбор решения для нового детектора оставался частью проектирования.

Три варианта внутреннего трекера

Лев Шехтман 29 мая 2025 года представил альтернативы внутреннего трекера: дрейфовые трубки, кремниевые микрополосковые сенсоры и монолитные активные пиксельные сенсоры. Для трубчатого варианта он указывал возможность получать около десяти отрезков трека с разрешением порядка 100 микрометров в поперечной координате и существенно более грубым измерением вдоль оси. Технология производства трубок была доступна. Кремниевый микрополосковый трекер предполагал три-четыре слоя и разрешение порядка десяти микрометров по обеим координатам. Для него имелись возможности изготовления сенсоров и разработки регистрирующей электроники.

Монолитные пиксельные сенсоры рассматривались как вариант с меньшим количеством вещества. В оценке Шехтмана материал трёх-четырёх слоёв мог быть в пять-шесть раз меньше, чем у микрополоскового решения, при пространственном разрешении лучше десяти микрометров. Однако соответствующая технология на тот момент требовала разработки; возможное сотрудничество с внешними партнёрами оставалось вопросом. Сравнение включало и инженерную компоновку: внутренний трекер должен размещаться рядом с областью встречи пучков и финальным фокусом, а его разъёмная конструкция согласуется с доступом к внутренним частям детектора. Представленные варианты различались точностью, количеством материала и готовностью производственной технологии.

Дрейфовая камера и расчётные ограничения

Корнелий Тодышев в октябре 2025 года рассматривал проектные параметры дрейфовой камеры ВЭПП-6. Среди требований были пространственное разрешение около 100 микрометров или лучше, время дрейфа около 400 наносекунд, малое количество вещества и достаточно точное измерение удельных ионизационных потерь. При выборе газовой смеси сопоставлялись её свойства и опыт других экспериментов. Для структуры камеры изучались гексагональные и квадратные ячейки. Оптимизация расположения проволочек направлена на уменьшение деформации ячеек и получение более однородного электрического поля, влияющего на восстановление координаты частицы.

Один из расчётных вариантов имел внутренний радиус 15 сантиметров и внешний 62 сантиметра. Радиальный размер слоя составлял примерно 15 миллиметров, число слоёв оценивалось как 31 плюс-минус один. Расчёт ожидаемых характеристик выполнялся при магнитном поле 1,5 тесла и пространственном разрешении 100 микрометров. Отдельно учитывались вклад многократного рассеяния, стереоуглы проволочных слоёв и неопределённость направления трека. Количество вещества оценивали для газа, анодных и катодных проволочек, внутренних и внешних оболочек и торцевой пластины. Эти величины служили входными условиями проектного сравнения. Они относятся к изучавшейся конструкции, а экспериментальная проверка будущей камеры остаётся отдельной задачей разработки.

Как электроника отбирает события

При обсуждении будущего эксперимента полезен опыт системы отбора событий КМД-3. Антон Горковенко представил её устройство 25 сентября 2025 года. Заряженный триггер использует сигналы дрейфовой камеры и ищет треки по заранее заданным шаблонам. Соседние ячейки объединяются в суперячейки, после чего электроника проверяет комбинации срабатываний в нескольких слоях. Более жёсткие условия уменьшают ложные срабатывания, но меняют чувствительность к некоторым типам треков. Варианты с дополнительной опорной точкой и разным числом слоёв сопоставлялись по эффективности, зависимости от неработающих элементов и загрузке.

Нейтральный триггер работает с калориметрическими сигналами. Электроника объединяет каналы, измеряет энерговыделение и временные отметки, затем выделяет кластеры. Условия отбора могут учитывать число кластеров, их расположение в противоположных частях калориметра и превышение энергетического порога. Для КМД-3 время работы триггерной системы составляло 1,2–1,6 микросекунды; ожидаемая частота событий при проектной светимости оценивалась примерно в один килогерц. Эффективность проверяется сравнением решений первичного триггера с последующей обработкой данных. Описанные электронные блоки и алгоритмы относятся к КМД-3. При обсуждении ВЭПП-6 они представляют накопленный опыт регистрации и отбора столкновений.

Проверка радиационного старения фотодатчиков

Для перспективных детекторных систем, включая ВЭПП-6, исследуются кремниевые фотоумножители. На нейтронном источнике ВИТА специалисты ИЯФ создали стенд изучения их радиационного старения. Прототип появился в 2024 году, рабочая версия — в 2025-м. Возможность облучать образцы нейтронами используется для проверки того, как меняются характеристики чувствительных элементов. В работе участвуют специалисты Физического института имени П. Н. Лебедева РАН. Среди исследователей — Сергей Виноградов, Виктор Бобровников и Сергей Таскаев. Такая экспериментальная проверка относится к подготовке компонентов, которые рассматриваются для будущих установок.

В 2025 году на стенде испытывали кремниевые фотоумножители японского производства. Исследователи отслеживали шум, напряжение пробоя и чувствительность к свету при изменении нейтронной дозы. Стенд позволяет наблюдать изменение параметров непосредственно во время облучения, сопоставляя состояние элемента с полученной нагрузкой. К маю 2026 года совместное соглашение ИЯФ и ФИАН ещё находилось на стадии подписания. Разработка объединяла источник нейтронов, средства контроля облучаемых образцов и измерительную аппаратуру. Для проектировщиков детекторных систем такие измерения дают характеристики конкретных испытуемых элементов в заданных условиях. Возможность их применения в будущем эксперименте требует учёта этих условий и результатов испытаний.

Настройка магнитной структуры во время работы

На ВЭПП-4М исследователи проверили метод управления на основе машинного обучения. Расим Мамутов в декабре 2025 года рассказал об анализе операционных данных ускорителя за многие годы. Команда изучила зависимости между управляемыми параметрами магнитной структуры и светимостью. На этой основе разработали программное обеспечение, которое подстраивает магнитные параметры в реальном времени. Мамутов связывал применение метода с повышением производительности установки и скорости получения данных. Численного коэффициента улучшения он при этом не приводил. Проверка метода выполнялась на действующем ВЭПП-4М.

Обычная настройка ускорителя предполагает выбор параметров до эксперимента либо в начале работы. Во время измерений вмешательство может ухудшить режим, поэтому изменение магнитных параметров требует отдельного подхода. Разработчики использовали накопленные операционные данные для поиска управляемых зависимостей и последующей проверки алгоритма. Их целью был метод, пригодный для разных ускорителей. Мамутов также связывал интерес к будущему ВЭПП-6 с новой схемой столкновения пучков. Успешная проверка управляющего программного обеспечения на ВЭПП-4М относится к конкретной существующей установке. Расширение области применения оставалось целью команды, связанной с дальнейшим развитием ускорительной техники.

Обсуждение программы в 2026 году

10–13 марта 2026 года в ИЯФ прошла конференция «Физика фундаментальных взаимодействий», собравшая около трёхсот специалистов. Участники обсуждали модернизацию ВЭПП-2000 и проект ВЭПП-6 наряду с текущими измерениями. В экспериментальную программу входили исследования рождения двух и трёх пионов, полного адронного сечения и свойств нейтральных каонов. Часть результатов КМД-3 и СНД представлялась как предварительная. Дальнейшую работу связывали со следующими направлениями:

• продолжение измерений на действующих детекторах;
• модернизация экспериментальной базы ВЭПП-2000;
• разработка ускорителя и детекторных систем ВЭПП-6.