მიმდინარე წლის შემოდგომაზე, 22-26 სექტემბერს ივ. ჯავახიშვილის სახელობის თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტი (თსუ) მასპინძლობდა COMET საერთაშორისო თანამშრომლობის ვორქშოპს. ექსპერიმენტი ნაწილაკების ფიზიკაში იაპონი-ის პროტონული ამაჩქარებლის კვლევითი კომპლექსის (J-PARC) ბაზაზე ხორციელდება. ვორქშოპი თსუ მაღალი ენერგიების ფიზიკის ინსტიტუტის (მეფი) მიერ იყო ორგანიზებული შოთა რუსთაველის ეროვნული სამეცნიერო ფონდის მხარდაჭერით. ვორქშოპში მონაწილეობა მიიღო საერთაშორისო თანამშრომლობის წევრი 8 ქვეყნის ორმოცდაათამდე წარმომადგენელმა.

აბრევიატურა COMET (COherent Muon to Electron Transition) ინგლისურად ნიშნავს მიუონის ელექტრონად კოჰერენტულ გარდაქმნას. ექსპერიმენტის მიზანია ნათელი მოჰფინოს ელემენტარული ნაწილაკების ძველ პრობლემას – ურთიერ-თკავშირს ორ მსგავს ფუნდამენტურ ნაწილაკს, ელექტრონსა და მიუონს  შორის. ელეტრონების გარდა რატომ არსებობენ მიუონები? „ვინ დაუკვეთა ეს ნაწილაკი?“ იკითხა ნობელის პრემიის ლაურეატმა, ფიზიკოს თეორეტიკოსმა  ი.რაბიმ, როდესაც მოხერხდა მიუონის  იდენტიფიცირება.

1936 წლიდან, ანდესონისა და ნედერმაიერის მიერ კოსმოსურ სხივებში მიუონის აღმოჩენის შემდეგ, ღია პრობლემაა ამ ნაწილაკის როლის გაგება სამყაროს სუბატომურ ნაწილაკთა ოჯახში. მიუონი ორი სახისაა,  ერთი – უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკი, მეორე – დადებითად დამუხტული ანტინაწილაკი, რომელიც მიეკუთვნება ფუნდამენტური ნაწილაკების სპეციფიკურ ოჯახს, ე.წ. ლეპტონთა ჯგუფს (ელექტრონები, მიუონები, ნეიტრინოები). ელექტრონი, რომლის მასა  0.511 მევია,   ლეპტონების უმსუბუქესი დამუხტული წარმომადგენელია დამუხტული. მიუონი თითქმის ელექტრონის მსგავსია, მაგრამ 207-ჯერ მძიმეა მასზე (105.7 მევ) და ელექტრონისგან განსხვავებით, რომელიც აბსოლუტურად სტაბილურია,  2.2 მიკროწამში ელექტრონად, ნეიტრინოდ და ანტინეიტრინოდ იშლება.

ცნობილია აგრეთვე  მესამე,  უფრო მძიმე ლეპტონი ტაუ, რომლის მასაა 1777 მევ და სიცოცხლის ხანგრძლივობა 10-13 წამი. ელეტრონისა და მიუონის მსგავსად ტაუ ლეპტონს ახლავს მისი ასოცირებული ნეიტრინო.  ეს ექვსი ნაწილაკი:  ელექტრონი, მიუონი, ტაო და შესაბამისი ნეიტრინოები  „არომატებად“ იწოდებიან და ლეპტონების სამ თაობას ქმნიან: (e, ve), (μ, vμ), (τ, vτ). თითოეული თაობის წევრებს  ლეპტონურ რიცხვს მიაწერენ, რომელიც არსებული შეხედულების თანახმად ინახ-ება, ე.ი. ნაწილაკების ურთიერთქმედებისას ერთიდაიგივე ტიპის ლეპტონების რაოდენობა  უცვლელი რჩება.  ამასთან, არსებობს ბრუნო პონტეკორვოს მიერ ნაწინასწარმეტყველები კვანტურ-მექანიკური ფენომენი – ნეიტრინოს ოსცილაცია. ნეიტრინო რომელიც გარკვეული არომატით (ელექტრონული, მიუონური ან ტაუონური) დაიბადა  შეიძლება შემდეგ აღმოჩნდეს სხვა არომატით, შეიცვლის რა მას პონტეკორვო-მაკი-ნაკაგავა-საკატა მატრიცის შესაბამისად. ლეპტონური არომატის დარღვევა (LFV) ნეიტრალური ლეპტონების სექტორში დადასტურებული ფაქტია, მაგრამ როგორია სიტუაცია მათ დამუხტულ პარტნიორებში?

ირღვევა თუ არა დამუხტული ლეპტონების არომატი (CLFV)?

COMET ექსპერიმენტის მიზანია პასუხი გასცეს ამ შეკითხვას. უფრო ზუსტად, ატომბირთვებზე შეისწავლება  მიუონების ელექტრონებში  ნეიტრინოს გარეშე μ– → e– კონვერსია

μ– + N(A, Z) → e– + N(A, Z),

მგრძნობელობის დონით ~ 10-17. ამ მოვლენის ახსნა  მხოლოდ იმ შემთხვევაშია შესაძლებელი თუ სტანდარტული მოდელის მიღმა არსებობდა ახალი, დღემდე უცნობი ფიზიკური მოვლენები.  აღსანიშნავია, რომ თანამედროვე ტექნოლოგიების წყალობით μ– → e– კონვერსია  უფრო მგრძნობიარეა ახალი ფიზიკის მიმართ სხვა CLFV პროცესებთან შედარებით, როგორებიცაა μ → eγ, μ → eee.

მიუონები წარმოადგენენ საუკეთესო ლაბორატორიას CLFV მოვლენის კვლევისთვის, რადგანაც ისინი მრავლად წარმოიქმნებიან და საკმაოდ დიდი სიცოცხლის ხანგრძლივობა აქვთ. თანამედროვე ამაჩქარებლებს  წელიწადში 1015 მიუონების წარმოქმნა შეუძლიათ. ახალი ინტენსიური წყაროების გამოყენებით J-PARC-ის მთავარ პროტონულ რგოლზე შესაძლებელი იქნება წელიწადში 1018–1019 რაოდენობის მიუონების მიღება, რაც  მაღალი მგრძნობელობის ექსპერიმენტის ჩასატარებლად აუცილებელია.

CLFV-ს როლი ნაწილაკების ფიზიკაში

დამუხტულ ლეპტონებს შორის არომატის გაცვლით მიმდინარე პროცესებს დიდი პოტენციალი გააჩნიათ ახალი ფენომენის გამოსავლენად. დღეისათვის მხოლოდ ჰიგსის ბოზონი იქნა დამზერილი დიდ ადრონულ კოლაიდერზე, მაგრამ არა სხვა ახალი ნაწილაკები, რომელთა არსებობა, ფიზიკის თვალსაზრისით, მოსალოდნელია სტანდარტული მოდელის მიღმა. CLFV-ის დამზერა  პირდაპირი მითითება იქნება სტანდარტული მოდელის მიღმა შესაძლო არსებული ფიზიკური მოვლენების შესახებ. რამდენიმე ასეთი თეორიული მოდელი არსებობს, მაგალითად:  სუპერსიმეტრიული, დიდი გაფართოების მოდელი,  დამატებითი განზომილებების მოდელი, რომელთა ფარგლებში  შესაძლებელია  პროცესები დამუხტული ლეპტონების არომატის დარღვევით (CLFV პროცესები).

სავარაუდოდ COMET ექსპერიმენტი მოგვცემს შეზღუდვებს ასეთი მოდელებისთვის.

μ– → e– კონვერსიის ფენომენოლოგია

მიღებულია, რომ μ– → e– კონვერსია მიმდინარეობს შემდეგნაირად: როდესაც მიუონი რაიმე ნივთიერების მიერ შეჩერდება, ის ჩაიჭირება ატომში და  მიუონური ატომი წარმოიქმნება. მიუონი კასკადურად იწყებს გადასვლას მიუონური ატომის ძირითადი მდგომარეობისკენ. მიუონის შემდეგი ბედია ან დაშლა ატომურ ორბიტაზე μ– → e– vμв, ან მისი ჩაჭერა ბირთვში (A, Z  მასური და ატომური რიცხვით)  ნეიტრინოს გამოსხივებით  μ– + N(A, Z) → vμ + N(A, Z – 1).

გარდა ამისა, სტანდარტული მოდელის მიღმა ფიზიკის თვალსაზრისით შესაძლებელია ეგზოტიკური პროცესი, ბირთვში მიუონის ჩაჭერა ნეიტრინოს გამოსხივების გარეშე μ– + N(A, Z) → e– + N(A, Z). ამ პროცესს μ– → e– კონვერსია მიუონურ ატომში.  ეს პროცესი ერთი ერთეულით არღვევს ლეპტონური არომატის რიცხვის შენახვას,  მაგრამ სრული ლეპტონური რიცხვი ინახება. ამ პროცესის ალბათობა μ– → e– კონვერსიისა და  მიუონის ნორმალური ჩაჭერის ფარდობით განისაზღვრება, კერძოდ:

ბირთვის საბოლოო მდგომარეობა შეიძლება იყოს როგორც ძირითადი, ასევე ერთ-ერთი აღგზნებული მდგომარეობა. საზოგადოდ, დომინირებს  ძირითად მდგომარეობაში გადასვლა, რომელსაც  კოჰერენტული ჩაჭერა ეწოდება.

მიუონურ ატომში კოჰერენტული μ– → e– კონვერსიის დამახასიათებელი ნიშანია მონოენერგეტიკული ელექტრონის გამოსხივება მიუონის მასის ტოლი ენერგიით Ee ≈ mµ. ამ ფაქტის გამო μ– → e– კონვერსია ძალიან მოსახერხებელია ექსპერიმენტული თვალსაზრისით, ვინაიდან  ამ პროცესის ძიებას ამარტივებს. ეს პროცესი  შეიძლება მკაფიოდ იქნას იდენტიფიცირებული ელექტრონის განსაზღვრული ენერგიის გამო (დაახლოებით 105 მევ), რომელიც მიუონის ჩვეულებრივი დაშლის სპექტრის ზედა ზღვარს (∼52.8 მევ) საკმაოდ აღემატება. გარდა ამისა, რადგან შემთხვევის სიგნატურა  მონოენერგეტიკული ელექტრონია,  არ მოითხოვება თანხვედრული გაზომვების ჩატარება. პოტენციურად ეს  ექსპერიმენტის მგრძნობელობის გაზრდის საშუალებას იძლევა მიუონების მაღალი სიმკვრივის ნაკადის გამოყენებით, თუ გამოირიცხება ისეთი  შემთხვევითი ფონური პროცესები, როგორიცაა μ → eγ, μ → eee დაშლები.

 COMET ექსპერიმენტი J-PARC-ში

COMET ექსპერიმენტის განხორციელება გათვალისწინებულია იაპონიის პროტონული ამაჩქარებლის კომპლექსის (J-PARC) ბაზაზე. კომპლექსის მთავარი რგოლიდან გამოყენებული იქნება 8 გევ ენერგიის პროტონების პორციებად დანაწევრებული ნაკადი. ექპერიმენტული დანადგარი, რომელიც  პიონის ჩაჭერის სექციას შეიცავს, მიუონური ნაკადის ტრანსპორტირების მოდული და დეტექტორული ნაწილი გამოსახულია ნახ. 1-ზე.

COMET ექსპერიმენტის მიზნის მისაღწევად ექსპერიმენტული დანადგარის მიმართ რამდენიმე მნიშვნელოვანი მოთხოვნა განიხილება. მათ შორის:

• მაღალი ინტენსივობის მიუნური წყარო: სასურველი მგრძნობელობის მისაღწევად სამიზნეში გაჩერებული მიუონების რაოდენობა უნდა ოყოს 2x1018. მიუონების ნაკადის ინტენსივობის გასაზრდელად  მაღალი სიმძლავრის პროტონების ნაკადი და პიონების ჩამჭერი სისტემა გამოიყენება.
• პულსირებადი პროტონული ნაკადი: პროტონების ნაკადთან დაკავშირებული ფონური შემთხვევების შესამცირებლად, შეთავაზებული იქნა პულსირებადი პროტონული ნაკადის  „beam pulsing“ გამოყენება.
• მიუონის ტრანსპორტირების სისტემა: პიონების დაშლით მიღებული მიუონების მაღალი ეფექტურობით ტრანსპორტირება განხორციელდება ზეგამტარი სოლენოიდის მაგნიტური სისტემით, ხოლო ფონური ელექტრონების მოშორება სწორი და მრუდი უბნების მონაცვლეობით.
• ელექტრონის ტრანსპორტირების სისტემა და დეტექტორი: ფონური ელექტრონების მოსაცილებლად და მცდარი ტრეკების შესამცირებლად, გამოყენება  მრუდი გეომეტრიის სოლენოიდების სისტემა, რაც უზრუნველყოფს ელექტრონების სელექციას იმპულსების მიხედვით. ელექტრონები 80 მევ/c-ზე ნაკლები იმპულსით, რომლებიც ძირითადად  ორბიტაზე მიუონების დაშლის პროდუქტები არიან, დეტექტორში აღარ მოხვდებიან.

ნახატი #1

■ თსუ მეფი-ს ფიზიკოსებს სტანდარტული მოდელის შესამოწმებლად ჩატარებულ ექსპერიმენტებში მონაწილეობის მრავალწლიანი გმოცდილება გააჩნიათ. ეს ექსპერიმენტები, PiBeta და MMbar,  80-იან წლებში პაულ შერერის ინსტიტუტის სინხროტრონზე (შვეიცარია) იყო შესრულებული. ექსპერიმენტების შედეგები სრულ თანხმობაში აღმოჩნდა სტანდარტულ მოდელთან.

COMET ექსპერიმენტში ქართული ჯგუფის მონაწილეობა

აღსანიშნავია, რომ თსუ მეფი-ს ფიზიკოსებს სტანდარტული მოდელის შესამოწმებლად ჩატარებულ ექსპერიმენტებში მონაწილეობის მრავალწლიანი გმოცდილება გააჩნიათ. ეს ექსპერიმენტები, PiBeta და MMbar,  80-იან წლებში პაულ შერე-რის ინსტიტუტის სინხროტრონზე (შვეიცარია) იყო შესრულებული. ექსპერიმენტების შედეგები სრულ თანხმობაში აღმოჩნდა სტანდარტულ მოდელთან.

თანამშრომლობა თსუ მეფი-სა და  COMET კოლაბორაციას შორის დაიწყო ექვსი წლის წინ. თავდაპირველად ქართული ჯგუფი  ელექტრომაგნიტური კალორიმეტრის კვლევით და საპროექტო სამუშაოებში მონაწილეობდა, რაც სცინტილაციურ კრისტალებში სინათლის გავრცელებისა და სცინტილაციური პროცესების მოდელირებას გულისხმობდა. ამჟამად დაგეგმილია მონაწილეობა კალორიმეტრისთვის საჭირო 2500 კრისტალის ტესტირებისა და სერტიფიცირების სამუშაოებში. ასევე დუბნის ბირთვული კვლევების გაერთიანებული ინსტიტუტის ფიზიკოსებთან ერთად მოხდება კალორიმეტრის აწყობა და ამაჩქარებელზე მისი გამოცდა. დაგეგმილია ექსპერიმენტული მონაცემების მიღებისა და დამუშავება-ანალიზის პროგრამული უზრუნველყოფის სამუშაოებში მონაწილეობა.

ეს პროექტი სხვა მნიშნელოვან პროექტებთან ერთად, რომლებიც სრულდება ევროპის ბირთვული კვლევების ცენტრთან (ცერნი, ჟენევა), იულიხის კვლევების ცენტრთან (გერმანია) და დუბნის ბირთვული კვლევების გაერთიანებულ ინსტიტუტთან ერთად ელემენტარული ნაწილაკების მკვლევარი ქართველი ფიზიკოსებისთვის საინტერესო პერსპექტივებს ქმნის შემდგომი  სამეცნიერო საქმიანობის ინტერნაციონალიზაციის გზაზე.

 22-26 სექტემბერს ივ. ჯავახიშვილის სახელობის თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტი (თსუ) მასპინძლობდა COMET საერთაშორისო თანამშრომლობის ვორქშოპს. ექსპერიმენტი ნაწილაკების ფიზიკაში იაპონიის პროტონული ამაჩქარებლის კვლევითი კომპლექსის (J-PARC) ბაზაზე ხორციელდება. ვორქშოპი თსუ მაღალი ენერგიების ფიზიკის ინსტიტუტის (მეფი) მიერ იყო ორგანიზებული შოთა რუსთაველის ეროვნული სამეცნიერო ფონდის მხარდაჭერით. ვორქშოპში მონაწილეობა მიიღო საერთაშორისო თანამშრომლობის წევრი 8 ქვეყნის ორმოცდაათამდე წარმომადგენელმა.