75 лет Лаборатории ядерных проблем

Первый ускоритель Дубны

Лаборатория ядерных проблем имени В.П.Джелепова - самый первый ядерный центр, возникший на том месте, которое теперь известно всему миру под именем Дубна. Судьба этого центра была определена 18 августа 1946 года, когда по инициативе академика И.В.Курчатова для проведения фундаментальных исследований в области ядерной физики правительством СССР было принято решение о сооружении первого в стране крупного ускорителя - синхроциклотрона.

14 декабря, в день 75-летия пуска первого ускорителя Дубны, сотрудники лаборатории-юбиляра, их коллеги из других лабораторий и научных центров соберутся в ДК "Мир" на торжественное собрание.
В честь этой знаменательной даты мы публикуем уже ставшие историческими воспоминания, написанные для нашей газеты Михаилом Григорьевичем МЕЩЕРЯКОВЫМ, и Венедиктом Петровичем ДЖЕЛЕПОВЫМ, и ветеранами лаборатории.

ИЗ ВОСПОМИНАНИЙ М.Г.Мещерякова следует, что со второй половины 1944 года в кругах советских ученых, занятых исследованиями в области ядерной физики, началось обсуждение возможности строительства в нашей стране ускорителей частиц. Несколько совещаний по этому вопросу прошло под руководством академика И.В.Курчатова в организованной им Лаборатории №2 АН СССР, впоследствии ставшей Институтом атомной энергии АН СССР (ныне РНЦ "Курчатовский институт"). В заседаниях участвовали А.И.Алиханов, В.И.Векслер, К.Д.Синельников, И.Е.Тамм, из Ленинграда приглашались Б.А.Никитин, Л.И.Русинов, Д.В.Ефремов и М.Г.Мещеряков, руководивший тогда циклотроном в Радиевом институте АН СССР. В результате дискуссий остановились на том, что для обеспечения перспективных направлений фундаментальных физических исследований необходимо построить в СССР два ускорителя на рекордные по тем временам энергии - протонный ускоритель на 450-500 МэВ с последующим увеличением энергии до 650-700 МэВ и электронный ускоритель на энергию не менее 250 МэВ.

Эта точка зрения физиков легла в основу судьбоносного для Дубны решения правительства СССР (1946 г.), на основе которого для строительства ускорителя и научного центра был выделен из Госфонда заболоченный участок леса на правом берегу верхней Волги рядом с поселением Большая Волга.

Прошло почти два года, и в 1948 году этот центр был образован. По соображениям конспирации и близости к Московскому морю он получил название Гидротехнической лаборатории (ГТЛ) АН СССР. Фактически это был филиал Лаборатории №2, которой заведовал в Москве Игорь Васильевич Курчатов.

Директором ГТЛ и научным руководителем разработок по ускорителю был назначен Михаил Григорьевич Мещеряков, а его заместителем - Венедикт Петрович Джелепов. Проектирование магнита ускорителя и электротехнического оборудования было выполнено под руководством профессора Д.В.Ефремова - сотрудника специального конструкторского бюро ленинградского завода "Электросила". Разработка высокочастотной системы ускорителя и мощного высокочастотного генератора была выполнена под руководством члена-корреспондента АН СССР А.Л.Минца.

По настоянию И.В.Курчатова разработка синхроциклотрона была начата в Лаборатории №2. В ней организовали ускорительный отдел (руководитель М.Г.Мещеряков), призванный в кратчайший срок создать действующую модель будущего синхроциклотрона и проверить на ней принцип автофазировки. В декабре 1947 года такая модель уже была задействована, а к середине 1948-го на ней были исследованы все существенные особенности синхроциклотронного способа ускорения протонов. В проведении этих работ активное участие принимали сотрудники отдела Н.П.Богачев, Е.Л.Григорьев, В.С.Катышев, А.А.Реут и А.А.Кропин. С самого начала предполагалось, что после завершения исследований модели нового ускорителя этот отдел переедет на место строительства синхроциклотрона и станет ядром будущего научного центра. В 1948-1949 гг. в лабораторию синхроциклотрона вошли Н.И.Фролов, Ю.М.Казаринов, А.Г.Вахромеев, Б.И.Замолодчиков, Б.М.Головин, а также тогдашние студенты-дипломники В.П.Дмитриевский, А.Е.Игнатенко, Г.И.Селиванов, Л.М.Сороко. Эта небольшая группа и положила начало первому научному коллективу Дубны.

Запуск синхроциклотрона был проведен в рекордные сроки - 14 декабря 1949 года. Это было историческое событие - первый в СССР, первый в Дубне ускоритель заработал. Именно этот день теперь считается днем рождения Лаборатории ядерных проблем.

На синхроциклотроне были сначала ускорены дейтроны до энергии 280 МэВ, альфа-частицы - до 250 МэВ, а вскоре и протоны - до 480 МэВ. До 1953 года синхроциклотрон оставался крупнейшим ускорителем в мире.

В 1953 году после увеличения диаметра полюсов магнита синхроциклотрона до шести метров и существенной реконструкции его высокочастотной системы был введен в действие протонный вариант ускорителя на энергию протонов 680 МэВ с интенсивностью пучка протонов примерно 0,3 мкА. Одновременно с этим В.П.Дмитриевским был осуществлен новый, регенеративный метод вывода частиц из ускорителя, что позволило увеличить интенсивность выведенного пучка в десятки раз.

В 1958-1962 гг. под руководством Б.И.Замолодчикова на синхроциклотроне ЛЯП были проведены работы, результаты которых привели к десятикратному повышению интенсивности ускоренного внутреннего пучка протонов синхроциклотрона. Величина тока пучка на конечном радиусе составила 2,4 мкА. В результате перечисленных выше работ синхроциклотрон ЛЯП начал работать на физический эксперимент по 6-6,5 тыс. часов в год. Был создан экспериментальный павильон, отделенный от ускорителя четырех­метровой стеной и закрытый толстым полутораметровым потолочным перекрытием из тяжелого бетона. В этот зал были выведены с помощью отклоняющего магнита и коллиматоров 14 пучков протонов, пионов и нейтронов различных энергий. Благодаря наличию пучков поляризованных протонов, положительно и отрицательно заряженных пионов, нейтронов и в особенности пучков мюонов, полученных от распада пионов в 15-метровом жесткофокусирующем канале из магнитных линз (руководители Б.И.Замолодчиков и А.А.Кропин), были существенно расширены возможности для проведения различных физических экспериментов на синхроциклотроне. Это открыло новые горизонты фундаментальных исследований по ядерной физике не только для физиков Дубны, но и ученых из Москвы, Ленинграда, Харькова и других городов.

Действительно, на синхроциклотроне под руководством М.Г.Мещерякова и В.П.Джелепова были выполнены многие пионерские исследования, заложившие основы современной физики элементарных частиц высоких энергий. В обсуждении и разработке программы исследований на этом ускорителе принимали участие крупнейшие советские ученые - И.В.Курчатов, Я.Б.Зельдович, И.Е.Тамм, Н.Н.Семенов, Л.Д.Ландау, А.Б.Мигдал, И.Я.Померанчук, А.И.Алиханов, И.И.Гуревич, Г.И.Будкер, В.И.Гольданский и другие.

В 1953 году ГТЛ получила статус самостоятельного академического учреждения - Института ядерных проблем АН СССР. В 1956 году ИЯП, войдя в состав ОИЯИ, стал называться Лабораторией ядерных проблем. Директором был избран В.П.Джелепов, возглавлявший бессменно ЛЯП до 1988 года. Синхроциклотрон ЛЯП стал первой действующей базовой установкой ОИЯИ.

Сотрудники сектора ЛЯП профессора М.Г.Мещерякова (в первом ряду в центре). 1959 год

ПО СЛОВАМ В.П.Джелепова, героический труд создателей синхроциклотрона, ввод его в действие и начало исследований на нем ознаменовали собой рождение в нашей стране новой области ядерной физики - физики высоких энергий. Большая группа инженеров и ученых лаборатории за создание ускорителя и проведение важных физических исследований была дважды удостоена Сталинской премии и награждена орденами Советского Союза.

Благодаря синхроциклотрону Лаборатория ядерных проблем стала родоначальницей ряда научных направлений ОИЯИ. Это исследования по мю-катализу, динамика превращений элементарных частиц и атомных ядер, редкие распады пионов и каонов, физика нейтрино и электрослабых взаимодействий, ядерная спектроскопия, создание поляризованных протонных и дейтериевых мишеней с высокой степенью поляризации. В ЛЯП впервые в СССР были применены протоны высоких энергий (и другие заряженные частицы) для терапии злокачественных опухолей. Впервые здесь были созданы пучки протонов и нейтронов с энергиями в сотни МэВ для биофизических и радиобиологических исследований по космической медицине. Рассмотрена возможность использования сильноточных изохронных циклотронов для управления подкритическими сборками и создания на этой основе безопасной ядерной энергетики и установок для трансмутации ядерных отходов. Актуальность этих исследований со временем только возрастает.

Новое дыхание синхроциклотрон получил в 1967 году, когда был предложен проект его модернизации в фазотрон со спиральной структурой магнитного поля на энергию протонов 680 МэВ (проект "Ф"). Руководили реализацией проекта "Ф" В.П.Джелепов и В.П.Дмитриевский, а на завершающей стадии - Л.М.Онищенко. При реконструкции машины были заменены практически все основные элементы и системы синхроциклотрона. Из старого оборудования ускорителя остались только ярмо основного магнита и высоковакуумные агрегаты. При огромных размерах основных деталей (полюс магнита составляет 6 метров) необходимо было изготавливать сложные по форме многотонные детали с ювелирной точностью (доли миллиметра), для чего потребовались уникальные механические станки, имеющиеся только в единичном исполнении на специализированных предприятиях страны. При изготовлении двух вариаторов частоты, представляющих собой практически высокооборотные турбины, также решен целый ряд как механических, так и технологических проблем. Сооружение всего комплекса уникального оборудования установки "Ф" заняло в общей сложности более 12 лет.

Физический пуск фазотрона был осуществлен летом 1984 года. Таким образом дубненский синхроциклотрон был реконструирован в новый ускоритель - фазотрон со спиральной вариацией магнитного поля, нарастающего с увеличением радиуса. Протоны в нем ускорялись до энергии 680 МэВ. При этом максимальный ток внутреннего пучка был увеличен в 4 раза, интенсивность выведенного пучка - в 20 раз. Это существенно расширило спектр исследований в ЛЯП. Для их успешного проведения были сооружены дополнительные павильоны - низкофоновая лаборатория, павильон для исследований по ядерной спектроскопии, шестикабинный комплекс для лечения онкологических заболеваний и ряд других.

Введение в строй дубненского синхроциклотрона, способного ускорять частицы до рекордных по тем временам энергий, а затем его модификация и проведение уникальных физических исследований - всё это заложило прочный фундамент исследовательской программы Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ. Достигнутые и всемирно признанные успехи сотрудников ЛЯП, огромный накопленный опыт - всё это неразрывно связано с первым дубненским ускорителем - синхроциклотроном.

УЧЕНЫМ ЛЯП ПРИНАДЛЕЖАТ 13 научных открытий, зарегистрированных в Государственном реестре Советского Союза. Результаты научных исследований лаборатории более 100 раз отмечены премиями Объединенного института ядерных исследований. В ЛЯП защищено более 105 докторских и более 360 кандидатских диссертаций сотрудниками из всех стран-участниц ОИЯИ. Многие из воспитанников лаборатории ныне возглавляют крупные коллективы ученых в различных институтах и лабораториях России и других стран-участниц ОИЯИ.

Отмеченные выше направления исследований ЛЯП, берущие свое начало от первого дубненского синхроциклотрона, не только не потеряли свою значимость, но и стали еще более востребованы. Эти направления постоянно развиваются, приобретают еще большую актуальность и определяют современное лицо Лаборатории ядерных проблем имени В.П.Джелепова.

В соответствии с долгосрочным планом развития ОИЯИ ("дорожной картой") прогресс в области современной ядерной физики и физики элементарных частиц можно разделить на взаимосвязанные направления - исследования на основе увеличения энергии ускорителей, исследования на основе увеличения интенсивностей ускорителей, увеличение точности неускорительных исследований и исследования по астрофизике частиц.

Исходя из этих общих направлений, ЛЯП ОИЯИ сосредоточивает свои усилия в четырех основных областях. Это исследования по физике нейтрино и изучение редких процессов с целью проверки и уточнения современных представлений в области физики частиц. Это участие в разработках отечественных установок и исследованиях на них. В частности, ЛЯП ОИЯИ планирует разработку высокопрецизионного компактного электромагнитного калориметра для детектора NICA/MPD. Ведутся разработки и по другим детекторам. Это престижные международные партнерские программы исследований на уникальных ускорительных комплексах, таких как Тэватрон (ФНАЛ), LHC (ЦЕРН), FAIR (GSI), ILC и других. И, наконец, это современные актуальные прикладные исследования, в частности протонная терапия и разработка медицинского ускорительного комплекса.

Как известно, современная физика нейтрино открывает перспективы в изучении вопросов, имеющих существенное значение для понимания таких явлений природы, как происхождение и величина массы нейтрино, иерархия и смешивание, нарушение комбинированной четности, источники космического излучения и т.п. Изучение свойств этих частиц и процессов с их участием - это традиционное направление ОИЯИ, заложенное в ЛЯП Бруно Понтекорво. Широкие исследования в области физики нейтрино составляют важную часть современной деятельности лаборатории и ее главную отличительную черту.

Изучение процессов двойного бета-распада - один из высших приоритетов ЛЯП. Эти исследования проводятся в рамках проектов NEMO, GERDA-MAJORANA и Super-NEMO. В них планируется достичь рекордных ограничений на эффективную массу нейтрино m_ν<0,04-0,11 эВ. Наблюдения осцилляции нейтрино указывают на наличие у этой частицы массы и несохранение лептонного числа. ЛЯП принимает участие в поиске нейтринных осцилляций путем регистрации тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино (проект OPERA), а также в проекте по изучению неизвестных параметров смешивания нейтрино - эксперимент с реакторными нейтрино Daya Bay. С помощью спектрометра GEMMA (установленного на Калининской АЭС) проводятся эксперименты по измерению магнитного момента нейтрино. Уникальные параметры этой установки позволяют ожидать рекордной чувствительности.

Традиционное для ЛЯП прецизионное изучение редких распадов мюонов и пионов позволит проверить Стандартную модель и ее универсальность. Так, в ЛЯП планируется эксперимент по поиску распада мюона на электрон и фотон, в котором нарушается закон сохранения лептонного числа. Измерения нарушения комбинированной четности (CP) накладывают в настоящее время значительные ограничения на описание CP-нарушения в рамках Стандартной модели. Планы будущих исследований ЛЯП в этом направлении связаны с экспериментами в Протвино и ЦЕРН. ЛЯП принимает участие в изучении космических лучей сверхвысоких энергий, экспериментах по прямому и косвенному поиску так называемой темной материи. Прямое наблюдение частиц темной материи в наземном детекторе стало бы событием огромной важности для физики частиц и космологии.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СОЗДАНИЕ современных многоцелевых детекторных систем и их эксплуатация - это традиционная область деятельности лаборатории, восходящая своими корнями к первым физическим установкам, которые работали на синхроциклотроне. В настоящее время в планах ЛЯП важное место занимает участие в разработках таких отечественных установок, как многофункциональный детектор MPD для проведения исследований на ускорительном комплексе NICA ОИЯИ. Сотрудники ЛЯП работают над созданием компактного электромагнитного калориметра для детектора NICA/MPD. Разработка общего проекта, конструкции, фотодетекторов и электроники уже началась.

В рамках широкого международного партнерства ЛЯП принимает участие в долгосрочных программах мирового масштаба в различных научных центрах. Так, в экспериментах с детекторами CDF и D0 на ускорителе со встречными пучками Тэватрон (ФНАЛ) сотрудники ЛЯП уже получили физические результаты фундаментального значения. Опыт, приобретенный в этих экспериментах, крайне важен для участия в экспериментах на Большом адронном коллайдере (LHC). Главные ожидания ЛЯП в области фундаментальной физики высоких энергий связаны с экспериментом ATLAS на LHC (ЦЕРН), который нацелен на прецизионное измерение продуктов взаимодействия протонов при рекордной энергии в 14 ТэВ.

В настоящее время ученые ЛЯП активно участвуют в работах по созданию ускорителя и детекторов для проекта FAIR в Дармштадте, международного ускорительного комплекса нового поколения. В ближайших планах - создание мюонной системы для эксперимента PANDA. Сотрудники ЛЯП принимают участие в экспериментах по проверке методов поляризации антипротонов, что является основой для разработки проекта проведения исследований в области спиновой физики на FAIR.

В ЛЯП ведутся работы по ускорителю и детекторам в рамках проекта Международного линейного коллайдера (ILC), который даст возможность продолжить и дополнить уникальные исследования, начатые на LHC.

Протонная терапия и дальнейшее развитие методов и средств адронной терапии, разработка и создание детекторов и инструментов как для исследования наноструктур и новых материалов, так и для систем безопасности и медицинского оборудования - это традиционно важные для ЛЯП направления прикладных исследований. Так, например, проект "Лечение опухолей с использованием протонных пучков" осуществляется в три этапа. Первый этап - разработка конформного лечения опухолей на фазотроне ЛЯП, обучение персонала и сертификация метода протонной терапии для использования в Российской Федерации. Второй этап - проектирование и строительство специализированных ускорителей для протонной и ионной терапии - реализуется сейчас совместно с бельгийской фирмой IBA. В качестве третьего этапа запланирована передача технологий и средств протонной терапии в строящиеся в России медицинские центры, которые смогут иметь пропускную способность до 1000 пациентов в год каждый.

По материалам еженедельника "Дубна", № 50 от 18 декабря 2009 года