Их имена - в истории науки

В.А.Никитин. Доклад на семинаре в музее ОИЯИ 03.04.12.

ЛФВЭ: три вехи истории

105-летие со дня рождения В.И.Векслера, 100-летие со дня рождения Л.П.Зиновьева и 55-летие пуска синхрофазотрона... Все эти даты касаются одной лаборатории, целесообразно об этом поговорить в едином докладе. Взгляд в прошлое позволяет планировать будущее, поэтому давайте пройдемся по замечательным моментам нашей истории и попробуем порадоваться успехам, посожалеть об упущенном. И это нас, может быть, чему-нибудь научит.

Владимир Иосифович Векслер родился в Житомире 4 марта 1907 года. Его мать, Регина Владиславовна, была женой инженера-электрика Иосифа Векслера. Уже будучи замужем, она полюбила художника Давида Петровича Штеренберга. Он и стал отцом ее сына. Еще до рождения ребенка Штеренберг эмигрировал во Францию. Владимир Иосифович не ужился в семье отчима, и поэтому юношеские годы он провел в детской колонии. Однако в это время Штеренберг встречался с сыном и брал его в поездки за границу. Будучи в Германии, нарисовал портрет сына, который был кому-то продан.

В 1925 году Владимир Иосифович начал трудовую деятельность электриком на фабрике, в 1931 году окончил Московский энергетический институт. В 1930 начал научную работу, будучи еще студентом, потом С.Вавилов пригласил его в Физический институт Академии наук для исследования космических лучей. В 1937-40 годах под руководством Векслера состоялись несколько экспедиций на Эльбрус, где была открыта адронная компонента космических лучей, чего тогда о космических ливнях не знали. В годы войны он работал в Казани по оборонной тематике, где применял наработки (электронику), сделанные ранее. Вместе с Евгением Львовичем Фейнбергом, его правой и левой рукой, они разрабатывали звуковой локатор.

1944 год - изобретение ускорителя электронов, микротрона. В этой машине электроны на каждом обороте попадают в нужную фазу ускоряющего электрического поля. Это привело Векслера к открытию принципа автофазировки, что послужило теоретической основой для всех циклических ускорителей. В 1947-1949 годы были сооружены сразу несколько синхротронов, на которых был испытан принцип автофазировки.

По решению правительства в 1949 году началось проектирование ускорителя на энергию 10 ГэВ. В то время было известно, что в Америке строится ускоритель на энергию 6 ГэВ, поэтому все более "низкоэнергетичные" проекты были отложены и началась эпопея синхрофазотрона. В 1953 году была создана модель синхрофазотрона на 180 МэВ протонного пучка. В это же время Векслер думал о принципиально новых путях ускорения частиц, которые он назвал когерентным или коллективным. Их суть состоит в том, что тяжелые ионы захватываются облаком электронов (или кольцом электронов). Отношение массы протона к массе электрона примерно две тысячи. Поэтому можно ускорить протоны или ионы до энергии в десятки ГэВ, используя электроны с энергией порядка 1 МэВ. Принцип коллективного ускорения был испытан в ЛВЭ.

В марте 1957 года состоялся запуск синхрофазотрона на 10 ГэВ в Дубне. В 1964 году Владимир Иосифович избран действительным членом Академии наук, основал журнал "Ядерная физика". Он скончался от сердечной недостаточности 22 сентября 1966 года в Москве.

Владимира Иосифовича, возглавившего сооружение самого большого ускорителя в мире в Дубне, можно уверенно назвать и отцом-основателем ОИЯИ.

Нильс Бор был в Советском Союзе в 1961 году, за год до своей смерти. Он приехал по приглашению Ландау, с которым они были друзьями еще по 30-м годам, когда Ландау работал в Институте Бора. Бор высоко оценил то, что делалось в ОИЯИ и в Советском Союзе. Дубна была Меккой физиков. Многие ученые, в том числе будущий директор лаборатории имени Ферми Роберт Р.Уилсон приезжали на экскурсии на син-хрофазотрон. Был здесь премьер-министр Великобритании Г.Макмиллан, наш министр иностранных дел А.Громыко... Теперь мы такую публику здесь собрать не сможем.

Перейдем ко второму герою, очень важному лицу нашей истории - Леониду Петровичу Зиновьеву. Он работал с Векслером начиная с 1949 года, когда по решению правительства началось проектирование синхрофазотрона, был переведен из Обнинска, где работал по аналогичной тематике, создавая ускоритель более низкой энергии. Был руководителем отдела синхрофазотрона, руководил его строительством, наладкой и запуском, лауреат Ленинской премии, участник Великой отечественной войны, Почетный гражданин Дубны. Несколько вех его биографии: родился в 1912 году в Волоколамске, работал на строительстве дворца Советов в Москве, в 1940 году закончил Московский энергетический институт, и в 1941-45 годах прошел от Ленинграда до Берлина в составе авиационной части в должности командира электротехнического взвода. После демобилизации начал работать в Обнинске, тоже по ускорительной тематике. В 1949 году началась эпопея синхрофазотрона, Леонид Петрович возглавлял самый важный участок лаборатории - отдел синхрофазотрона. Векслер очень высоко оценил его вклад: "Успехи запуска синхрофазотрона и возможность проведения широкого фронта физических исследований на нем в значительной степени связан с участием в этих работах Зиновьева Леонида Петровича". Стоит отметить замечательное событие 1969-1971 годов, когда были ускорены ядра. Началась эпоха релятивистской ядерной физики. Релятивистские дейтроны были получены у нас в Дубне впервые в мире.

Теперь наш третий герой - синхрофазотрон (СФ). Нильс Бор произнес замечательные слова: "Чтобы задумать и построить такое сооружение, должна быть очень большая смелость". И это действительно так. Предстояло решать сложные технические проблемы. Одна из таких задач - получение высокого вакуума в огромной камере ускорителя (размер 2 м на 40 см при диаметре 60 м). Это и по нынешним временам трудная задача.

Уместно сказать несколько слов о принципе работы ускорителя частиц. Простейшей машиной является электростатический ускоритель: есть источник ионов, и электрическое поле распределено по электродам. Ионы вытягиваются из области источника электрическим полем, получается ускоренный пучок. Таким образом можно получить энергию до нескольких миллионов электрон-вольт. Больше трудно получить технически, так как при высоком напряжении наступает пробой изоляторов. Следующим шагом в развитии этой идеи стал линейный ускоритель. В нем поле действует периодически между электродами, а порции частиц путешествуют по трубкам и ускоряются. Трубки имеют различную длину, чтобы сохранить синхронизм движения частиц и изменения ускоряющего поля. Такие ускорители сейчас строятся длиной от 20 см до 2 км. Интенсивно обсуждается проект линейного ускорителя электронов на энергию 0,5 ТэВ. Две такие секции, создающие встречные пучки, имеют длину 40 км. Это международный проект. Место его реализации пока не выбрано. Подано пять заявок на размещение лаборатории ILC (International Linear Collider). Дубна - среди претендентов на размещение ILC.

И наконец, если линейный ускоритель свернуть в кольцо, закрутив частицы с помощью магнитного поля, мы получаем циклический ускоритель. Но вот проблема - будут ли частицы держаться на орбите, ибо они имеют разброс по энергии и по координате. Возможно, несколько частиц удержатся на орбите, а остальные разбегутся. В 1944 году В.И.Векслер рассмотрел эту задачу и пришел к выводу, что существуют условия, при которых пучок автоматически удерживается на орбите. Этот режим получил название резонансного ускорения, или автофазировки. Принцип автофазировки состоит в следующем. Есть равновесная орбита, по которой вращается идеальная частица, ее энергия растет синхронно с энергией магнитного поля. Но есть другие частицы, которые следуют либо по более длинной орбите, либо по более короткой. Если по более длинной, то такая частица начинает запаздывать по сравнению с равновесной частицей. Она неизбежно выпадает из ускорения. Так вот, Векслер догадался, что частица опоздала, но при этом попала в меньшее ускоряющее поле. Она недополучила энергию. Радиус ее орбиты уменьшился. Поэтому на следующем обороте ее отставание уменьшится. Таким образом, частицы, которые отстают, подойдут к стабильной орбите (и фазе ускоряющего поля), и частицы, которые опережают, приблизятся к ней же.

Это Векслер понял интуитивно. Есть легенда, что он ходил по ФИАНу, рассказывал эту идею, но не мог оформить ее математически, поэтому его словам не доверяли. Математический аппарат оформил по просьбе Векслера Е.Л.Фейнберг, который работал с ним в Казани в течение четырех военных лет. Они были очень близки и хорошо друг друга понимали. Поэтому естественно, что Векслер попросил своего ближайшего коллегу, и тот, как говорят, за несколько дней написал уравнение, которое количественно показывало, что идея работает. Векслер опубликовал статью об автофазировке под своим именем и даже не выразил Фейнбергу благодарность. Позже Векслер поблагодарил его в речи при получении премии "Атом для мира", присужденной за это открытие ему и Э.Макмиллану, американскому физику, который сделал такую же работу на год позже. Лариса Зиновьева взяла интервью у Евгения Львовича Фейнберга. Он подтвердил свою причастность к открытию принципа стабильности пучка в циклическом ускорителе. Вокруг этого ведутся пересуды об этичности поведения Векслера. Я и большинство моих коллег считаем, что Векслер предложил этот принцип не просто потому, что он ему приснился. Открытию предшествовал длинный путь размышлений и создания микротрона, где аналогичная задача стояла, и он ее решил. Поэтому если бы не он, мы бы ждали Макмиллана. Е.Л.Фейнберг хорошо владел математикой, но к этой идее он прийти не мог.

Исследования на синхрофазотроне

Создание сепарированного пучка антипротонов - этим Векслер усиленно занимался, но заметных исследований выполнено не было, потому что интенсивность пучка на синхрофазотроне, к сожалению, на протяжении всей его истории была низкой. Дело в том, что инжектор синхрофазотрона, линейный ускоритель на 5 МэВ, конечно, неадекватен ускорителю на 10 ГэВ. Было ясно, что надо делать последовательно несколько колец, чтобы ускорять частицы до предельной энергии. Это связано с тем, что магнитное поле Земли начинает влиять на частицы с энергией 5 МэВ и держать их на нужной орбите становится трудно. Этого не было сделано, я не знаю, почему. Сам Векслер это понимал и пытался инжектор модернизировать. Была построена башня (ее называют башня царицы Тамары), в которой планировалось построить электростатический инжектор с большей интенсивностью, но это тоже не было реализовано.

Первые исследования были сделаны с помощью ядерных эмульсий, которые облучались на внутреннем (циркулирующем) пучке СФ. Это технически непростая задача. Но она была решена в короткий срок. Уже на первых оборотах пучка облученный материал был получен, обработан, и 1958 году в печать направлена первая статья.

Пузырьковые камеры были развиты на мировом уровне. Действовали две пропановые, две водородные и ксеноновая камеры. Л.Струнов изобрел оригинальную методику газовой камеры для исследований в очень интенсивном пучке пи-мезонов. Обычно в камеру пускают 10 частиц, иначе можно запутаться в треках. Струнову удалось направить на камеру тысячу частиц и впервые с высокой точностью исследовать упругое рассеяние пионов на протонах и гелии.

На пузырьковых камерах сделаны многие пионерские работы. Самое известное - это открытие антисигма-минус-гиперона. Есть знаменитая фотография, когда пи-мезон в камере рождает нечто, что распадается, и это нечто было идентифицировано как анти-гиперон. Тем самым существование антимира получило еще одну весомую поддержку. Случай рождения анти-гиперона замечателен еще тем, что здесь в одном событии участвуют 4 странных частицы. Этот уникальный случай показал, что странные частицы не какая-то особая каста. Они, как и другие адроны, могут рождаться множественно - важный экспериментальный факт.

Обнаружено, что барионное число сохраняет инерцию движения. То есть когда мы бросаем протон на мишень, то протоны или другие барионы, которые несут барионное число, в основном движутся вперед, создают так называемый передний конус, а пи-мезоны этого не делают. Это очень важная характеристика динамики взаимодействия. Она сейчас находится на острие пера физиков-теоретиков, это струйные события и прочее. Были исследованы характеристики странных частиц, некоторые резонансы.

Следует отметить одну из замечательных, остроумных идей - это поиск антигравитации. Известно, что нейтральный К-мезон есть суперпозиция частицы и античастицы. Концепции квантовой механики невозможно представить в наглядных образах. Иллюстрируя эту реальность, Э.Шредингер придумал кота, который может быть одновременно и живым и мертвым. Мы этого представить не можем, а в микромире это типичная ситуация. Итак, К-мезон состоит из частицы и античастицы. Э.Оконов, М.Подгорецкий и О.Хрусталев предложили остроумный эксперимент - давайте посмотрим, как эти частицы ведут себя при вертикальном движении. Тогда, если одна из них антитяготеет, то между ними появится разность фаз и схема распада изменится. То есть фазовое соотношение между частицей и античастицей нарушится и, в частности, короткоживущий мезон превратится в долгоживущий мезон. Этот опыт был сделан. Он показал, что как бы частицы ни двигались, вертикально или горизонтально, соотношение между каналами распада не меняется, то есть античастица не антитяготеет. Это интересный результат. Хотя многие сказали - а чего вы хотели? Так и должно быть. Но могло бы и не быть!

Одним из замечательных методических достижений лаборатории стало создание целой серии черенковских счетчиков. Рассказывают такую историю. А.Вовенко, И.Савин и другие предложили заниматься черенковскими счетчиками, которые измеряют скорость частицы по углу эмиссии черенковского света, что необходимо для идентификации частиц. Векслер к этой идее отнесся очень скептически. Но как руководитель он был замечателен тем, что редко запрещал. Поэтому ребята пошли в ЛЯП и начали там строить эти счетчики. И когда один из таких счетчиков заработал, они показали Векслеру, и он пришел в восторг, всячески приветствовал это достижение. Эта аппаратура вошла в состав многих установок. Подбирая давление внутри баллона счетчика, можно настроить его на регистрацию заданного сорта частиц: пи-мезонов, К-мезонов, протонов. Достигается эффективное разделение частиц. Техника черенковских счетчиков, разработанная в ЛВЭ в начале 60-х годов, получила широкое применение.

С помощью черенковского электромагнитного калориметра сделано открытие распада векторных мезонов омега и фи на электрон-позитронные пары (группа М.Хачатуряна). Этот принципиально новый процесс демонстрирует удивительное явление: адрон (ядерно активная частица) превращается в свет. Вот у нас есть мезон, потом появился виртуальный фотон, который превратился в электрон-позитронную пару. Пара регистрируется черенковским калориметром. Группа экспериментаторов достигла замечательного успеха. Но здесь есть чему радоваться, есть чему и огорчаться. Эта аппаратура, столь прекрасно отработавшая на СФ, могла быть применена на Серпуховском ускорителе. В 1968 году как раз начал работать Серпуховский ускоритель на энергию 70 ГэВ. И нужно было продолжить поиск частиц, которые распадаются на пару электрон - позитрон. Если бы эта группа была достаточно мобильна, подвижна (а такой план был), они бы могли открыть очарованные частицы джей-пси-мезоны - и получили бы Нобелевскую премию. Но они этого не сделали просто по нерасторопности, я другого не могу сказать.

И вот пример другой, когда нашлась группа физиков (И.Савин, М.Лихачев и другие), которые продолжили успешные работы по исследованию К-мезонов на СФ (Э.Оконов). Они существенно усовершенствовали технику регистрации К-мезонов, построили установку на ускорителе в Серпухове и сделали там замечательную работу по регенерации К-мезонов. В то время это было очень актуально: один К-мезон, проходя через вещество, превращается в две разные особи. Это получается из-за того, что при прохождении через вещество античастица взаимодействует сильнее, чем частица, что приводит к сдвигу фазы и появляется короткоживущий К-мезон. В то время это было важно для проверки теоремы Померанчука. Была измерена разность сечений взаимодействия частицы и античастицы с ядрами. Показано, что с ростом энергии разность сечений стремится к нулю, что и составляет содержание теоремы Померанчука. Она до сих пор звучит как важное утверждение в физике частиц.

Еще одно значительное исследование - измерены времена жизни гиперядер с точностью на порядок больше, чем в то время было в мире.

Следующая глава - исследование упругого рассеяния. В.Свиридов и его команда изобрели новый способ регистрации упругого рассеяния протонов, который прошел по всем ускорителям мира. На упругое рассеяние обратили внимание в конце 50-х годов, потому что оно позволяет наиболее прямым способом измерить размер протона и его оптические характеристики. Выражаясь упрощенным языком - подобен ли протон стеклянному шарику или представляет собой нечто еще более сложное. Поэтому исследованием упругого рассеяния занималось много групп. Проблема у всех состояла в медленном наборе статистики. Особый интерес представляет рассеяние на малые углы. Ширина дифракционного конуса прямо связана с размером частицы мишени, а форма углового распределения позволяет определить коэффициент преломления вещества мишени (точнее - сдвиг фазы при рассеянии). Частицу с малым углом рассеяния трудно отделить от гало пучка и другого фона. Другая возможность - регистрировать частицы отдачи. Но они имеют малую энергию и обычно остаются в веществе мишени.

Группа, которой руководил В.Свиридов, предложила метод внутренней мишени. В камеру СФ помещается тонкая мишень - толщиной до полмикрона. Частицы отдачи вылетают из такой тонкой пленки и их можно зарегистрировать и измерить энергию и угол эмиссии. Пучковую рассеянную частицу мы не видим, но использование кинематики (законов сохранения энергии и импульса) позволяет выделить упругое столкновение из фона. Серия экспериментов была выполнена на СФ, потом на серпуховском ускорителе У-70. Самое главное в этом изобретении состоит в том, что пучок проходит через мишень 10⁵ раз, прежде чем он рассеется и потеряется. Следовательно, эта техника позволила увеличить светимость мишени в 10⁵, это и был главный методический успех. Основной физический результат состоит в обнаружении, наряду с дифракцией, недифракционного механизма рассеяния протонов и дейтронов - так называемой действительной части амплитуды рассеяния. В то время считалось очевидным, что при большой энергии, в силу доминирования неупругих процессов, в упругое рассеяние дает вклад только дифракция. В теории дифракция интерпретируется как следствие тени, которую отбрасывает мишень. То есть дифракция появляется в результате поглощения части падающей волны. Открытие нового явления оказалось важным для проверки постулатов квантовой теории поля.

Следующий шаг в развитии техники эксперимента - создание чисто водородной мишени. Пленочные мишени содержат ядра, которые создают фон. Хорошо бы иметь чистую водородную, дейтериевую, гелиевую и пр. К.Толстов высказал идею струйной мишени. Возьмем сопло, которое применяется в самолетах. Оно было изобретено еще в 19-м веке и носит название сопла Лаваля. В нем газ проходит критическое (наименьшее) сечение, расширяется и вытекает в свободное пространство. При этом внутренняя тепловая энергия газа преобразуется в его поступательное движение. Формируется сверхзвуковое течение газа. Есть формулы для расчета угла раствора сверхзвуковой струи, выходящей из сопла. Идея сопла была усовершенствована для физических экспериментов путем создания промежуточных камер откачки, чтобы создать минимальную нагрузку на вакуумную систему ускорителя. Конструкция сопла была зарегистрирована как изобретение. В 1967 году были проведены стендовые испытания. За полтора года удалось создать установку и провести серию измерений на ускорителе в Серпухове. Вслед за этим, почти параллельно, был создан вариант аппаратуры для Лаборатории имени Ферми в США. Оборудование перевезено в Америку в 1972 году и действовало там до 1980-го. Лет десять назад я видел его в музее Физического общества США.

Техника струйной мишени прошла по нескольким ускорителям в Америке, ЦЕРН, в Лунде применялась в течение длительного времени. Церновские коллеги усовершенствовали этот метод. Они подобрали термодинамические параметры сопла так, что в струе образуются капельки конденсата. Эта "туманная" струя меньше расходится, более локализована.

Следующий шаг развития был сделан в нашем криогенном отделе - по разработке поляризованной струи. В аппарате создается пучок ионов, фокусируется сверхпроводящими магнитами, поляризуется высокочастотной системой и попадает в камеру ускорителя. Эта система была разработана вместе с Принстонским университетом. Дубненский вариант не дошел до применения на ускорителе, но наши идеи и разработки востребованы. В Брукхейвенской лаборатории устройство работает как поляриметр внутреннего пучка коллайдера RHIC.

Что было сделано на синхрофазотроне?

В упругом процессе интересна рассеянная волна. Что она собой представляет? Со времен Ньютона и Гюйгенса теория дифракции разработана подробно. Но в силовом центре взаимодействия могут иметь место недифракционные процессы, в частности преломление или более сложные явления. Есть формула, по которой можно рассчитать, что должен видеть экспериментатор. Он должен видеть кулоновское рассеяние и дифракцию. Но эксперимент показал существенное отклонение от такой модели. Это было открытие, которое на профессиональном языке формулируется как "действительная часть амплитуды рассеяния отлична от нуля", а на более простом означает, что в протоне действует не просто поглощение, а имеется сила, аналогичная преломлению. Это новый тип ядерных сил. Явление было открыто в 1962 году на СФ. Наша делегация в том же году в Женеве этот результат докладывала. А в это же время на английском ускорителе Nimrod получили свои точки. Они сильно разбросаны. Потом от части этих точек авторы отказались и теперь мы имеем более-менее устоявшуюся картину. Наши данные общепризнанны. Они показали путь для дальнейших исследований в этой области.

Еще одно достижение - это измерение размера объекта, на котором происходит упругое рассеяние. В дифракции угловое распределение характеризуется параметром наклона дифракционного конуса, который связан с размером области взаимодействия. Оказалось, что размер протона зависит от энергии луча, который его зондирует - растет с ростом энергии столкновения. Результат наших измерений доложен в Лунде в 1969 году. Он тоже вызвал почти ажиотаж. В то время большинство теоретиков считали, что реализуется классическая дифракция. Не может быть в природе так, что размер объекта зависит от длины волны, с помощью которой он наблюдается. Представьте, я смотрю на вас без очков, а потом надену синие очки, которые пропускают фотоны большой энергии. И я увижу вас увеличенными. Надену красные очки, которые пропускают фотоны малой энергии, и увижу вас уменьшенными (в детском возрасте!). Так происходит в релятивистской физике. Это считалось очень маловероятным, но такова оказалась природа. Наши исследования показали, что размер области взаимодействия зависит от длины волны, с помощью которой она зондируется. На профессиональном языке это называется "полюс Померанчука".

Еще одно направление - кумулятивный эффект. Представьте, вы играете в бильярд. Шар катится по столу и встречается с другими шарами. Назад он откатиться не может. Игроки знают, что никогда не закатить шар в лузу, которая по отношению к мишени находится в задней полусфере. Это запрещено кинематикой. В лучшем случае, при лобовом столкновении один шар улетит вперед, а другой остановится. Но опыт показал, что частицы назад летят, и с большой энергией! Значит, в ядре есть не просто набор этих шариков, как на бильярдном столе, а что-то более сложное. Д.Блохинцев написал работу о флуктонах - объектах с повышенной плотностью. Эксперимент показал, что рассеяние происходит на дейтроноподобном кластере, на тритоноподобном кластере, на альфаподобном кластере. То есть ядро - это более сложная динамическая система, чем набор "шаров" - нуклонов. Она может порождать частицы, которые кинематически запрещены. Это называется кумулятивным эффектом. При этом совместно действуют различные конституенты ядра (кварки и глюоны).

Другое направление, которое прошло по всему миру, - это управление пучком с помощью изогнутого кристалла. Частицы, попавшие между кристаллическими плоскостями, совершают колебательное движение, отражаясь от элекстростатического заряда ионов. Это явление было известно. Но Э.Цыганов предложил изогнуть кристалл. В.Авдейчиков сделал такое устройство. И когда через такой кристалл пропустили пучок, обнаружили его отклонение на 24 мрад. Следовательно, можно управлять пучком с помощью изогнутого кристалла. Магнитные поля, к которым мы привыкли в ускорителях, составляют примерно 1-2 Тесла (в LHC сейчас 5 Тесла). Изогнутый кристалл действует как магнитное поле напряженностью 60 Тесла, что до сих пор недостижимо. Эта техника была использована на СФ для вывода пучка. На серпуховском ускорителе сейчас имеется пять пучков, которые выводятся изогнутыми кристаллами. На SPS в ЦЕРН это тоже было сделано. Сейчас группа из Дубны и других лабораторий работает над тем, чтобы на Большой адронный коллайдер поставить изогнутые кристаллы в гало пучка и тем самым ликвидировать его радиационное (фоновое) воздействие на аппаратуру. Это совершенно новая техника, которая в мире востребована.

Благодарность за участие и поддержку физики испытывают к Леониду Петровичу Зиновьеву. Он очень благоприятно относился к физикам, поддерживал и советовал, оберегал от ошибок. На фотографиях вы видите группу диспетчеров, ВЧ-операторов, конструктора Е.Матюшевского, который в моей личной судьбе сыграл очень большую роль, - все эти люди, особенно Л.Зиновьев и главный инженер Н.Павлов, отличались, я бы сказал, демократичностью. Мы в то время еще не привыкли к необходимости написания технического проекта, потом его утверждению и так далее. Если у нас появлялась идея, мы немедленно бежали к ближайшему начальнику, подписывали заказ, тащили его в мастерскую и торопили - быстрей, быстрей. Когда железо было готово, мы сразу же бежали к Зиновьеву и говорили - надо ставить на пучок! Главный инженер часто возмущался: "Ребята, я же вас учил - где ваш проект?! Нет проекта, разве так можно?" Но тем не менее дело шло быстро, просто фантастически быстро. Я не агитирую, что так надо и дальше. Может, наша жизнь стала более сложная, но формализация в научных исследованиях сейчас достигла фантастических пределов, нужно годами писать бумаги.

В этом месте я отвлекусь и еще раз вспомню Л.П.Зиновьева и Н.И.Павлова, первого главного инженера лаборатории. Рассказывают такой случай. В 1952-53 годах модель синхрофазотрона на 180 МэВ была создана в ФИАН усилиями Леонида Петровича и его коллег. Дело подошло к разворачиванию работ на месте, выбранном для строительства новой лаборатории. Векслер сказал - создаем группу, которая должна поехать в Иваньково (будущая Дубна). Решение есть. Он позвал Зиновьева и Павлова и сказал - берите командировки и начинайте работы в поле. Как рассказывают очевидцы, Леонид Петрович с Николаем Ивановичем подумали - чего нам неизвестно куда ехать, на какой-то остров, мы не хотим, у нас здесь много интересной работы. Они пришли к Векслеру и сказали - мы решили, что у нас здесь есть еще много работы, мы не поедем в Иваньково. Тогда Векслер нажал кнопку, вошла секретарша и он ей говорит: "Вот товарищи отказываются выполнять правительственное распоряжение, пожалуйста, подайте документы в трибунал!". И Павлов отреагировал: "Нет, мы едем, мы едем!". Вот так началась эта история.

У нас есть замечательные достижения по физике, по методике, но у нас есть и провалы. Мы не открыли нарушение СР-четности, хотя Э.Оконов и его группа были очень близки. Что им нужно было сделать? Им нужно было заменить камеру Вильсона, очень медленный прибор, на проволочные детекторы, которые в то время уже были известны. Их просто надо было делать, нужно было решиться на новую технику. В этом винят Векслера, который вроде бы негативно относился к этой новой разработке. Но он ко многим инициативам сначала относился негативно. Однако если к нему прийти в третий раз, тогда он говорил - ну, давайте посмотрим. Многие в этом убедились. Первая реакция, как правило, была отрицательная, вторая отрицательная, а в третий раз - выслушивал. Люди Оконова не прошли через это сито и упустили Нобелевскую премию. А время у них было - наши физики увидели явление в 1960-61 годах, американцы это сделали только в 1964-м. Ну и, повторюсь, открыли ро- и омега-распады на электрон-позитронные пары, а очарованную джи-пси-частицу, которая распадается так же, не увидели. И упустили еще одну Нобелевскую премию. В этом случае тоже было много времени. Группа Хачатуряна совершила открытие на СФ в 1968 году. А очарованные частицы в ЦЕРН и Америке открыли только в 1974-м.

Перечислю некоторые официально отмеченные заслуги:

Ленинская премия за создание синхрофазотрона; Ленинская премия, связанная с кумулятивным эффектом; Государственная премия за дифракционные процессы. Имеется ряд наград правительственного уровня: премии за методические разработки, отмечу здесь развитие ЭВМ и он-лайн техники, изогнутые кристаллы.

И что мы в результате имеем? Давайте посмотрим на итоги деятельности, вехи нашей славной истории "с высоты птичьего полета".

Мы установили, что в природе все строится из 6 кварков, точечноподобных частиц, и 6 лептонов. Они связываются с помощью векторных частиц, переносчиков взаимодействия. Параметры кварков мы знаем, все это называется Стандартной моделью. Все частицы, которых у нас сейчас в таблице более 700 особей, строятся очень экономным способом - протон это uud, нейтрон - это udd, гиперон это uds. Правило построения - соблюсти квантовые числа частиц. У кварков квантовые числа известны. Квантовые числа - заряд, барионное число, спин - измерены. Надо комбинировать кварки так, чтобы из этих кирпичиков построить здание. Вот, например, (см. презентацию) октет барионов - в первой строке стоят протон и нейтрон. Уже сказано, из чего они состоят. Добавили один странный кварк, u заменили на s, получили тройку гиперонов. Кварк добавили - получилась дважды странная частица, еще один - трижды странная частица. Имеем очень красивую, экономную схему. Она является важной частью Стандартной модели частиц.

Нам известны четыре силы природы, их характеристики тоже хорошо определены. Но недостаток Стандартной модели состоит в том, что в ней около 25 свободных параметров. Эти константы взаимодействия, массы 6 кварков и 6 лептонов и др. Мы совершенно не знаем, откуда природа их берет. Поэтому такая модель, конечно, не конец наших знаний. Чтобы продвинуться за горизонт современного видения, построен следующий ускоритель - Большой адронный коллайдер. Его диаметр 6 км, длина 27 км. По данным за 2011год, выполнен поиск новых частиц, которые теория жаждет увидеть, - возбужденные кварки и др. Ставится задача выяснить: кварк - это последний кирпичик мироздания или он тоже составной? Это вопрос к природе. Для ответа на него созданы разные гипотетические концепции. И что же мы видим? (см. презентацию) Это число событий, а это масса, которая получается из сложения масс вторичных частиц. Экспериментальные точки согласуются с концепцией бесструктурных кварков. Отсюда сделан вывод: новых частиц пока не обнаружено, а кварки имеют размер меньше чем 10^-17 см. Напомню, что размер протона 10^-13 см. Таким образом, если поделить протон на 10 тысяч частей, то одна десятитысячная протона - это будет размер кварка. Структуру его пока мы не знаем. Протон состоит из трех кварков. Их называют валентными. Они задают квантовые числа протона. Но есть и нечто другое, что называется морем. Море получается из-за того, что кварки взаимодействуют друг с другом. Они связаны силами наподобие электрических. Но это другие силы, хотя математически они очень близки к электрическим. Частицы, аналоги фотона, называются глюонами (нарисованы в виде пружинок), а глюоны могут превращаться в пары кварк-антикварк, и вот получается море. Эта терминология уже широко применяется - есть адрон, в нем есть валентные кварки, есть морские кварки и глюоны. Любопытно изречение Лейбница: "Вы не должны представлять монаду (это простейшая частица на языке Ньютона-Лейбница, с которой оперирует классическая механика - прим. В.Н.) как истинно бесструктурный объект. Монада - это садик, в котором цветут деревья, в садике озеро, а в озере плавают рыбки". Он почти попал в точку - не озеро, а море! Просто поразительно, наверное, что-то эзотерическое в природе есть...

Стандартная модель нас не устраивает, потому что в ней много параметров. Как же можно ее развить? У теоретиков есть идея: истинно фундаментальными объектами являются струны - одномерные объекты, может, быть двухмерные, которые, как и струны музыкального инструмента, могут обладать разными обертонами. Звучания этих струн и есть частицы, которые мы наблюдаем. Тогда я бы перефразировал эту идею так: весь мир - это симфония, исполняемая оркестром суперструн. Эта модель очень привлекательна с математической точки зрения, но пока теория струн не дает конкретных указаний, какие же частицы из суперструн могут возникнуть. Как получить протоны, как получить кварки? Ответа пока нет. Суперструны математически можно построить только в 11-мерном пространстве. Характерные их энергии возбуждения очень высоки, недостижимы. Сейчас ведется работа над модификацией модели, чтобы приблизить ее к нашему миру.

Вернемся к синхрофазотрону. Сейчас у нас есть Нуклотрон, построенный в 1992 году, при очень скудном финансировании. Он позволяет вести скромные по масштабу исследования. Появилась идея использовать его как инжектор следующего проекта - коллайдера ядер. Почему ядра столь интересны? Потому что ядра, сталкиваясь, порождают нечто, что, вероятно, есть новое состояние материи, которое называется кварк-глюонной плазмой. В плазме кварки, которые составляют адроны, коллективизируются при большой плотности и большой энергии. При разогреве обычное вещество превращается в электроны и ионы. Так же протоны и нейтроны превращаются в кварки и глюоны. При столкновении ядер получены серьезные указания, что это так и есть. Чтобы присоединиться к мировому потоку исследований в этой области, предложен проект NICA, - на базе СФ, на его фундаменте, строится бустер, из бустера пучок вводится в Нуклотрон, из Нуклотрона - в два встречных кольца, образующих коллайдер. Там будут две установки для изучения высоковозбужденной ядерной материи.

Области применения ускорителей очень широки. Иногда нас обвиняют в том, что физики слишком оторвались от действительности. Ответ - ничего подобного! Ускорители привели к возникновению новой техногенной культуры. Появились радиационная медицина, диагностика скрытых веществ, нейтронный каротаж скважин, материаловедение, генерация синхротронного излучения и широкий ряд материаловедческих и биологических исследований, сварка электронным пучком. В настоящее время на ускорителе диагностику и терапию проходят около 100 тысяч пациентов в год. Это мировая статистика. В промышленности работает 18 тысяч ускорителей. В США доход от применения ускорителей в медицинской области оценивается в 20 млрд долларов в год. (см. презентацию) Этот снимок сделан в Лаборатории ядерных проблем: подготовка пациента к облучению. Медики докладывают, что вероятность возникновения метастаз после прохождения лучевой терапии составляет в среднем 6 процентов, в то время как при прочих способах лечения - 16. Но что мешает развить эту технику широко? Дороговизна. Сейчас разрабатываются компактные экономичные сверхпроводящие циклотроны. Для России надо 50 таких центров, чтобы удовлетворить всех нуждающихся в радиотерапии. У нас в России, насколько я знаю, 4 центра - Дубна (облучили 4 тысячи пациентов), ИТЭФ, оттуда недавно был докладчик, сообщил цифру около 70 пациентов в год, Новосибирск, Троицк. На комплексе NICA такая деятельность предусмотрена.

История развития ускорителей. В логарифмическом представлении показана энергия, полученная на ускорителе. Верхняя точка - энергия, которая достигнута человечеством на LHC. С гордостью отмечаю, что Дубна здесь отмечена двумя точками, и это не фунт изюма съесть - на такую карту поставить точку! Представлен также Серпухов с ускорителем У-70. Так что наш вклад в эту науку вполне заметен. Я оценил количество докладов, представленных на Рочестерскую конференцию. В 1972 году на конференции в Чикаго наш вклад был 18 процентов. Это работы, выполненные на наших установках, - Серпухов, Новосибирск, Дубна, ИТЭФ. Сейчас наш вклад меньше процента. На графике видно, что LHC - практически предельная точка, и спрашивается, это конец эры ускорителей? Других проектов человечество пока не выдвинуло.

Эволюция Вселенной и физика высоких энергий. Что мы знаем о Вселенной? Со времени примерно микросекунда от Большого взрыва мы более-менее уверенно говорим, какова она была. Это энергии порядка 1 ГэВ и ниже. На трех минутах начали образовываться ядра, на этапе 300 тысяч лет стали формироваться звезды и галактики. Ускорители действует в области энергии, близкой к состоянию Вселенной при времени меньше 1 микросекунды. Тэватрон и LHC дошли до 10^-12 секунды от гипотетического Большого Взрыва. Так человек проникает в структуру мира. Что же движет людьми, почему они не занимаются поисками хлеба насущного? Здесь играет роль непреодолимая жажда знаний. Эйнштейн говорил: "Самое прекрасное и глубокое переживание, выпадающее на долю человека, - это ощущение таинственности. Оно лежит в основе религии и всех наиболее глубоких тенденций в искусстве и науке". Джордано Бруно пошел на костер, но не захотел отказаться от своих убеждений. Теперь мы знаем - он оказался прав: что звезды - это миры. Галилей отсидел на домашнем аресте, Мечников был выслан из России, а потом получил Нобелевскую премию. Многие искатели истины пострадали. Тем не менее процесс познания продолжается. Мне понравилось высказывание Саркози (речь на конференции физиков в Париже): "Ученые не смогли бы изобрести электрическую лампу путем усовершенствования свечи". Действительно, в 19-м веке ученых можно было упрекать - ребята, ну усовершенствуйте лучину, усовершенствуйте свечу, чем вы там вообще занимаетесь, поисками какими-то...

Чтобы обобщить сказанное, я нарисовал такую картинку: идеальные, духовные устремления человека движут цивилизацией, а материальные интересы и материальные ресурсы появляются в результате этих поисков, казалось бы, совершенно беспочвенных, абстрактных, удаленных от жизни. Но этот процесс имеет положительную обратную связь. Ибо дальнейший путь прокладывается с использования накопленного материального ресурса. Хотя нам часто рекомендуют переставить их местами (лошадь и телегу).

Стивен Хокинг сказал: "Если мы действительно откроем полную теорию, узнаем, почему так произошло, что существуем мы и существует Вселенная, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятен замысел Бога"... От него я этого не ожидал! Почему-то некоторые ученые были религиозны, а Эйнштейн все время обращался к Богу в спорах своих с Бором. Эйнштейн, как известно, не принимал квантовую механику из-за ее стохастичности, потому что нельзя точно просчитать данный процесс, известна только вероятность. Он говорил - ваша квантовая механика не верна и не точна, потому что Бог не может играть в кости. А Бор говорил - Альберт, не учите Бога, что ему делать. И по этому поводу вспомнился анекдот.

Умер Эйнштейн и явился перед лицом Божьим, Бог говорит:

- Профессор, вы сделали так много для Моего человечества, что теперь Я готов выполнить любое ваше пожелание.

Эйнштейн:

- О, конечно, Господи. Я хочу знать, как строится теория, которую я не успел завершить на Земле.

Бог сказал: "Пожалуйста", и начал излагать общую теорию мира. Эйнштейн внимательно слушал и говорит:

- Господи, у Вас в этом уравнении ошибка.

Бог отвечает: "Я знаю", и продолжает излагать теорию.

О чем говорит эта сцена? Вероятно, она отражает очень глубокую сущность природы и процесса познания. Кант говорил: "Прямое следование логике ведет к дьяволу". То есть существуют такие моменты в познании, когда строгая логика неприменима. Нужно отклониться, уйти в сторону, сменить вектор. Необходимы интуиция и озарение. Оказывается, невозможно полное аксиоматическое построение теории, в которой все можно было бы доказать (теорема Геделя). В данной системе аксиом всегда есть недоказуемые и неопровержимые утверждения. А если эту систему аксиом дополнять, то они начинают противоречить друг другу. Мы живем в таком непростом мире. Опять же Эйнштейн сказал: "Бог, создавая мир, не позаботился о том, чтобы он был понятен человеку".

И закончить выступление хочу цитатой: "Уровень физики определяет уровень понимания всего окружающего нас мира, определяет уровень интеллектуальной зрелости человечества" - академик Л.Б.Окунь. Поэтому все, кто сеет знания, занимается с детьми, с молодежью, - делают великое дело.

Фото Юрия ТУМАНОВА