Горизонты научного поиска

Перед новым 2001 годом конкурсная комиссия по премиям ОИЯИ утвердила список соискателей и рекомендовала 89-й сессии Ученого совета рассмотреть это решение. Среди представленных на конкурс работ – результаты “Исследований реакция между легкими ядрами в области ультранизких энергий с использованием лайнерной плазмы” – плод шестилетнего труда большой группы ученых из нескольких научных центров. Наш корреспондент Надежда Кавалерова взяла интервью у руководителя проекта LESI доктора физико-математических наук В.М.Быстрицкого.

Как и когда возникла идея эксперимента?

ПроектLESI (аббревиатура low energy strong interactions) посвящен изучению реакций между легкими ядрами (dd, pd, d3He)в области ультранизких (“кэвных”) энергий (~кэВ).

Актуальность изучения сильных взаимодействий в указанной области энергий обусловлена не только возможностью проверки фундаментальных симметрий (зарядовой, изотопической инвариантности), но и необходимостью разрешения ряда проблем, существующих в астрофизике. Например, одной из них является обнаруженный в звездах и Галактике дефицит легких ядер (за исключением 4Не) по сравнению с предсказаниями, базирующимися на теории термоядерных реакций и обычно принятых моделей звезд. Для объяснения этого феномена астрофизики вынуждены, как правило, производить модификацию моделей звезд в предположении, что сечения ядерных реакций в астрофизической области энергий (~кэВ), полученные путем экстраполяции из области больших энергий (~МэВ), не имеют при ультранизких энергиях столкновения никаких резонансов или каких-либо аномалий. В принципе, не исключено, что ядерные сечения в астрофизической области имеют резонансный характер, что может в свою очередь приводить к интенсивному выгоранию легких элементов в звездах. Исследование ядерных реакций (dd, pd, d3He), входящих в звездные циклы, позволит понять картину изначального нуклеосинтеза и нуклеосинтеза звезд.

Измерение сечений и астрофизических S-факторов для реакций между легкими ядрами, происходящих в звездах, крайне важно с точки зрения построения моделей горения и эволюции звезд.

Кроме этого, интерес к исследованию сильных взаимодействий в указанном выше интервале энергий связан еще и с тем, что появляется реальная возможность получения информации о вкладе во взаимодействие обменных мезонных токов, о величине эффекта экранировки ядер, о характере нуклон-нуклонного потенциала, а также о масштабе эффекта Оппенгеймера-Филиппса.

Однако, получение экспериментальной информации о данных процессах в астрофизической области энергий с использованием классических ускорителей весьма проблематично, так как интенсивность пучков заряженных частиц и сечения изучаемых процессов (примерно 10-35–10-43 см2) крайне малы.

Вы спросите, что же подтолкнуло меня в данную область исследований?

Да, и что же?

С одной стороны, повышенный интерес к изучению ядерных процессов в астрофизической области, а с другой – некая близость тематик мюонного катализа реакций ядерного синтеза (чем я занимался долгое время на мезонных фабриках и параллельно продолжаю заниматься и сейчас) и реакций между легкими ядрами на лету – один и тот де диапазон энергий столкновения взаимодействующих частиц.

Но ясно было одно – экспериментальное решение данной задачи должно быть нетрадиционным. И такое решение было найдено в 1992 году в длительных обсуждениях данной проблемы с моим братом Виталием Быстрицким, физиком-“ядерщиком-плазменщиком” и известным в мире специалистом в области генерации и диагностики мощных импульсных ионных пучков.

Нами был предложен новый подход к реализации планируемых исследований, заключающийся в использовании высокоинтенсивных радиально конвергируемых ионных потоков, генерируемых в течение имплозии лайнерной плазмы (формирование Z-пинча). При этом интенсивность потока ускоренных ионов достигает 1020 – 1021 частиц в импульсе. Данная идея была активно поддержана директором в то время Института электрофизики РАН, президентом Уральского отделения РАН Г.А.Месяцем, под руководством которого работал брат. Исследования предполагалось осуществлять на ионных ускорителях Института сильноточной электроники СО РАН в Томске, который в свое время был создан Г.А.Месяцем и который обладает самым большим в России парком разнообразных мощных импульсных ускорителей.

Следует отметить, что перед реализацией проект LESI прошел “жесткую” экспертизу в лице таких известных физиков как Ф.Рейнес (лауреат Нобелевской премии, США), Д.Киржниц (ФИАН), Н.Ростокер (США), давших ему достаточно высокую оценку.

В 1994 году начались длительные дискуссии с представителями ИСЭ СО РАН по вопросам реализации программы предлагаемых нами исследований. У нас установился хороший творческий контакт с сотрудниками отдела высоких плотностей энергии, возглавляемого Н.А.Ратахиным, в ведении которого находится целый спектр ускорителей с параметрами, требуемыми для наших исследований.

Работы по созданию экспериментальной установки первой очереди для изучения dd-реакции были начаты в 1995 году при финансовой поддержке международного научного фонда Сороса и фонда Полномочного представителя Польши в ОИЯИ в коллаборации ОИЯИ – ИЭФ РАН (Екатеринбург) – ИСЭ СО РАН (Томск) – Калифорнийский университет (Ирвайн, США) – Ливерморская Лоуренсовская национальная лаборатория (США) – факультет физики и ядерной техники Горнометаллургической академии (Краков, Польша) – Институт ядерной физики (Краков, Польша) – Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете.

Учитывая географию, тяжело было завлечь молодежь из ОИЯИ, даже под хорошую идею, отправиться в Сибирь. Поэтому LESI, к сожалению, в то время нашел поддержку со стороны ОИЯИ в лице лишь “старой” гвардии энтузиастов – физиков-романтиков.

Работая на сибирских плазменных ускорителях, нам пришлось в динамике преодолевать психологический барьер, так как мы все были воспитаны на классических ускорителях. Данные эксперименты, в принципе, очень сложные, так как включают в себя не только детектирование продуктов ядерных реакций, но и прецизионную диагностику динамики имплозии лайнерной плазмы. Кроме этого, условия работы – экстремальные: прикладывается напряжение ~1 МВ, по лайнеру протекает ток ~1 МА, конденсаторы, накопившие огромную энергию (~Мегаджоуль), за короткое время (примерно 60-80 нс) разряжаются. Этот разряд сопровождается очень мощными электромагнитными “наводками”. Поэтому мы много времени и сил потратили на защиту нашей электроники и детекторов частиц от сильных “наводок” и тормозного излучения. Если же не предпринимать специальных защитных мер, то работать в таких мощных полях невозможно. Мы впервые подошли к решению этой методической проблемы – подавить до пренебрежимого уровня все “наводки”, создать условия для нормальной работы регистрирующей электроники в стандарте КАМАК и разного типа детекторов нейтронов, гамма-квантов и заряженных частиц.

Мы, когда приступали к этой работе, знали о трудностях. Но как защищаться? Мы набирались опыта, все кабели и электронные блоки помещали в закрытые металлические боксы. Но дело в том, что нет науки о “наводках”. Это все от “живота”, от интуиции – все это сплошная эмпирика. Но это и на создание аппаратуры у нас ушло много времени.

На первом этапе нашей новой экспериментальной деятельности нам надо было “почувствовать” ускоритель и условия работы на нем, а также образоваться в области физики плазмы, высоковольтных разрядов и электромагнитных “наводок”.

Поэтому первый наш заезд в Томск закончился физическим запуском экспериментальной установки и “подавлением” электромагнитных наводок до пренебрежимого уровня.

Вся аппаратура и электроника разрабатывалась и создавалась в ОИЯИ, а затем поездом отправлялась в Сибирь. Потом мы ехали туда, все налаживали и запусками. В создании аппаратуры и экспериментальной установки в целом большое участие принимали сотрудники ЛЯП и ЛНФ В.М.Гребенюк, В.А.Столупин, В.С.Паржицкий, а в анализе полученных данных – наши польские коллеги Я.Возняк и М.Филипович. Последние три года активно работает в нашей команде Ф.М.Пеньков из ЛТФ, внесший “свежую” струю в анализ и интерпретацию полученных экспериментальных данных. И, конечно, нельзя не отметить большой вклад в разработку теоретической части LESI автора проекта профессора В.Б.Беляева (ЛТФ), постоянный интерес и поддержку которого мы все время ощущаем.

Сейчас нам стало заметно легче, так как два года тому назад в нашу коллаборацию влилась группа физиков-ядерщиков из НИИЯФ ТПУ, которая под руководством зав. лабораторией Г.Н.Дудкина оказывает существенную помощь как в подготовке и проведении экспериментов, так и в решении многих организационных вопросов на месте. Они являются, собственно говоря, нашими резидентами в Сибири.

Вы “номинировались” на конкурс ОИЯИ, значит, получены серьезные результаты?

Да, результаты есть. Программа планируемых нами исследований на первом этапе включает в себя измерение астрофизических S-факторов и эффективных сечений dd-, pd-, d3He-реакций. Мы решили начать наши исследования с изучения dd-реакции в области энергий столкновения дейтронов 0,1 – 3 кэВ. За пять прошедших лет нами получены следующие результаты:

Полученные результаты свидетельствуют о том, что применение предложенной нами методики исследования сильных взаимодействий в области ультранизких энергий столкновения с использованием прямого и “инверсного” Z-пинча является перспективным направлением, позволяющим изучать ядерные реакции между легкими ядрами в области энергий, недоступной для классических ускорителей.

Все полученные нами результаты методических и физических исследований опубликованы в рецензируемых журналах (14 статей) и докладывались на международных конференциях по данной тематике. Кроме этого, результаты данных исследований ежегодно, на протяжении пяти лет, докладывались на заседаниях Программно-консультативного комитета по ядерной физике, и каждый раз комитет давал высокую оценку полученным результатам.

Сейчас мы приобрели опыт, создали экспериментальную установку, “приспособились” к условиям работы на плазменных ускорителях, и, естественно, хочется продолжить данные исследований, чтобы завершить намеченную экспериментальную программу.

Что еще важно в нашей коллаборации – это здоровый симбиоз физиков-ядерщиков и физиков-плазменщиков. В процессе проведения совместных исследований не только мы образовываемся в области физики плазмы, но и у плазменщиков на многое их “родное” открылись глаза. Сейчас мы можем получать информацию не только о характеристиках изучаемых ядерных реакций, но и о характеристиках плазменных процессов. Можно сказать, что мы с использованием нашей аппаратуры приоткрыли ворота для наших сибирских коллег в слабо изученную для них до настоящего времени область динамики сжатия плотной лайнерной плазмы.

Другими словами, жизнь показала, что симбиоз с сибиряками очень плодотворный. Им уже тоже стало сложно жить без нас...

Итак, закончился серьезный, сложный и результативный этап работы. А что дальше?

Теперь мы хотим попробовать дойти до той области энергии (~7 кэВ), до которой спускались физики с использованием классических ускорителей. Это необходимо осуществить, чтобы произвести сравнение полученных результатов с использованием двух совершенно разных методик и, таким образом, исключить какие-то систематические ошибки.

Но для этого необходимо решить ряд методических задач и, в частности, перейти к использованию “инверсного” Z-пинча. До этого мы осуществляли постановку экспериментов с использованием прямого Z-пинча, когда происходит имплозия лайнерной плазмы, а теперь наоборот – ее разлет. Нами уже частично выполнены исследования, посвященные формированию “инверсного” Z-пинча, получены и опубликованы первые результаты. В настоящее время проводится эксперимент в ИСЭ СО РАН, целью которого является более детальное изучение характеристик “инверсного” Z-пинча. Предварительно полученные результаты свидетельствуют о том, что направление “инверсного” Z-пинча является перспективным для исследования ядерных реакций при ультранизких энергиях.

В наших планах – закончить изучение dd-реакции и провести аналогичные исследования pd-, d3He-реакций.

Хотелось бы ускорить эти исследования. Но для этого нужны капиталовложения, которые только пока имеются в виде гранта РФФИ и гранта Полномочного представителя Польши в ОИЯИ. Хотя удельный вес полученных результатов в расчете на единицу капиталовложения достаточно высок, однако, как в песне поется: “Но разве от этого легче...”. Остается надеяться на всевозможные гранты, поэтому все время находимся в творческом поиске.

В настоящее время подан совместно с ВНИИЭФ (Арзамас). Калифорнийским университетом (США), Лоуренсовской национальной лабораторией (США) и Флоридским университетом (США) проект по данной тематике на получение гранта Международного научно-технического центра.

В общем, проведение исследований в настоящее время во многом определяется только лишь энтузиазмом исполнителей. Хорошо еще то, что сибирские коллеги, понимая сложившуюся ситуацию, ограничиваются минимальными запросами в плане оплаты ускорительного времени, что позволяет нам продвигаться в нужном направлении в столь нетривиальной области исследований.

В заключение хочу сказать читателям: все, кто проникся интересом к данного типа исследованиям, приходите - у нас двери открыты круглосуточно.