Горизонты научного поиска

Метод электронного охлаждения давно стал "штатным" на многих накопителях в научных центрах всего мира. В августе группа ученых за цикл работ по этому направлению была удостоена Государственной премии России. И сегодня на наших страницах те (цитирую нашу же газету от 9 октября 1998 года), "кто под руководством Будкера начинали ЭПОХУ: интеллигентно-выдержанный Скринский, неунывающий Диканский, добродушно-мрачный Пархомчук, блестящий Мешков - люди, с царской небрежностью раздававшие свои фамилии установкам, формулам, идеям".

"Это история сорокалетней давности, - вспоминает главный инженер ОИЯИ, лауреат Государственной премии И.Н.Мешков. - Работать над методом электронного охлаждения его автор, академик Андрей Михайлович Будкер, директор новосибирского Института ядерной физики СО РАН, начал примерно в 1963 году. В 1966 году он впервые рассказал о своей идее, она была встречена физиками, работающими в области ускорения заряженных частиц и высоких энергий, с большим энтузиазмом, но никто не поверил в возможность ее осуществления: настолько она выглядела фантастической. Когда вскоре Будкер сделал свое второе сообщение на семинаре в SLAC, к нему подошел один из американских физиков и сказал: "Я думал об этом же, идея та же самая, но мне она показалась абсолютно нереализуемой, я не решился ее публиковать".

Игорь Николаевич, в чем физический смысл работы, что конкретно дает метод электронного охлаждения физикам?

В физике ускорителей, а это прежде всего физика пучков заряженных частиц, существует проблема управления параметрами этих пучков, проблема повышения их интенсивности. Иными словами - задача научиться пучок ускоренных заряженных частиц сжимать до предельно малых размеров. Природа устроена так, что объем, который занимает ансамбль частиц в том случае, если их полная энергия в системе частиц сохраняется, конечен и не изменяется, сохраняется во времени.

Как это выглядит? Представим себе оптическую аналогию - устройство из набора линз-объективов. С помощью линзы сжали пучок света, затем поставили более короткофокусную линзу. На первый взгляд кажется, что пучок, прошедший через вторую линзу, станет еще меньшего поперечного размера. Это то, что Алексей Толстой когда-то предложил как "гиперболоид инженера Гарина". На самом деле такое не удастся сделать, потому что у пучка задан фазовый объем: линейные размеры и угловая расходимость. Оказывается, что произведение размера на угловой разброс сохраняется, через какую бы систему линз ни проходил пучок. В физике заряженных частиц это же утверждает теорема Лиувилля. Пучок можно сжать до довольно малых размеров, если есть механизм потерь энергии частиц. Если мы перейдем в систему одной из частиц, движущуюся с заданной скоростью, то увидим, что имеет место хаотический разброс скоростей других частиц по направлениям и величине. То есть пучок представляет собой газ заряженных частиц. Для того, чтобы уменьшить объем, занимаемый этим горячим газом частиц, надо его "охладить". (Ведь если мы будем сжимать горячий газ, он еще больше нагреется и давление возрастет, а охлажденный газ мы без труда можем сжать, уменьшить в размерах, газ перестанет сопротивляться). Но надо суметь сделать так, чтобы средняя скорость при этом не уменьшалась.

Решение подсказала физикам природа. Появились первые циклические ускорители электронов - сначала бетатроны, потом синхротроны, и очень скоро в одном из первых синхротронов физики увидели, что электроны испускают свет. А значит, из поля, которое электрон на себе несет, отрываются и вылетают фотоны, унося часть энергии. Это явление получило название "синхротронного излучения". Представьте, что у вас есть пучок с угловым разбросом, и электроны теряют свой импульс, энергию, скорость вдоль вектора скорости. Если мы на пути этого циркулирующего пучка ставим ускоряющую систему - резонатор, то она будет поддерживать только продольную компоненту импульса. Тем самым вместо большого углового разброса пучка получаем малый, а в системе частиц это означает, что мы этот "газ" охладили. Однако природа устроена так, что хорошо излучают легкие заряженные частицы - электроны, а дальше интенсивность излучения падает обратно пропорционально четвертой степени массы, или полной энергии. Соответственно, протон будет излучать примерно в 1013 раз меньше энергии в единицу времени, чем электрон при той же скорости, так что для пучков тяжелых частиц - ионов, протонов этот механизм "радиационного охлаждения" не работает.

Вся значимость предложения А.М.Будкера в том и состояла, что он придумал, как ввести подобный механизм "охлаждения" в пучок тяжелых частиц. Идея, на первый взгляд, выглядит просто - поместим на пути пучка газовую мишень, и протоны или другие тяжелые частицы, пролетая через нее, теряют часть своей энергии, несут так называемые ионизационные потери, взаимодействуя с электронами атомарных оболочек. Но протоны вступают в сильное ядерное взаимодействие с ядрами атомов мишени. Сечение реакции таково, что пучок быстро погибнет. Поэтому прямое применение этого метода, а он получил название ионизационного охлаждения, для пучков тяжелых заряженных частиц просто бессмысленно. Подробно физику ионизационного охлаждения рассмотрел в середине 60-х годов классик нашей ускорительной техники и физики А.А.Коломенский. Но оказалось, что существуют частицы, которые можно охлаждать таким методом - это мюоны. Они, как известно, относятся к лептонам, с ядрами не взаимодействуют, и поэтому можно на такой газовой мишени организовать охлаждение мюонов. Первым это предложил А.Н.Скринский, один из лидеров нашей команды и авторов метода, и с тех пор этот метод получил название мюонного охлаждения, с ним связывают планы создания мюонных коллайдеров.

Теперь вернемся к протонам и ионам. Андрей Михайлович предложил использовать вместо мишени пучок движущихся электронов. Однако взаимодействие пучков протонов с пучком электронов слабое, если скорости тех и других сильно различаются - сечение реакции маленькое. Но не зря второй "любовью" Андрея Михайловича была физика плазмы, он тут же сообразил, что средние скорости надо сделать одинаковыми, тогда в системе частиц мы будем иметь двухкомпонентную плазму - горячий газ протонов и холодный электронов. В итоге система выглядит так - в ускорителе циркулирует протонный пучок и на часть его траектории вводится электронный пучок, взаимодействует с протонами и выводится снова. На этом участке совместного движения протонов и электронов и образуется двухкомпонентная система, в которой за счет кулоновского взаимодействия частицы обмениваются энергией. В результате протонный газ охлаждается так, что выравниваются температуры обеих компонент. А дальше работает школьная физика: при равенстве температур у протонов в системе частиц скорость в корень из отношения масс (в 45 раз) меньше электронной. В лабораторной системе, соответственно, угловой разброс пучка и поперечные компоненты импульса уменьшились. В этом и состоит идея метода электронного охлаждения.

Я так понимаю, вы стояли у самых истоков создания метода. Как все начиналось?

В 1967 году я занимался тогда тематикой. Ко мне обратился А.Н.Скринский. Он сказал, что Будкер предлагает заняться электронным охлаждением. Мы начали обсуждать с Сашей принципиальную схему установки с электронным пучком. Ее параметры оказались достаточно сложными, а некоторые - рекордными. Пришлось построить действующую модель, а уже в 1970 году - в это время к работе подключился Р.А.Салимов - была построена первая "настоящая" установка, с электронным пучком. Мы ее скромно назвали "Электронный пучок, охлаждающий антипротоны", сокращенно ЭПОХА. Это была моя выдумка, тогда мы все это иронически воспринимали, но потом действительно оказалось, что работа стала началом эпохи электронного охлаждения. Дело оставалось за малым - нужны были протоны (или антипротоны), объекты охлаждения.

Почему антипротоны? В первом варианте А.М. предлагал применить электронное охлаждение с целью получения плотных пучков протонов для встречных протон-протонных пучков. А Скринский понял, что гораздо выгоднее его использовать для накопления антипротонов - в один и тот же фазовый объем можно инжектировать снова и снова антипротоны. Охладили пучок - фазовый объем освободился, можно заполнить его снова. В Новосибирске мы стали разрабатывать проект встречных протон-антипротонных пучков. Реализовать его не удалось, поскольку у нас не было подходящего ускорителя для генерации протонов, но вся эта работа произвела очень большой психологический эффект, вклад в развитие методов встречных пучков, в понимание и даже в формирование настроений был очень значительный.

Тогда для проверки метода было решено построить полномасштабную модель накопителя антипротонов (с периметром кольца 47 метров) и на ней провести эксперименты по электронному охлаждению протонов. В 1971 году мы - А.Н.Скринский, Н.С.Диканский, В.В.Пархомчук, Д.В.Пестриков, Б.Н.Сухина, наши коллеги из ИЯФ, в том числе группа очень сильных и талантливых конструкторов Б.М.Смирнов, А.П.Усов, Ю.Д.Валяев, В.М.Барбашин и другие начали проектировать этот ускоритель. А уже через три года, в 1974 году, накопитель НАП-М действовал и был получен первый результат по электронному охлаждению. Тогда же он был доложен на Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц в Москве. Это был признанный успех, замечательное достижение, воспринятое должным образом нашими коллегами, в том числе и зарубежной общественностью. Спустя два года, в 1976 году, мы сообщили о следующем значительном успехе - открытии так называемого быстрого электронного охлаждения. Мы немного улучшили нашу систему электронного охлаждения и вдруг получили параметры процесса гораздо лучшие, чем предсказывала изначальная теория. Время охлаждения протонного пучка оказалось почти в 10 раз меньше, чем это следовало из классической теории. Это вначале выглядело как загадка, но довольно быстро разобрались, в чем дело. Оказалось, что физика процесса гораздо богаче, чем мы думали - в "Эпохе" электроны, ускоренные электростатически, имеют "сплющенное", эллипсоидальное распределение в пространстве скоростей, то есть в продольном направлении разброс электронов гораздо меньше, чем в поперечном. Кроме того, электроны замагничены - движутся свободно вдоль силовых линий магнитного поля, вращаясь вокруг них. В результате для протона они выглядят как частицы, не имеющие поперечной скорости, и процесс охлаждения идет быстрее. Образно говоря, электроны холоднее, чем они есть на самом деле. Это замечательное обстоятельство позволило получить глубоко охлажденные протонные пучки с уникальными параметрами - скажем, угловая расходимость такая же, как у хорошего лазера, меньше доли миллирадиана, размеры охлажденного пучка - доли миллиметра.

Такие сообщения не могли остаться незамеченными. Как реально проявился интерес "зарубежной общественности"?

К нам в Новосибирск стали приезжать ученые из ускорительных центров CERN (Швейцария), FNAL (США), других лабораторий, резонанс ускорительной общественности был очень большой. В CERN и FNAL решили проверить метод независимо от нас и стали сооружать подобные установки. Я в 1977 году впервые выехал в научную командировку за рубеж, в CERN, выступал на семинаре при большом стечении слушателей, было очень интересно наблюдать за реакцией публики, потому что действительно это было новое явление в ускорительной физике и технике, и интерес вызвало огромный. Недавно я встретил одного физика из Германии, с которым мы тогда познакомились и потом много раз встречались, он мне сказал - знаешь, до сих пор у меня жива та тетрадка, в которой я записывал твое выступление в CERN и по которой потом разбирался, что же это за явление такое. Это конечно, приятно было слышать. В 1979 году в CERN повторили эксперимент, а в 1981 - в Фермилабе. Правда, и те и другие получили параметры хуже, чем у нас в Новосибирске. Думаю, это было следствие худшего качества электронного пучка, который они сделали. Надо сказать, что до сих пор новосибирские результаты тех лет являются одними из лучших и их превзошли только в Дармштадте, где группой во главе с Маркусом Штеком получены замечательные физические результаты.

(Окончание в следующем номере)

Беседу вела Галина Мялковская