Горизонты научного поиска

(Окончание. Начало в N35)

А в Новосибирске, надо думать, работы продолжались?

В Новосибирске состав группы изменился, частично мы перешли к другим задачам. Группа во главе с Н.С.Диканским, В.В.Пархомчуком и А.Н.Скринским провела серию очень красивых экспериментов по охлаждению однопролетного протонного пучка на низкой энергии. Работы продолжились, была создана установка "Модель соленоида" (сокращенно МОСОЛ). На ней была изучена физика электронного охлаждения. Была продемонстрирована возможность охладить пучок быстро, за время одного пролета сквозь электронное сопровождающее облако. В этом эксперименте был с высокой точностью измерен важный параметр - сила трения, вносимая электронным пучком. Работы по эксперименту МОСОЛ были опубликованы в 1987 году, а эксперименты проводились с середины 80-х, года три примерно.

Несколько раньше на накопителе НАП-М удалось обнаружить интересное явление - так называемую "кристаллизацию" протонного пучка. В охлажденном протонном пучке подавляются шумы, а это означает, что протонный пучок приобретает некоторую упорядоченную форму, возникает одномерная структура - протоны выстраиваются в цепочку вдоль периметра накопителя. Среднее расстояние между протонами вдоль этого периметра для каждой частицы одинаковое. Такое упорядочивание и было названо тогда кристаллическим пучком. И честь открытия и объяснения явления кристаллизации принадлежит В.В.Пархомчуку, главному инициатору этого эксперимента. Затем в нескольких лабораториях мира занимались численным моделированием этого процесса, пытались понять, можно ли в ускорителях создавать трехмерные кристаллические пучки.

В конце 80-х годов был, я бы сказал, даже определенный ажиотаж в этом направлении. Итальянцы собирались строить специализированный накопитель протонов для того, чтобы создавать такие пучки и изучать эти интересные с точки зрения физики твердого тела, физики кристаллов модели, были и другие обсуждения приложений. И в конце 80-х стали появляться замечательные результаты на накопителе ЕSR в GSI в Дармштадте (группа Маркуса Штека). Они продемонстрировали возможность получения таких упорядоченных пучков со многими сортами ионов, вплоть до самых тяжелых - урана (это уже было начало 90-х годов). Сегодня в Стокгольмском университете на другом накопителе также воспроизвели этот эффект. Но трехмерный кристаллический пучок пока достоверно не зафиксирован (я не берусь сказать "не получен", поскольку буквально в этом году появилось сообщение о наблюдении трехмерного кристалла в маленьком накопителе с электростатической фокусировкой в Мюнхенском университете).

Где в первую очередь стал применяться метод электронного охлаждения? В какой области он достиг наибольшего развития?

Надо сказать, что основное применение ЭО нашло сегодня на накопителях ионов промежуточных энергий (такие накопители с электронным охлаждением стали называть кулерами). В середине 80-х годов они стали расти буквально как грибы во многих лабораториях мира. GSI я назвал. Надо добавить, что на накопителе ESR выполнены пионерские эксперименты по прецизионному (вплоть до M/M < 10-6) измерению масс изотопов - уточнение известной карты нуклидов, а также другие, ранее недоступные ядерно-физические исследования (например, бета-распад полностью "ободранных" ядер). Затем, в Японии, в Токийском университете была построена такая установка, но в основном она так на ядерную физику и не заработала. Они продемонстрировали электронное охлаждение, поизучали его, но далеко не продвинулись. Затем в Германии в Исследовательском центре города Юлих установка COSY, кулер Университета штата Индиана (Блумингтон, США), накопитель CELSIUS в Упсала (Швеция), все три - протонные накопители с электронным охлаждением; протоны охлаждаются до энергии порядка 1-2 ГэВ, главная программа - физика промежуточных энергий, генерация мезонов различного рода.

Особое место здесь занимает кулер LEAR (Low Energy Antiproton Ring) в CERN, теперь временно закрытый. На нем пучки антипротонов, охлажденные вначале стохастическим методом, а затем электронным, замедлялись и выводились на различные мишени. В одном из экспериментов, где участвовала группа ЛЯП (М.Г.Сапожников) было обнаружено, в частности, интереснейшее и важное явление - подавление выхода странных частиц при взаимодействии частиц, не обладающих странностью (нарушение правила Окуба, Цвейга, Иизуки - "OZI rule violation"). Теперь антипротонная физика передана на вновь построенный кулер AD (Antiproton Decelerator). Кстати, в его системе электронного охлаждения работают электронная пушка и коллектор, разработанные в начале 90-х годов моей группой для кулера LEAR, в котором с тех пор ЭО и стало рутинным инструментом. В Дармштадте два года назад введена в строй на синхротроне SIS система ЭО, разработанная ИЯФ имени Будкера, в GSI работают теперь уже две системы электронного охлаждения.

Такие охлажденные пучки позволяют накапливать экзотические короткоживущие ядра. Если времена охлаждения достигают десятка миллисекунд, то появляется возможность накапливать ядра, живущие несколько долей секунды, изучать их, измерять массы и прочее. Такого рода проект создавался у нас в ОИЯИ (и параллельно в "Курчатовском институте", но менее грандиозный). Этот проект, назывался он К4-К10, должен был состоять из двух накопителей с использованием циклотронов ЛЯР в качестве инжекторов. Возглавляли проект Г.М.Тер-Акопьян и Ю.Ц.Оганесян. Они привлекли к участию и нас, новосибирцев.

Мы уже приступали к стадии рабочего проектирования, но, к сожалению, от реализации проекта пришлось отказаться. Главная причина, конечно, дороговизна. Грянула перестройка, и финансирование под проекты такого масштаба резко сократилось. Теперь строится DRIBs - проект интересный, но не столь богатый по возможностям исследований.

Мы отказались, а другие строят. В частности, в китайском Институте современной физики (IMP, проект CSR) реализуется буквально наш проект К4-К10 на базе циклотрона-инжектора. Две установки электронного охлаждения для них построил новосибирский ИЯФ имени Будкера. Большой проект был начат в Японии, в RIKEN, он называется MUSES (MultiUse Storage rings), в нем участвует наша дубненская группа. Проект также нацелен на ядерную физику, генерацию и изучение различного рода экзотических ядер. Предполагалось сооружение двух колец с электронным охлаждением, промежуточного накопителя и кольца-коллайдера. Кроме того, в состав комплекса входил электронный синхротрон, предусматривались встречные электрон-ионные пучки. Электронный пучок должен был использоваться как точечный зонд для изучения ядер. Это богатейший проект, дорогой, порядка двух миллиардов долларов. Но японское правительство недавно срезало финансирование науки (не у нас одних режут), так что в полном объеме он реализовываться не будет. Первая стадия, целый каскад циклотронов, включая сверхпроводящий разрезной циклотрон, завершается, но там уже электронного охлаждения нет, только времяпролетные пучки, выведенные на неподвижную мишень.

Следующая область приложения ЭО - атомная физика. В этих исследованиях электронный пучок используется в двух целях - как "охладитель" и как электронная мишень: ионы, циркулирующие в накопителе, рекомбинируют с охлажденными электронами, а низкая температура тех и других обеспечивает высокое разрешение в экспериментах. Один из примеров - прецизионное измерение лэмбовского сдвига основного уровня иона урана на ESR (GSI). А это уже квантовая электродинамика! Такие же эксперименты ведутся на кулере Cryring (Стокгольм).

И еще о физике высоких энергий. В ней методу электронного охлаждения отводится роль предварительного формирования пучков, достаточно интенсивных, которые затем могут быть ускорены до более высокой энергии. Здесь надо назвать в первую очередь проект Фермилаб, где строится система электронного охлаждения на базе электростатического ускорителя Пеллетрон - американская версия ускорителя Ван-де-Граафа. Установка предназначена для охлаждения антипротонов с энергией около 8 ГэВ. Это оригинальный проект, в нем главную роль играют воспитанники Новосибирского университета, и соответственно, Института имени Будкера, все они мои бывшие студенты, а трое - даже мои дипломники, включая руководителя группы Сергея Нагайцева. Ребята очень хорошо работают и уже получили нетривиальные результаты. Одна из особенностей электронного охлаждения - работа в режиме рекуперации электронного пучка, когда ускоренный пучок проходит через промежуток охлаждения, где взаимодействует с протонами, а затем возвращается в коллектор, имеющий потенциал, близкий к катодному. В результате электроны отдают обратно свою кинетическую энергию источнику.

В Фермилабе научились так проводить пучок с током 1 А (из ускорителя Ван-де-Граафа!), что он может несколько часов совершенно устойчиво "гулять" - ускоряться, проходить участок охлаждения и возвращаться обратно в коллектор. При этом уровень потерь тока 10-5. Это технически замечательное достижение. Такая система будет установлена на накопителе антипротонов коллайдера Фермилаб для охлаждения и формирования плотного антипротонного пучка, который затем ускоряется главным инжектором и переводится в коллайдер TEVATRON. В тот самый протон-антипротонный фермилабовский коллайдер, который работает на два эксперимента, и в них активно участвуют наши группы из ЛЯП, ЛФЧ, ЛВЭ. Все это - задача так называемого "абгрэйда" TEVATRONа, когда он будет выведен на более высокую светимость, а это дает надежду "поймать" бозон Хиггса, что не удалось сделать на LEP в CERN. В этой "охоте за Хиггсами" FNAL пытается обогнать LHC.

В проекте LHC также не обойдется без электронного охлаждения, потому что программа ион-ионных встречных пучков в LHC ("свинцом по свинцу") предполагает формирование интенсивных пучков свинца, ускоренных в каскаде церновских ускорителей. И самое предварительное формирование, после выхода из источника и линейного ускорителя, будет осуществляться в кулере, который из LEAR (антипротоны) будет трансформирован в LEIR (ионы) - накопитель ионов с электронным охлаждением.

Мне бы также хотелось отметить важное и перспективное направление, где метод ЭО нашел достойное место - это онкология. В Японии в радиологическом институте в городе Чиба ионный кулер генерирует буквально игольчатый (действие ЭО) пучок, чаще всего - углерод, облучающий пациента. Такое и нам под силу, были бы найдены средства! А они достаточно скромные.

Как видно, за рубежом метод получил достойное развитие. А в России?

Наша российская наука тоже не стояла на месте в эти годы. В Новосибирске продолжались исследования до конца 80-х. Сейчас в ИЯФ строят кулеры для других лабораторий - Китай, ЦЕРН, и разрабатывают принципиально новую систему ЭО для сверхвысоких энергий в проекты BNL и GSI. Я в 1986 году с группой коллег переехал в город Липецк, где организовал лабораторию - филиал новосибирского института. Цель - применение ускорительных методов в промышленности. Мы базировались на Липецком металлургическом комбинате и в Липецком политехническом университете, там нас очень хорошо приняли и поддержали, была создана лаборатория, довольно активно поработавшая. Сделали две хорошие работы для накопителя LEАR, где до этого система электронного охлаждения работала очень плохо. Мы для них построили сначала новый электронный коллектор, он был разработан в Липецке нашей конструкторской группой, изготовлен в Новосибирске, испытан в Липецке, затем поставлен в CERN и установлен на накопителе LEАR.

Затем разработали электронную пушку, такую же, как для комплекса К4-К10. Эту пушку мы изготавливали на заводе космической техники в Воронеже. Немного отклоняясь от темы, скажу, что мне было интересно увидеть, на каком уровне работает наша космическая промышленность. Оказалось, что примерно на таком же, с точки зрения вакуумной техники и различных технологий, как лучшие наши ядернофизические институты. В некоторых направлениях, например, электронно-лучевая сварка, они даже больше преуспели. Эти две работы мы сделали, потом планировалась третья - совместный эксперимент. Но в это время разразилась перестройка, промышленность потеряла интерес к инновациям. Хотя дела шли неплохо - было разработано несколько интересных электроннопучковых технологий по упрочнению устройств, элементов машин и механизмов, например, прокатные валки. Мы были в одном шаге от полного промышленного внедрения...

По-видимому, не остался в стороне от этого перспективного и многообещающего направления и наш Институт...

В 1993 году Ю.Ц.Оганесян пригласил меня с группой сотрудников перейти на работу в ОИЯИ, эту идею очень активно поддержал В.Г.Кадышевский. Мы начали работать в ЛЯР. Когда было принято решение закрыть проект К4-К10, перешли в ЛЯП, где продолжали исследования. Перевезли стенд из Липецка, ставили эксперименты с электронным пучком, имея в виду приложения для метода электронного охлаждения, завязали контакты и создали коллаборацию с несколькими лабораториями, в частности, с RIKEN (Япония), лабораторией в Юлихе, GSI. Сейчас ведем совместные работы по развитию метода и строим установку ЛЕПТА. Она ориентируется на два класса физических задач - физику пучков (электронное охлаждение позитронов), а дальше получение кристаллических пучков, и второе, очень интересное приложение по физике частиц - генерация позитрония и эксперименты с ним. Дело в том, что при охлаждении пучков противоположного знака из-за того, что скорости в системе частиц малы, идет интенсивная рекомбинация, например, когда электронами охлаждаем протоны, образуется направленная струя водорода. А в позитронном накопителе буде образовываться позитроний - "атом", состоящий из электрона и позитрона. Это интереснейшей объект для исследований в квантовой электродинамике. Но первый эксперимент, который мы предполагаем поставить и представить в ноябре для обсуждения на ПКК, - прецизионное измерение разности зарядов электрона и позитрона. Важно, что это прямое измерение: система позитроний электрически нейтральная; по отклонению в магнитном поле, вернее, "неотклонению", можно определить, до какой степени совпадают заряды электрона и позитрона. Мы надеемся на два порядка перекрыть нынешнее "табличное" значение.

Беседу вела Галина Мялковская