ОИЯИ - 50: страницы истории

Цикл работ, отмеченный государственной премией СССР, о котором пойдет речь в публикуемой статье, был связан с экспериментальным исследованием упругого рассеяния на малые углы и ставил целью проверку выполнимости основных принципов квантовой теории поля.

На синхрофазотроне

С первыми оборотами пучка синхрофазотрона В.И.Векслером была поставлена задача - исследовать элементарные акты взаимодействия частиц (в частности, протонов с протонами). Основополагающие работы Н.Н.Боголюбова в области квантовой теории поля и, в том числе, строгое доказательство дисперсионных соотношений в теории сильных взаимодействий стимулировало экспериментальное изучение этих процессов. В обсуждении этих опытов активное участие принимали Д.И.Блохинцев, М.А.Марков, И.Я.Померанчук и другие теоретики. Проверка выполнимости основных принципов, на которых основана теория взаимодействия частиц, считалась задачей первостепенной значимости. С запуском самого крупного в то время ускорителя - синхрофазотрона на энергию протонов 10 ГэВ - появилась уникальная возможность для ее решения.

Было сделано много попыток экспериментально исследовать область малых углов упругого рассеяния двух частиц, где можно наблюдать интерференцию кулоновского и ядерного взаимодействий двух частиц. Именно эта область представляет наибольший интерес для поиска ответа на принципиальные вопросы: выполняются ли основополагающие принципы теории поля - лоренц-инвариантность, микропричинность и унитарность.

Классические эксперименты с ядерными фотоэмульсиями даже с применением ряда методических усовершенствований ответа не дали - слишком бедна была статистика. Не удавалось решить эту задачу и электронными методами в экспериментах на выведенных пучках из-за плохого углового разрешения установок.

В 1962 году молодые сотрудники Лаборатории В.А.Свиридов и В.А.Никитин высказали принципиально новую идею - использовать для изучения области предельно малых углов рассеяния частиц динамические свойства внутреннего пучка ускорителя и реализовать режим многократных прохождений внутреннего пучка ускорителя через тончайшую мишень. В экспериментах использовались внутренний пучок протонов синхрофазотрона и водородосодержащая пленка толщиной 0,5-1мкм в качестве внутренней мишени ускорителя. Нигде в мире такой метод исследований до этого не применялся.

Постановка эксперимента была сопряжена с большим риском - на первых порах необходимо было часто вскрывать гигантскую вакуумную камеру синхрофазотрона и снова ее откачивать. И Векслер взял на себя исключительно ответственное решение - принять проект к исполнению и считать его первоочередным.

Первые же эксперименты по исследованию упругого рассеяния протонов на протонах и дейтонах на малые углы дали возможность увеличить эффективность регистрации взаимодействий в тысячи - десятки тысяч (!) раз и обеспечить исключительно высокую точность эксперимента. В результате впервые в мире при высоких энергиях (что принципиально) наблюдался новый физический эффект - интерференция кулоновского и ядерного взаимодействий двух протонов. Данные эксперимента противоречили общепринятой теории, в том числе оптической модели, существовавшая асимптотическая картина взаимодействия при высоких энергиях оказалась несостоятельной. Результаты опытов получили широкий резонанс в мире и были зарегистрированы в Государственном реестре открытий СССР как открытие под названием "Явление потенциального рассеяния протонов высоких энергий" с приоритетом, датированным 1963 годом. Авторы открытия - Л.Ф.Кириллова, В.А.Никитин, А.А.Номофилов, В.А.Свиридов, Л.Н.Струнов, М.Г.Шафранова.

На ускорителе ИФВЭ (Серпухов)

С вводом в строй серпуховского ускорителя группой В.А.Свиридова и В.А.Никитина был предложен аналогичный проект. Объединенная группа ОИЯИ - ИФВЭ приступила к исследованию упругого рассеяния протонов на протонах и дейтонах на малые углы в 1968 году фактически на первых оборотах пучка вплоть до энергии 70 ГэВ. Принципиальным нововведением стала сверхзвуковая водородная мишень-струя. Она создавалась в криогенном отделе ЛВЭ под руководством Ю.К.Пилипенко. Применение такой мишени обеспечило еще более высокую чистоту эксперимента, чем на синхрофазотроне. С введением в эксперимент полупроводниковых детекторов в качестве регистраторов вторичных медленных частиц (Ю.К.Акимов, Л.С.Золин и др.) на порядки увеличилась скорость набора статистики, появилась возможность сканировать весь диапазон энергии ускорителя в процессе ускорения частиц. Работа велась параллельно с другими экспериментами. Это давало существенную экономию средств. Одно из важных преимуществ метода состоит в том, что для постановки эксперимента не требуется выведенный пучок, это удешевляет установку и позволяет приступить к физическим измерениям сразу после запуска ускорителя.

В эксперименте на серпуховском ускорителе под руководством В.А.Никитина были получены новые результаты для понимания асимптотики адронных процессов. С еще более высокой точностью исследована интерференция кулоновского и ядерного взаимодействий. В этих опытах получен однозначный ответ о сужении конуса рассеяния протонов на протонах в диапазоне энергий 10-70 ГэВ. Иными словами, было показано, что с ростом энергии сталкивающихся протонов они "распухают", то есть их радиус растет. Этот принципиально важный для теории результат был признан открытием и зарегистрирован в Государственном реестре открытий СССР под названием "Закономерность изменения радиуса сильного взаимодействия протонов при высоких энергиях" с приоритетом от 1961 года в части теоретического обоснования и 1969 года в части экспериментального подтверждения. Авторами открытия стали Г.Г.Безногих, Н.К.Жидков, В.Й.Заячки (НРБ), Л.С.Золин, Л.Ф.Кириллова, П.К.Марков (НРБ), Б.А.Морозов, В.А.Никитин, П.В.Номоконов, В.А.Свиридов, М.Г.Шафранова (ОИЯИ); В.А.Соловьянов (ИФВЭ, Серпухов); В.Н.Грибов (ЛИЯФ имени Б.П.Константинова).

Преимущества метода и впечатляющие результаты исследований были признаны на мировом уровне и сыграли определяющую роль на новом этапе - при постановке следующего эксперимента - уже на создающемся ускорителе в Национальной ускорительной лаборатории США.

В Национальной лаборатории имени Э.Ферми в США

В 1970 году В.А.Никитиным, В.А.Свиридовым, Л.С.Золиным, Ю.К.Пилипенко, Б.А.Морозовым и М.Г.Шафрановой был подготовлен первый проект совместного ОИЯИ - США эксперимента. Планировалось изучить процессы упругого рассеяния протонов на протонах, дейтонах и ядрах гелия на малые углы в новом диапазоне энергий сталкивающихся частиц - от 50 до 400 ГэВ. Это давало уверенность в еще более точной проверке теоретических положений.

В политическом плане предложение было исключительно смелым и не имело аналогов. Неоценимую помощь в решении сложных организационных проблем оказал И.В.Чувило. В результате проект был одобрен всеми сторонами, участвующими в проекте. Во ФНАЛ ему был присвоен первый приоритет.

В 1972-1980 годах под научным руководством В.А.Никитина со стороны ОИЯИ была выполнена серия уникальных исследований процессов дифракционного рассеяния протонов на протонах, дейтонах и ядрах гелия. Этот цикл работ позволил наиболее полно и точно проверить выполнимость основных положений квантовой теории поля.

По этому проекту в ОИЯИ была разработана и создана уникальная аппаратура, часть которой теперь хранится в музее Американского физического общества в Вашингтоне. В настоящее время методика внутренней мишени и сверхзвуковой струи применяется на многих ускорителях.

Успешное научное сотрудничество ОИЯИ и США было отмечено как важный положительный опыт международного сотрудничества при встрече Брежнева и Никсона в 1972 году. С этой встречи начались разрядка и разоружение. Созданный прецедент сотрудничества с учеными США открыл дорогу многочисленным и плодотворным совместным работам ученых ОИЯИ и СССР (а потом и России) с американскими учеными, в том числе и в области освоения космоса.

Совокупность результатов, полученных на трех крупнейших в то время ускорителях мира, обогатила науку выдающимися достижениями и была широко признана на мировом уровне. Эти работы в 1983 году были отмечены Государственной премией СССР. Лауреатами Государственной премии за цикл работ "Дифракционное рассеяние протонов при высоких энергиях" стали Ю.К.Акимов, В.А.Никитин, Б.А.Морозов, Ю.К.Пилипенко, Л.С.Золин, С.В.Мухин, М.Г.Шафранова, В.А.Копылов-Свиридов, А.А.Кузнецов (ОИЯИ); А.А.Воробьев (ЛИЯФ); Е.Л.Фейнберг (ФИАН); В.А.Царев (ФИАН).

В. А. Никитин, М. Г. Шафранова