ОИЯИ - 50: страницы истории

В 1970-71 годах сотрудниками ЛВЭ ОИЯИ под руководством Э.Н.Цыганова и независимо от них физиками Калифорнийского университета под руководством Д.Дрики был преложен проект измерения радиуса пиона по реакции упругого рассеяния пионов на электронах атома. Работа выполнялась совместно сотрудниками ОИЯИ, ИФВЭ и Калифорнийского университета. Измерения велись в пучке пионов только что запущенного самого крупного в то время серпуховского ускорителя при ранее недоступной энергии пионов - 50 ГэВ.

Пионерские результаты имели далеко идущие научные и политические последствия. Круг задач существенно расширился, возникло тесное и эффективное сотрудничество на трех крупнейших ускорителях - серпуховском синхротроне, синхрофазотроне ОИЯИ в Дубне, а с запуском ускорителя в Фермиевской национальной лаборатории - в Батавии, США.

Для повышения точности измерения радиуса пиона в 1975-76 годах работа была продолжена уже на американском ускорителе в ФНАЛ с участием физиков ОИЯИ при энергии пионов, равной 100 ГэВ.

Наиболее точные значения радиуса пиона и первые в мире данные о радиусе каона были получены там же уже при энергии 250 ГэВ. Успех опыта был в значительной степени обязан активному участию ОИЯИ в подготовке опыта и создании экспериментальной установки. В частности, в ЛВЭ ОИЯИ В.П.Пугачевичем, Д.В.Уральским и М.Д.Шафрановым были созданы самые прецизионные дрейфовые камеры, под руководством Л.Б.Голованова - уникальная водородная мишень. Высочайшее качество аппаратуры ОИЯИ было высоко оценено американскими физиками - после завершения эксперимента директор ФНАЛ, известный ученый профессор Р. Вильсон установил дубненские дрейфовые камеры в своем кабинете как образец экспериментального искусства.

Сотрудничество с американскими физиками вскоре принесло новые ценные плоды.

В 1976 году Э.Н.Цыгановым была теоретически предсказана возможность отклонения траекторий заряженных частиц изогнутыми монокристаллами. В этой работе утверждалось, что траектории частиц, захваченных в режим каналирования в кристалле, будут следовать за направлением изогнутых кристаллографических плоскостей вплоть до некоторого критического радиуса, который зависит от массы и скорости частицы, ее заряда и от интенсивности межатомного электрического поля кристалла. При каналировании реализуется режим устойчивого движения, в который могут захватываться положительно заряженные частицы, вошедшие в кристалл под углом относительно кристаллографических осей или плоскостей меньшим некоторого критического значения. Критический угол характеризует предельную поперечную кинетическую энергию частицы и определяет условие ее захвата в процесс каналирования.

Полученная оценка критического радиуса, который в американской литературе назван радиусом Цыганова, указывала на перспективность использования явления в физике пучков частиц высоких энергий.

Для проверки возможности отклонения пучка изогнутым монокристаллом в 1979 году был поставлен опыт на синхрофазотроне ОИЯИ. В коллектив экспериментаторов вошли специалисты из ЛВЭ ОИЯИ, Института ядерных исследований в Сверке (Польша), Физико-технического института в Харькове (Украина), Томского политехнического института, Радиевого института в Ленинграде, Фермиевской ускорительной лаборатории и Государственного университета в Нью-Йорке (США).

Для протонов с энергией 8,4 ГэВ, каналированных плоскостью /111/ в монокристалле кремния, который использовался в качестве изогнутого кристалла, критический угол составляет 60 мкрад. В результате тонкого эксперимента было установлено, что пучок протонов с энергией 8.4 ГэВ, попавших в режим каналирования, отклоняется на различные углы в диапазоне до 26 мрад от направления падающего пучка. Радиус траектории частицы составлял около 38 см. Соответствующая эффективная поперечная составляющая электрического поля, действующего на протонный пучок, эквивалентна 240 МэВ/см. Радиус 38 см эквивалентен по своему действию магнитному полю 81 Т.

Так было установлено существование нового, не известного ранее явления, показано, что с помощью изогнутого кристалла можно управлять траекториями заряженных частиц.

Это открытие обязано дару предвидения талантливого физика, заглянувшего за границы своей области исследования - физики частиц, в другую область - физику кристаллов. Эффект был обнаружен благодаря высочайшему мастерству и многогранности участников эксперимента. Опыт работы на американском ускорителе позволил в короткий срок создать сложнейшую установку, обеспечившую высочайшую координатную точность регистрации частиц. Результаты работы были опубликованы в 1979 году. Позднее они были подтверждены в ЦЕРН и ЛИЯФ.

Следующим шагом было доказательство возможности вывода пучка из ускорителя с помощью изогнутого монокристалла. Эксперимент был поставлен на пучке протонов синхрофазотрона ОИЯИ при трех значениях их энергии: 4,2, 6,0, и 7,5 ГэВ.

Дефлектором служила пластинка монокристалла, вырезанная так, что кристаллографическая плоскость /111/ была параллельна большой грани кристалла с ошибкой не более 15 угловых минут. Гониометрическое устройство обеспечивало возможность вращения кристалла вокруг вертикальной оси. В 1984 году результаты этой работы были опубликованы. Сообщалось, что с помощью изогнутого монокристалла пучок протонов выведен из синхрофазотрона.

Это было новое слово в науке, сказанное вопреки многим скептикам. Трудно было представить, что изогнутый монокристалл может выполнять функцию отклоняющего магнита. В настоящее время изогнутые монокристаллы используются в мире на целом ряде современных ускорителей для вывода пучков высоких энергий.

Таким образом, на стыке наук - кристаллографии, физики электромагнитных взаимодействий частиц высоких энергий и физики ускорителей родилось новое научное направление.

Работа получила высокую оценку - в 1996 году за цикл "Разработка новых методов управления пучками частиц высоких энергий на современных ускорителях с помощью изогнутых кристаллов и их реализация" Э.Н.Цыганов и А.М.Таратин от ОИЯИ и ряд сотрудников Института физики высоких энергий (Серпухов) и Санкт-Петербургского института ядерной физики были удостоены Государственной премии РФ в области науки и техники.

В 1980 году на ускорителе ИФВЭ были начаты работы по исследованию излучения, возникающего при прохождении электронов и позитронов через монокристаллы. Как известно, источники интенсивного гамма-излучения в диапазоне от ультрафиолетового до жесткого рентгеновского находят широкое применение в практике. Особый интерес представляет излучение, возникающее в процессе каналирования легких частиц в монокристаллах. Решено было поставить эксперимент на серпуховском ускорителе. К моменту подготовки эксперимента такое излучение еще не было открыто, но уже в 1979 году этот эффект впервые наблюдался в СЛАК.

Для работ на серпуховском ускорителе была создана установка "Кристалл". Основой ее послужила аппаратура, на которой изучалось отклонение частиц изогнутыми монокристаллами на синхрофазотроне ОИЯИ. Методическая новизна работы состояла в том, что она впервые была выполнена с привлечением современной электронной методики физики высоких энергий. В результате впервые были детально исследованы спектральные характеристики излучения для различных диапазонов углов входа электронов и позитронов в кристалл внутри критического угла каналирования. Впервые исследовались угловые характеристики излучаемых гамма-квантов. Впервые детально исследованы свойства излучения, возникающего при плоскостном каналировании ультрарелятивистских электронов. Необходимо особо отметить, что успех всех этих исследований самым непосредственным образом связан с прецизионностью всего комплекса созданной аппаратуры.

В последующих работах обсуждаются возможные новые направления использования обнаруженного эффекта, в частности, вывод гало пучка из коллайдеров с помощью изогнутых кристаллов. Часть новых предложений уже реализована.

В процессе обсуждаемых работ, выполненных на самом высоком научном и методическом уровне, выросла целая плеяда ученых, впоследствии заявившая о себе как о специалистах мирового класса. Среди них А.С.Водопьянов, В.М.Головатюк, З.Гузик, И.А.Тяпкин, М.Турала, Т.С.Нигманов и многие другие.

Этот цикл исследований составляет гордость нашего Института.

М. Д. Шафранов,
М. Г. Шафранова