Машина для охоты за частицами
15 марта 1957 года в Дубне заработал первый советский синхрофазотрон
Особенность развития советской атомной науки в том, что многие технологии и идеи рождались и создавались ради единственной цели – создания атомного оружия, и только потом тиражировались в мирное русло. Но есть и исключения. Без технологии, о которой мы расскажем сегодня, создание бомбы было бы невозможно, но сама она в первую очередь двигает науку.
Что скрывает атом?
Достаточно быстро после того, как в 1911 году Эрнст Резерфорд открыл атомное ядро, учёным стало понятно: внутри привычного вещества скрывается гораздо более сложный мир. Оказалось, что атом – не неделимый «кирпичик» материи, а целая система из частиц. Но увидеть этот мир напрямую невозможно. Размер атомного ядра примерно в сто тысяч раз меньше самого атома. Приборов, которые позволили бы рассмотреть частицы такого размера, не существовало, поэтому возникла идея изучать их иначе – сталкивать между собой. Метод напоминает исследование механизма часов, которые нельзя разобрать. Если ударить по ним и посмотреть, какие детали разлетятся, можно понять, из чего они состоят.
Когда разогнанная частица сталкивается с атомным ядром, она может выбить из него другие частицы, изменить структуру ядра или породить новые элементарные частицы. По следам таких столкновений физики узнают, какие силы действуют внутри ядра и из каких фундаментальных элементов состоит материя.
В физике действует важный принцип: чем выше энергия частиц, тем более мелкие структуры можно исследовать. В этом смысле ускорители можно сравнить с гигантскими микроскопами. Если оптический микроскоп позволяет увидеть клетки, а электронный – атомы, то ускорители частиц дают возможность изучать структуру атомных ядер и даже самих элементарных частиц. Но чтобы «разбить» ядро атома, частица должна обладать огромной энергией. Поэтому физике понадобились специальные установки – ускорители частиц.
Школьный проект
Считается, что первый ускоритель предложил Резерфорд в одной из своих лекций в 1927 году, но на самом деле идея появилась гораздо раньше. После публикации в 1919 году работ о расщеплении атомного ядра норвежский школьник Рольф Видероэ подумал, что если частицы разгонять в электрическом поле, то скорость, а следовательно, и их энергия увеличатся. В середине 1920-х годов, обучаясь в Германии, он предложил ускорять частицы в индукционном (вихревом) электрическом поле, которое создается переменным магнитным потоком. Фактически это обыкновенный трансформатор, в котором вместо одной из обмоток был пучок заряженных частиц в вакуумной камере. Это был проект первого в мире ускорителя. Шёл 1923 год.
Однако воплотить свою идею в «железе» Видероэ так и не смог. Выполняя свою дипломную работу, темой которой стал ускоритель частиц, он столкнулся с трудностью: не удавалось обеспечить устойчивое движение электронов по круговой орбите – пучок «рассыпался» на стенки вакуумной камеры, и желаемого эффекта не получалось.
В 1930-40 годах была предложена новая идея ускорителей – циклическая. Они работали по принципу резонанса, а частицы в них разгоняли не по прямой, а по циклической спирали с помощью магнитного поля. Так появились циклотроны.
Больше 10 лет они оставались основными инструментами для изучения физики ядра. Один из таких циклотронов, их до сих пор называют «классическими», в 1933 году был создан в знаменитом Ленинградском физико-техническом институте под руководством Абрама Иоффе. Он был небольшого размера, и советские физики назвали его «Бэби-циклотрон». Его высота составляла всего 1,7 м, а диаметр полюсов электромагнита 28 см, при этом вес магнита был около 2 тонн.
В 1934 году уже в лаборатории Игоря Курчатова начал работать линейный ускоритель, дававший протоны примерно такой же энергии, что и бэби-циклотрон, но более компактный и устойчивый в работе. И всё же для фундаментальных исследований этого было мало.
Лаборатория космических лучей
В СССР учёным, совершившим прорыв в развитии ускорителей и их технологическом совершенствовании, стал Владимир Векслер. Он родился в 1907 году в Житомире в простой семье, в 14 лет попал в Москву в школу-коммуну им. Луначарского. После 9 классов путь из коммуны был только один – на производство. Он поступил на ситценабивную фабрику учеником монтёра.
Но даже тут смог проявить инженерное и научное мышление – сам собрал радиоприёмник (по тем временам эта задача была непростой). Через два года руководство фабрики выдало ему комсомольскую путёвку на учёбу на электротехническом факультете Плехановского Института народного хозяйства. Это и определило его судьбу. В 1931 году, получив диплом инженера по специальности рентгенотехника, он начал свою работу с постройки измерительных приборов и изучения методов измерения ионизирующего излучения.
Вскоре его заметили и пригласили в Физический институт Академии наук (ФИАН) – один из главных центров советской физики. В 1930–1940-е годы Векслер занимался исследованием космических лучей – потоков частиц, приходящих на Землю из космоса. В то время именно космические лучи были единственным «естественным ускорителем» частиц высокой энергии.
Когда такие частицы сталкиваются с атомами атмосферы, возникают целые ливни вторичных частиц. Учёные наблюдали их с помощью счётчиков Гейгера, ионизационных камер и облачных камер, в которых частицы оставляли видимые следы. В таких ливнях происходило не только «размножение» электронов и фотонов, но и множественное рождение частиц, которые активно взаимодействовали с атомными ядрами вещества. Впоследствии эти ливни получили название электронно-ядерных.
Для таких исследований приборы часто размещали на больших высотах – в горах или на специальных станциях. Чем выше находился детектор, тем меньше частиц успевала поглотить атмосфера и тем легче было наблюдать первичные космические частицы. Лаборатория Владимира Векслера располагалась на Эльбрусе, а позднее на Памире.
Благодаря таким исследованиям физики открыли новые частицы – мюоны (мю-мезоны) и пионы (пи-мезоны), нестабильные частицы, благодаря которым физикам удалось понять и объяснить многие законы взаимодействия компонентов атома. Но космические лучи имели серьёзный недостаток: они прилетают случайно и с разной энергией. Учёным же нужен был инструмент, который позволял бы получать столкновения частиц по собственной команде.
Работая над тем, чтобы искусственно создавать частицы высоких энергий, Векслер опирался на принципы действия существующих ускорителей. Важно было преодолеть их главный недостаток: частицы, которые ускорялись электрическим полем, довольно быстро переставали попадать в нужный ритм ускорения. Если частица немного опережала поле или отставала от него, она переставала получать энергию. В 1944 году решение было найдено – Владимир Векслер изобрёл принцип автофазировки.
Идея была настроить ускоряющее поле так, чтобы частицы автоматически возвращались в правильную фазу движения. Если частица начинала опережать поле, она получала меньше энергии и замедлялась. Если отставала – наоборот, ускорялась. Так они сами «подстраивались» под ритм ускорения. Почти одновременно аналогичную идею независимо предложил американский физик Эдвин Макмиллан. Работы двух учёных стали основой для нового поколения ускорителей – синхротронов и синхрофазотронов.
В 1946 году в ФИАНе была создана лаборатория, которую включили в состав атомного проекта. В её задачи входило строительство ускорителя по принципу автофазировки и проведение с его помощью исследований по физике атомного ядра и элементарных частиц. Директором был назначен Владимир Векслер, сотрудники назвали её лабораторией Векслера. Официально же она называлась эталонной лабораторией. В конце 1947 года был запущен первый ускоритель С‑3 на 30 МэВ («Тройка»), а через два года – ускоритель С‑25 на 250 МэВ. После началось проектирование ускорителя протонов, синхрофазотрона, рассчитанного на гигантскую по тем временам энергию – 10 ГэВ.
Город физиков на Волге
В 1949 году правительство СССР при активном влиянии академика Лейпунского приняло решение создать ускоритель частиц с энергией 7–10 миллиардов электронвольт. Научным руководителем проекта стал Владимир Векслер.
Выбор места для строительства синхрофазотрона был не случаен. Дубна, расположенная в 120 километрах от Москвы на живописном берегу Волги, уже становилась центром советской ядерной физики. Здесь царила особая атмосфера научного энтузиазма и творческой свободы. Учёные из разных стран приезжали сюда работать вместе, т несмотря на начинавшуюся холодную войну, физика оставалась интернациональной.
Создание синхрофазотрона было подвигом не только научным, но и инженерным. Машина должна была разгонять протоны до энергии 10 миллиардов электрон-вольт – такая цифра в то время казалась фантастической. Для сравнения: если бы протон был автомобилем, то такая энергия позволила бы ему обогнуть Землю за несколько секунд.
Главной частью установки был гигантский кольцевой магнит диаметром около 60 метров. Масса магнитной системы превышала 36 тысяч тонн. Магнит собирали из сотен массивных секций, и каждая должна была быть установлена с точностью до долей миллиметра. Малейшее отклонение могло нарушить траекторию частиц. Внутри магнита находилась вакуумная камера всего в несколько сантиметров.
В проектировании ускорителя участвовали десятки научных институтов и промышленных предприятий. Для питания магнитов создавались специальные источники тока огромной мощности, а для ускорения частиц разрабатывались новые радиочастотные резонаторы. Синхрофазотрон стал одной из самых больших научных машин, построенных в СССР.
Самый мощный
В апреле 1957 года синхрофазотрон достиг проектной энергии в 10 ГэВ. В тот момент он был самым мощным ускорителем частиц в мире. Теперь учёные могли проводить эксперименты с энергиями, которые раньше встречались только в космических лучах.
После столкновений протонов с мишенью рождалось множество новых частиц. Для их регистрации использовали специальные приборы – пузырьковые и искровые камеры, позволяющие фиксировать траектории частиц. В экспериментах образовывались пучки пи-мезонов, кю-мезонов и других частиц. Их изучение помогло понять, как взаимодействуют протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Эксперименты также позволили уточнить модели ядерных реакций, которые используются при проектировании ядерных реакторов. Кроме того, ускорители применялись – и применяются до сих пор – для исследования поведения материалов под воздействием радиации. Это помогает создавать радиационно-стойкие материалы для атомной энергетики и космической техники.
Дальше – коллайдер
Синхрофазотрон проработал 45 лет, его остановили в 2002 году. Следующим шагом в развитии ускорителей частиц стали коллайдеры – установки, в которых два пучка высокоэнергетичных частиц не просто разгоняются по спирали, а сталкиваются друг с другом лоб-в-лоб. Это позволяет достичь гораздо больших энергий взаимодействия, поскольку суммарная энергия столкновения равна сумме кинетической энергии обоих пучков. Самый известный из них – Большой адронный коллайдер в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Его кольцо имеет длину 27 километров.
В 2012 году на этом ускорителе был обнаружен бозон Хиггса – частицы, которую предсказали физики ещё в 1960 году, но существование которой не могли экспериментально доказать более 60 лет. Это позволило окончательно объяснить, как появилась Вселенная.
В ближайшие годы в Дубне заработает собственный коллайдер NICA. Сейчас на нём завершаются пуско-наладочные работы.
Татьяна Козлова, по данным открытых источников