Как сибирская идея оптимизировала параметры ускорителей.
В Дубне достраивают «машину времени». Называется она ускорительный комплекс сверхпроводящих колец NICA (Nuclotron based on Ion Collider fAcility). С помощью этой потрясающей машины можно будет в лабораторных условиях воссоздать особое состояние вещества, в котором пребывала наша Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва, - кварк-глюонную плазму.
Строительство коллайдера, в котором сталкиваются тяжелые ионы, разогнанные почти до скорости света, ведется на базе международного межправительственного Объединенного института ядерных исследований. Но ни этого ускорительного комплекса, ни многих других ускорителей-накопителей не было бы, не придумай 50 лет назад Андрей Михайлович Будкер электронное охлаждение. Успешно продемонстрировав столкновения электрон-электронных и электрон-позитронных частиц, без которых сегодня немыслима ускорительная физика, создатель Института ядерной физики СО АН СССР (ИЯФ) задумался о встречных пучках более тяжелых частиц, и в 1965-м ему пришла в голову идея электронного охлаждения - способа уменьшения разброса частиц по импульсам в ионных пучках путем охлаждения при помощи специальной установки (кулера).
В 1973 году в ИЯФ была сконструирована первая в мире установка для изучения электронного охлаждения ионов НАП-М (накопитель антипротонов). В мае 1974-го были получены первые экспериментальные результаты по электронному охлаждению. Предложенный метод оказался прекрасным инструментом для оптимизации параметров ускорителей. И сегодня во многих ускорительных центрах мира работают установки электронного охлаждения, заметная часть которых изготовлена в ИЯФ. В частности, такие установки были сделаны для ЦЕРН, немецкого Центра по изучению тяжелых ионов в Дармштадте и китайского Центра ядерной физики в Ланьчжоу.
Первый российский заказ на установку электронного охлаждения поступил из Дубны, где с целью изучения свойств плотной барионной материи строится уже упомянутая NICA. Специалистами ИЯФ СО РАН и Объединенного института ядерных исследований ОИЯИ уже получены рекордные параметры охлаждения частиц. В результате в эксперименте Barionic Matter@Nuclotron в два раза увеличена скорость набора событий.
Корреспондент «Поиска» встретился с заместителем начальника ускорительного отделения лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ Валерием ЛЕБЕДЕВЫМ.
– Валерий Анатольевич, вы участвовали в работах на первых установках электронного охлаждения в Институте ядерной физики, затем помогали в строительстве такой установки в Фермилабе и вот теперь имеете дело с этим методом уже на ускорителе NICA…
– Я пришел в ИЯФ студентом второго курса весной 1975-го, в самый разгар исследований электронного охлаждения, продемонстрированного годом ранее. Первые результаты были доложены на Всесоюзной конференции по ускорителям заряженных частиц в ноябре 1974 года. Работы на системе электронного охлаждения ЭПОХА и накопителе НАП-М оказали фундаментальное влияние на мое воспитание как ученого. Упомяну только моих главных учителей: Николай Диканский, Игорь Мешков, Василий Пархомчук, Дмитрий Пестриков и Борис Сухина.
К этому списку выдающихся ученых мне бы хотелось добавить имена двух лаборантов высшего разряда: Алексей Кулаков и Геннадий Балыков, которые тоже в меня «вложились». Когда активные исследования на НАП-М подходили к концу, вместе с Б.Сухина мы начали проектировать новую установку электронного охлаждения, способную охладить ионы за один пролет вместо нескольких сот тысяч оборотов, продемонстрированных на НАП-М.
Установку назвали «Модель соленоида», сокращенно - «МоСол». Через несколько лет к нам присоединился В.Пархомчук, и в 1986 году мы доложили результаты экспериментов: на длине 2 м пучок охлаждался на ~20%. На установке «МоСол» проходило становление следующего поколения физиков-ускорительщиков. Андрей Серый и Владимир Шильцев были студентами у В.Пархомчука. Оба выросли в замечательных ученых и в настоящее время работают в США. А нынешний директор ИЯФ СО РАН академик Павел Логачев был моим студентом. Его дипломная работа тоже связана с электронным охлаждением.
Идея работы состояла в том, чтобы проверить, как будет меняться продольная температура пучка, если мы ускоряем его не стандартным образом, а медленнее. Эксперимент оказался успешным, в дипломной работе было доказано: если ускорение идет медленнее, то продольная температура пучка на выходе будет меньше. Дальнейшие исследования, но уже с электронным пучком, полученным с фотокатода, были описаны в его кандидатской диссертации.
В 2000-е годы мне удалось принять участие в создании системы электронного охлаждения для коллайдера Tevatron в Фермилабе. Это прорывная работа: охлаждались антипротоны c энергией 8 ГэВ. Ничего подобного повторить до сих пор не удалось. Руководителем проекта был мой коллега (тоже ияфовец) Сергей Нагайцев, кстати, однокурсник П.Логачева. Еще в 1990-е годы я начал писать программу для расчета пучковой оптики.
Запросы от группы электронного охлаждения в Фермилабе заметно помогли в развитии этой программы, которая потом использовалась не только для расчетов и оптимизации оптики системы стохастического охлаждения, но и для ускорителей Фермилаба.
В 2001-м я переехал в Фермилаб и с тех пор сотрудничал с группой электронного охлаждения напрямую, хотя это и не входило в формальный список моих задач. В ускорительном комплексе Tevatron все было сделано как надо, и в 2006 году электронное охлаждение на накопителе антипротонов Recycler заработало, что позволило более чем вдвое увеличить светимость коллайдера.
В 2010-м ЦЕРН начал запускать Большой адронный коллайдер. Tevatron был машиной предыдущего поколения и не мог с ним конкурировать, поэтому в 2011 году проект закрыли. Участники разошлись по другим проектам, которые были менее интересны и менее амбициозны. В долговременном плане это привело к постепенной деградации экспертного уровня в ускорительном отделении Фермилаба.
Хочу подчеркнуть: для формирования сильного коллектива нужны экстраординарные задачи. Нет суперзадачи - люди просто не приходят. Исчезла или решена суперзадача - сотрудники расходятся по другим проектам. Если говорить о России, то 1990-е годы нанесли колоссальный ущерб отечественной науке. Восстановление идет с большим трудом. Тем не менее ИЯФ СО РАН и ОИЯИ удалось не только сохранить, но и в заметной мере приумножить свою квалификацию.
Еще в Советском Союзе ИЯФ успешно развил свою производственную базу. В трудное время это позволило зарабатывать деньги, создавая промышленные ускорители, различное оборудование, в том числе установки электронного охлаждения. ОИЯИ же был международным институтом, и в тяжелые 1990-е годы его поддержали европейские партнеры.
Сейчас появился шанс на возвращение в первые ряды физики частиц и ускорительной физики. Запуск коллайдера NICA должен стать настоящим прорывом, ничего подобного не строилось со времен Советского Союза. Над этим в ОИЯИ и в институтах-партнерах работают несколько тысяч человек из 34 стран мира. Особенно хотелось бы подчеркнуть, что наш успех был бы невозможен без сотрудничества с Институтом ядерной физики.
– Когда запланирован запуск? Как участвует ИЯФ СО РАН в создании коллайдера?
– В настоящее время мы осуществляем модернизацию инжекционного комплекса. Источник тяжелых ионов и линак уже работают продолжительное время. Запуск пучка в бустер произошел неделю назад. По плану первый пучок должен быть запущен в кольца коллайдера летом 2025 года, но в полную силу ускорительный комплекс заработает года через 2-3. Для этого нужны полностью функционирующие системы охлаждения пучка.
ИЯФ уже сделал установку электронного охлаждения для бустера (с энергией до 100 кэВ). Поставка второй установки, теперь уже на очень большую энергию (до 2,5 МэВ), ожидается этим летом. Монтаж и пусконаладочные работы займут около двух лет. К настоящему моменту мы уже провели несколько сеансов пусконаладочных работ инжекционного комплекса. И приобрели неоценимый опыт, который, надеюсь, ускорит наше продвижение.
Хотелось бы также упомянуть, что Институт ядерной физики изготовил ВЧ-систему для бустера и в настоящее время изготавливает многочисленные ВЧ-системы коллайдера. Мы строим огромную установку. Если все получится, лет через пять Дубна станет вторым по масштабу (после ЦЕРН) исследовательским центром в Европе в области физики высоких энергий.
Мы, как и дирекция ИЯФ, понимаем, что работаем в одной команде и делаем общее дело. Без сотрудничества с ИЯФ в существующих условиях было бы гораздо сложнее, а может, и вообще невозможно построить комплекс NICA. Как международный институт ОИЯИ закупал заметное количество оборудования у европейских партнеров. Сейчас эти возможности сильно сократились, до сих пор не все контракты выполнены. Это заметно усложняет нашу жизнь, замедляет некоторые проекты, но не приводит к катастрофическим проблемам. Так, ЦЕРН отказался поставлять нам систему для измерения магнитного поля соленоида детектора MPD. Эту систему сейчас делает для нас ИЯФ СО РАН, и в начале весны мы начнем измерения соленоида.
Поскольку недавно Павел Владимирович Логачев отметил юбилей, отдельно хотелось бы добавить, что с конца 1980-х годов, когда я был его научным руководителем, мы поддерживаем дружеские отношения, не утратили контакт за все эти годы, несмотря на то, что я почти 30 лет работал в Америке. На мой взгляд, Институту ядерной физики повезло с директором. Павел Логачев достойно продолжает дело академика Будкера и его учеников, я рад, что и я что-то внес в воспитание этого ученого на начальном этапе его карьеры.
Беседу вела Ольга КОЛЕСОВА
Иллюстрация Николая Кремнева/НКО ИЯФ СО РАН
