Как создавался основополагающий метод физики элементарных частиц.
Часто ли в истории науки удавалось разработать метод, с помощью которого коллеги из разных стран десятилетиями будут делать открытия? Метод встречных пучков стал основным в физике элементарных частиц. На коллайдерах (установках со встречными пучками) получены наиболее значимые результаты XX и XXI веков: открыт очарованный кварк и обнаружен тау-лептон в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, открыты B-мезоны в 1983 году на коллайдерах США и Германии. В 1983 году на протонном суперсинхротроне в ЦЕРНе впервые наблюдали W- и Z-бозоны, в 1995-м на ускорителе Теватрон в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми был открыт топ-кварк. Наконец, в 2012 году на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе удалось зарегистрировать бозон Хиггса.
Именно в связи с этими открытиями Большая золотая медаль РАН имени М.В.Ломоносова вручена на майском Общем собрании РАН выдающимся физикам - академику Александру СКРИНСКОМУ, научному руководителю Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, и его британскому коллеге, члену Лондонского королевского общества Линдону Эвансу.
Александр Николаевич Скринский стал в 1970-е годы самым молодым академиком Советского Союза (избран в 34 года). Долгие годы был директором крупнейшего в Академии наук института и академиком-секретарем Отделения ядерной физики, он лауреат Ленинской и Государственной премий, отечественных и зарубежных наград, член Американского физического общества и Королевской академии наук Швеции, автор и соавтор более 300 научных работ. Но главное - все эти годы Скринский был и остается просто физиком. Корреспондент «Поиска» встретился с научным руководителем ИЯФ СО РАН, и Александр Николаевич с удовольствием вспомнил, как в далекие 1950-е годы начинались работы по созданию метода встречных пучков.
– В 1956 году на первой конференции МАГАТЭ, посвященной мирному использованию атомной энергии, американский ученый Джерард О'Нил представил предложение по проведению в Стэнфорде эксперимента по проверке «точечности» электрона в столкновениях электронных пучков. Участник той конференции Андрей Михайлович Будкер, мой учитель, в то время руководивший лабораторией новых методов ускорения в Институте атомной энергии АН СССР, сразу увлекся этой идеей.
Все было впервые
– Фамилию Будкер в первый раз я услышал именно в 1956 году. После окончания третьего курса физфака МГУ нужно было прикидывать, куда пойти в дальнейшем на преддипломную практику и диплом. Осенью 1957 года я вместе с товарищами пришел на собеседование к А.М.Будкеру в лабораторию новых методов ускорения ИАЭ АН СССР.
И нескольких из нас взяли на работу. Первые месяца три я занимался экспериментальным исследованием явления виртуального катода в сильноточных электронных пучках в продольном магнитном поле. Потом Андрей Михайлович мне сказал: «Что ты занимаешься ерундой? Переходи в группу по встречным электрон-электронным пучкам».
Тема привлекла меня своей нетривиальностью. До этого ускоренными частицами обстреливали неподвижную мишень. Но было очевидно, что столкновение двух ускоренных пучков - радикальный шаг вперед в познании природы: вся энергия, вложенная в ускорение, становится информативной, событий, взаимодействий возникает на порядки больше.
Сложив все эти обстоятельства и увидев по нашим первичным раскладам, что противоречий законам природы нет, мы поняли: это вдохновляюще, интересно и этим хочется заниматься! Тем более никто в мире пока такого не делал. Более того, мало кто верил, что это вообще возможно, - такой подход сильно отрывался от привычной логики постановки экспериментов. Я сосредоточился на задаче - очень хотел ее решить. Постепенно еще сотрудники Института атомной энергии присоединились к этой работе. Было нас всего пятеро.
Именно тогда в институте появился еще один человек, мозги которого были как-то «расторможены», - Вениамин Александрович Сидоров, год отработавший в Копенгагене у Нильса Бора. Чтобы заниматься направлением, которое стало магистральной дорогой на будущее, в лаборатории Будкера был открыт сектор встречных пучков. В.А.Сидоров стал заведующим сектором, я - его заместителем. Разделение труда у нас было такое: всем, что касалось самих пучков электронов (получение светимости, производительности, реакций), занимался я, а Вениамин Александрович отвечал за систему наблюдения за продуктами реакций.
Не верили в наш «желторотый» коллектив многие. Начинали с электрон-электронных встречных пучков. Но их еще не удалось получить, даже установка ВЭП-1 еще не была построена, когда двум теоретикам (А.М.Будкеру и В.Н.Байеру) пришла в голову идея электрон-позитронных встречных пучков, сперва показавшаяся безумной.
Все посчитав и сделав вывод, что противоречия физическим законам в новом замысле нет, его лишь очень сложно осуществить технически, Андрей Михайлович пришел с предварительным проектом установки ВЭПП-2 к Игорю Васильевичу Курчатову. Курчатов, не будучи специалистом в данной области, разослал проект на экспертизу трем самым маститым физикам, среди которых был и академик В.И.Векслер.
Отзывы пришли очень заинтересованные, очень горячие и… абсолютно отрицательные. Андрей Михайлович, естественно, расстроился. Тогда Игорь Васильевич, поглаживая знаменитую бороду, предложил готовить соответствующее постановление правительства. Конечно, только Курчатов мог поверить в успех совершенно зеленого коллектива во главе с теоретиком, одержимым фантастическими идеями. Кстати, академик Векслер во время визита в ИЯФ свою неправоту признал и публично поздравил нас с победой.
И мы начали создавать установку электрон-электронную и параллельно разрабатывать линию гораздо более сложного комплекса электрон-позитронного коллайдера. Конкретный шаг был сделан с созданием коллайдера ВЭП-1.
Сами себе конструкторы
– Александр Николаевич, сейчас в Институте ядерной физики изготовление установок отлажено: большое экспериментальное производство, штат инженеров, конструкторов. А кто конструировал ВЭП-1?
– В наше время оканчивавшие физфак МГУ люди должны были пройти производственную практику, и я около двух месяцев работал на Горьковском автозаводе, где мы тогда жили с семьей. Выучился токарным, фрезерным работам и даже зубодробительному прецизионному производству шестеренок. Этот опыт был полезен - появились понимание и вкус к конструкторско-производственной деятельности, она меня не пугала. Начинали мы работу над ускорительным комплексом в Институте атомной энергии, но браться за что-то совершенно новое в устоявшемся коллективе, который живет своей жизнью, трудно. И мы ориентировались на то, что все нами придуманное будет реализовано в Новосибирске, в будущем Институте ядерной физики, постановление о создании которого только что вышло.
Первый раз установка ВЭП-1 была собрана в Москве. Но для всех московских конструкторов такое тоже было внове, и, посмотрев, что изготовлено по чертежам, даже мы, люди не особо опытные, поняли: это лишь черновые прототипы.
При переезде в Новосибирск, в только что созданный Институт ядерной физики Сибирского отделения АН СССР, мы почти все переделали. Но сначала надо было решить бытовые вопросы, с жильем, например. А затем со мной приключилась запоминающаяся история. В первые месяцы после переезда, получив какую-то квартиру, я решил отправиться в поход на Тянь-Шань. За плечами у меня был опыт туристических, даже альпинистских походов. Мы поднялись на небольшую вершину, и тут у меня случился приступ аппендицита - пришлось возвращаться в базовый лагерь. Операцию сделали уже в Новосибирске, и через три дня я, обвязавшись бандажом, пришел на работу.
Александр Абрамович Нежевенко, бывший директор Новосибирского турбогенераторного завода, которого Будкер каким-то образом обаял и уговорил перейти в ИЯФ заместителем директора по инженерно-технической части, очень меня корил за неосторожность. Он был человек опытный, гораздо старше нас. Но все обошлось. И коллайдер ВЭП-1 заработал. Конечно, сначала произошло безобразие: взорвался инжектор, а его разработка, кстати, была темой моего диплома. Но мобилизовав все силы сотрудников, мы быстро изготовили новые элементы и произвели запуск. Эксперименты на коллайдере ВЭП-1, проводившиеся с 1965-го по 1967-й, стали первыми в мире исследованиями электрон-электронного рассеяния - вместе с работами на электрон-электронном коллайдере в Стэнфорде.
Двойной праздник
– Александр Николаевич, насколько я знаю, день 19 мая 1964 года запомнился вам не только получением первых рассеянных электронов на встречных пучках, но и рождением дочери…
– Действительно, два события произошли в один день - мы зарегистрировали первую светимость на ВЭП-1, и появилась на свет Юля. Первое признание, с сегодняшней моей точки зрения, пришло очень быстро. Эксперименты проводились и в Стэнфорде, в лаборатории Панофского. Только американцы были всемирно известны, а о нас никто не слыхал.
Первую научную работу я опубликовал в 1963 году, хотя с 1957-го трудился не переставая. В 1963 году ускоренные пучки одновременно были получены в коллайдере Стэнфорда и у нас. И в 1963-м на конференции в Дубне встретились все, кто занимался встречными пучками в разных точках земного шара. Познакомились, и наши дружеские отношения продолжаются до сих пор.
В 1964 году было получено первое электрон-электронное рассеяние, в 1966-м - первое аннигиляционное рождение пи-мезонов уже на электрон-позитронных пучках на установке ВЭПП-2. И переход к электрон-позитронным пучкам стал настоящим прорывом. В 1967 году коллайдер ВЭПП-2 (встречные электрон-позитронные пучки) в Новосибирске (первый в мире) начал эксперименты по электрон-позитронной аннигиляции.
Эти эксперименты были принципиально важны для развития физики элементарных частиц. Обнаружилось, что в электрон-позитронном столкновении рождаются новые адронные состояния (различные конфигурации адронов). И в течение нескольких лет исследования в этой области были для нас основными.
Схема Скринского
– Вместе с вами Большую золотую медаль РАН имени М.В.Ломоносова получил Линдон Эванс. Расскажите, как начиналось ваше сотрудничество.
Линдон Эванс, Лучано Майани, Александр Скринский, Курт Хюбнер, ЦЕРН. ИЯФ СО РАН разработал и поставил в ЦЕРН уникальное высокотехнологичное оборудование на сумму около 200 миллионов швейцарских франков. Фото из архива ИЯФ СО РАН
– После получения встречных электрон-позитронных пучков Институт ядерной физики стал своего рода Меккой для всех «встречников», как называли специалистов по физике элементарных частиц. Потом мы предложили метод электронного охлаждения, первыми начали заниматься протон-антипротонными встречными пучками. Люди из ЦЕРНа тоже у нас бывали, а я посетил первый раз Женеву в 1970-м. Живое общение с этими выдающимися учеными было взаимно полезным: тогда мы впервые заговорили о том, что можно сделать, чтобы радикально продвинуть эксперименты в ЦЕРНе.
В 1970-е годы ведущим проектом в мире по физике элементарных частиц было создание SSC (сверхпроводящего суперколлайдера в Фермилабе, США). На строительство грандиозного 100-километрового тоннеля и городка в штате Техас потратили около двух миллиардов долларов. И советское правительство, впечатленное размахом проекта, приняло решение выделить средства на финансирование участия Института ядерной физики и других советских центров в этом проекте. Но Билл Клинтон, став президентом, закрыл SSC. А мы уже начали делать прототипы критических элементов кольца и даже подарили коллегам из Уоксахачи копию знаменитого ияфовского круглого стола. А в итоге оказались в сложном положении: что-то надо было делать, деньги выделены.
Как раз в то время в ЦЕРНе решили строить LHC (Большой адронный коллайдер). Не столь грандиозный - между хребтами Альп помещалось только 30-километровое кольцо. И мы придумали такую забавную схему, впоследствии получившую название схема Скринского или кварковая схема: ИЯФ изготавливает магнитные элементы и другое оборудование для LHC, треть финансирования получает от нашего правительства, треть - от Европы, а на треть институт дает ЦЕРНу скидку, поскольку это интересный для нас проект, да и зарплаты в сибирском институте ниже европейских. Над схемой вначале посмеивались, но все получилось. Оборудование было поставлено вовремя, его созданием руководил двусторонний комитет: пять человек от России, пять - от ЦЕРНа. И LHC на долгие годы стал поставщиком радикально новой фундаментальной информации о физике элементарных частиц.
Коллайдеры остаются ключевым инструментом нашей отрасли науки, на них проводят прецизионные тесты Стандартной модели. Дальнейший прогресс в этой области связан с электрон-позитронными встречными пучками на еще бо́льшие энергии, с коллайдерами, которые должны быть построены общими усилиями. Но решение о строительстве таких установок пока не принято.
А мы в институте продолжаем не грандиозную, но принципиально необходимую линию. В набор «разбирательств» с физикой элементарных частиц входят эксперименты по изучению форм-фактора пи-мезонов. От этого зависят все расчеты. В свое время, чтобы получить принципиально новые фундаментальные знания, нужно было резко увеличить производительность комплекса.
Было предложено дополнить комплекс промежуточным накопителем позитронов, которые получаются после конверсии электронов в позитроны. Накопители работают непрерывно, не только во время эксперимента. Благодаря этому техническому решению в течение 25 лет в ИЯФе работал самый производительный источник фундаментальной информации с применением новых поколений детекторов. Тогда же был разработан метод резонансной деполяризации для точных измерений масс элементарных частиц. Сменивший ВЭПП-2 комплекс ВЭПП-2М работал в ИЯФ с 1975-го. Позднее эта установка была заменена на комплекс ВЭПП-2000, который расширил диапазон энергий, где достигается высокая светимость, производительность еще выросла.
ВЭПП-2000 до сих пор, по прошествии многих лет, остается лучшей в мире установкой в этой области. Прецизионные измерения сечений рождения адронов позволяют проверить справедливость Стандартной модели с беспрецедентной точностью. Мы продолжаем проводить у себя эксперименты, которые дополняют фундаментальные знания.
Беседовала Ольга Колесова
Обложка: Президент РАН Г.Красников вручает А.Скринскому Большую золотую медаль РАН имени М.В.Ломоносова. Фото Юлии Поздняковой, пресс служба СО РАН
