Член-корреспондент РАН Леонид Кравчук: «Ускоряя частицы, мы пытаемся понять, как устроен мир»

Что представляет собой ускорительная техника в нашей стране и в мире и зачем она нужна? Как все начиналось, что удалось сделать за эти годы, а что осталось загадкой? Об этом рассказывает член-корреспондент РАН Леонид Владимирович Кравчук, главный научный сотрудник, советник директора Института ядерных исследований РАН.

― Леонид Владимирович, вы много лет занимаетесь разработкой ускорительной техники. Продолжает ли институт развивать это направление исследований?

― Вначале несколько слов о нашем Институте ядерных исследований РАН, которому в декабре исполнится 53 года. На самом деле, я бы сказал, что понятие «ядерные исследования» сегодня гораздо более широкое, чем просто ядерная физика. Правильнее было бы назвать «физика частиц», включающая в себя следующие направления.

Первое — теоретическая физика, включая астрофизику частиц, квантовую теорию поля, космологию, традиционную ядерную физику и, конечно, математическую физику, это сегодня отдельный большой раздел.

Второе ― это источники частиц, прежде всего ускорители заряженных частиц, реакторы, космос. Наши Баксанская нейтринная обсерватория и Байкальский нейтринный телескоп изучают частицы, приходящие от Солнца, а также из близкого и дальнего космоса.

Третье направление ― детекторы частиц: частицы нужно поймать, исследовать, обработать результаты.

Кстати, для анализа и обработки огромного массива данных у нас создана молодежная лаборатория машинного обучения. Интернет, как вы знаете, был разработан в CERN, именно когда нужно было обмениваться данными между различными группами физиков, работающих в коллаборации соответствующего эксперимента. А сейчас весь мир живет в этом интернете.

― А четвертое направление?

― Это все то, что я сказал, но не для фундаментальных применений, а для прикладных ― от оружия до ядерной медицины, лечения больных. Здесь и производство, и технологии, например ионная имплантация, досмотровые таможенные комплексы, лучевая терапия, производство изотопов для радиофармпрепаратов и т.д.― это в нашем институте продолжает развиваться. Я занимался всеми этими направлениями, будучи долгие годы заместителем директора, затем ― директором.

― А сейчас чем занимаетесь?

― Сейчас я более свободен от административной деятельности и работаю над конкретными проектами. Формально у меня две специальности по физике. Мы с родителями жили в закрытом городе, где я окончил техникум по специальности «экспериментальная ядерная физика» и работал три года в ПО «Маяк». Параллельно учился в вечернем филиале МИФИ, и после окончания обязательного тогда срока отработки мне как отличнику предложили перейти на очное отделение в Москву. Я перешел туда и попал на кафедру ускорителей. На самом деле, экспериментальная ядерная физика и ускорители ― это «две большие разницы». И хотя я занимаюсь всю жизнь и тем и другим, ускорители заряженных частиц ― моя основная специальность и моя главная тема в науке.

― Давайте об этом подробнее и поговорим.

― Ускорители заряженных частиц разные. Есть ускорители электронов, протонов, ионов; есть прямого действия, линейные, циклические; с выводом на мишень или коллайдеры, где пучки частиц сталкиваются друг с другом. Ускоритель сегодня, на мой взгляд, ― наиболее технологически емкая, высокотехнологичная установка в мире. Если перечислять все системы, из которых состоит ускоритель, наверное, будет штук 20–25.

Ускоритель начинается с источника частиц: электронов, протонов, легких или тяжелых ионов. Дальше ― сама ускоряющая система, в которой и происходит ускорение частиц, ― это электродинамика, точная механика, точная и чистая механическая обработка, потому что надо сделать резонаторы или волноводы с высокой точностью и чистотой. ВЧ-системы ― очень сложное и высокотехнологичное оборудование: генераторы, модуляторы и пр. ― отдельная и очень серьезная наука.

Дальше, фокусировка частиц ― магнитные линзы, опять же с предельными параметрами. Динамика частиц ― надо рассчитать динамику пучков, как они пролетят, какие параметры будут получены на выходе, то ли это, что нужно физикам-экспериментаторам, которые будут получать пучок и им пользоваться. Это магниты для удержания частиц на нужной траектории. Дальше: любой ускоритель ― это высокий вакуум, вакуумная техника. Сейчас это серьезная криогеника, где используются сверхпроводящие резонаторы и магниты. Системы диагностики пучка и система управления сложнейшим комплексом с огромным количеством параметров и тысячами сигналов. Системы охлаждения и термостабилизации, системы юстировки элементов ускорителя, электропитание и радиационная защита… И этот список можно продолжать в виде отдельной лекции по каждой системе.

― Сколько в мире ускорителей?

― Примерно 42–45 тыс., довольно много. Но из этого количества ускорителей для фундаментальных исследований процентов пять, наверное. Остальные используются в производстве: например, ионная имплантация, без которой не было бы многих современных гаджетов. Или лучевая терапия ― лечение онкологических заболеваний, которое может производиться с помощью электронных ускорителей, а может ― с помощью протонов. Есть досмотровые комплексы: когда едут большие фуры, их можно просвечивать насквозь с помощью ускорителей и видеть, что там внутри, в том числе взрывчатые вещества.

― Каким образом ускоритель может помочь увидеть, что находится внутри организма или фуры?

― Такие комплексы просвечивают объекты, как правило, высокоэнергетичными фотонными пучками, получаемыми с помощью линейных ускорителей электронов. Сегодня большое количество ускорителей используются для исследований с помощью синхротронного излучения. Электроны летят по круговой орбите и набирают большую скорость. Приближаясь к релятивистской области ― скорости света, они начинают излучать то, что раньше считалось паразитным рентгеновским излучением. А сейчас делают специальные машины для синхротронного излучения, и с его помощью проводится огромное количество прикладных и фундаментальных исследований. Если в обычном микроскопе вы можете изучать образцы или процессы на молекулярном уровне, то с помощью синхротронного излучения фактически можно смотреть на уровне атома, а сейчас уже стремимся к тому, чтобы на уровне ядра.

― Вы ведь участвовали в создании вашего ускорителя. Как это было?  

― Я в этом смысле в профессии вообще счастливый человек. Считаю, если ты в своей области хочешь чего-то добиться, то нужно попасть в большой проект, тогда, если проходишь всю эту школу, становишься большим специалистом. Без этого довольно трудно стать экспертом в такой обширной области.

Когда я заканчивал институт, в Лос-Аламосе (США) создавалась Лос-Аламосская мезонная фабрика ― это сильноточный линейный ускоритель протонов, предназначенный тогда прежде всего для фундаментальной физики ― исследований редких распадов.

Смысл в том, чтобы провести исследования Стандартной модели, из чего сегодня состоит физика частиц, где имеются три семейства барионов и переносчики взаимодействий. Десять лет назад на Большом адронном коллайдере открыли бозон Хиггса, и Стандартная модель блестяще подтверждена, но это не значит, что она обрела окончательный вид. А в то время многое еще не было открыто. Для того чтобы исследовать мир частиц, были ускорители, но интенсивность ускоряемого пучка была мала, нужно было долгие годы набирать статистику.

Была поставлена задача создать сильноточные пучки протонов, чтобы была большая интенсивность, тогда вы статистику набираете не годами, а неделями, месяцами или даже днями. В США такое решение приняли.

― То есть мезонную фабрику строили только для фундаментальных задач?

― Не только. Попутно можно было провести большое количество прикладных исследований. Если говорить о том же Лос-Аламосе, то этот ускоритель работает до сих пор, но сегодня там 70% ― оружейный комплекс, испытание вооружения, а 30% ― физика, нейтронный комплекс, производство изотопов.

В 1970 г. было принято решение о создании нашего института. Одной из двух основных целей было создание нашей Московской мезонной фабрики на основе сильноточного линейного ускорителя протонов и отрицательных ионов водорода. Когда ускоренный пучок протонов попадает в мишень, вылетает огромное количество вторичных частиц, в том числе мезонов. Эти мезоны исследуются, так мы добираемся до сути и понимаем, из чего состоит материя.

― Вот и ответ на вопрос, который я хотела задать: зачем физики ускоряют частицы?  

― Когда я рассказываю это ребятишкам в начальной школе, я говорю: у вас есть машинка, и вы хотите узнать, что у нее внутри. Самое простое: взять молоток, ударить ― она разлетится на куски, и вы увидите. Это ровно то же самое: вы частицей, ускоренной до высоких энергий, бьете по мишени, она разбивается, разлетаются частицы, которые в результате получаются, и вы их исследуете. Хотя это, конечно, очень утрированный образ.

― Значит, после окончания института вы начали строить первый в стране ускоритель?

― Нет, конечно, не первый в стране, а первый сильноточный линейный ускоритель протонов на рекордно большую для таких машин энергию. Кстати, в качестве отступления: в основе работы ускорителей лежит принцип автофазировки, открытый советским ученым В.И. Векслером, который работал, в том числе и в этом здании, где мы беседуем.

Да, я попал в новый отдел ускорительного комплекса. Проектная энергия нашего ускорителя — 600 МэВ, это примерно 80% скорости света. Для протона, имеющего приличную массу, это достаточно большая энергия для работы на фиксированную мишень.

В настоящее время для электронов наиболее популярны электрон-позитронные коллайдеры, где сталкиваются электрон с позитроном и энергия в системе центра масс удваивается. Электрон очень быстро достигает скорости света, но это другая история.

Мы начали строить этот ускоритель. Все было впервые, потому что линейных ускорителей на энергию выше 100 МэВ тогда не было. А задача была такая: вот есть структура в Лос-Аламосе, у нас должна быть лучше.

― Своя, советская структура!

― Да, именно так. Я попал в наш институт совсем еще молодым, а разработчиком этой части ускорителя был Московский радиотехнический институт. Я оказался в группе, занимающейся ускоряющими структурами. И мой руководитель диплома В.Г. Андреев сказал, что надо делать не такую установку, которая у американцев, а на совершенно другом принципе. Мало кто верил, что это возможно. Тогда ведь как все делалось в СССР: если пулемет, то в трех разных местах, чтобы получилось с гарантией.

― И тут было сделано три разных ускорителя?

― Нет, два. Один ― согласно тому принципу, который был заложен в Лос-Аламосе, другой ― то, что предложил Владимир Григорьевич. Я занимался новой структурой. В своем дипломе я показал, что структура на самом деле выдающаяся в том плане, что ее чувствительность к погрешностям изготовления и различного рода возмущениям в 100 раз меньше, чем у американской. Значит, можно сделать меньше допуска на изготовление.

― В институте были специалисты по такой технике?  

― Когда я пришел в наш институт, не было ни одного человека, который этим бы занимался. Был один сотрудник, проводивший расчеты. Группу я создал, и мы сделали эту структуру.

Там была еще одна проблема. Почему все боялись, что эта установка не будет работать? Она работает на высшем типе колебаний, и там есть паразитные колебания, которые могут влиять на пучок и электродинамические характеристики. Мы нашли способ, как с этим бороться, в частности это было написано в моей кандидатской диссертации. Короче говоря, мы сделали эту структуру. Было сделано 3 тыс. ячеек, 114 ускоряющих секций. В Лос-Аламосе в процессе изготовления отбраковывалось большое количество ячеек структуры. У нас не отбраковалось ни одной ячейки. Мы все сами настроили, запустили. Все это заработало где-то в конце 1980-х или начале 1990-х гг.

― И тут случилась перестройка…

― Да. И, например, предприятие, которое делало нам высокочастотные генераторы, практически остановилось, и мы получили энергию не 600 МэВ, а только 500. Но ускоритель был полностью готов, он и в данный момент работает. На нем идет сеанс ― это примерно 15 дней круглосуточной работы. В году таких сеансов раньше делали порядка семи, сейчас ― около четырех-пяти. Таких сеансов у нас было 150.

― Эти сеансы имеют чисто фундаментальные цели? Вот сейчас идет сеанс ― что вы в ходе его делаете?

― Основной потребитель сегодня ― нейтронный комплекс: исследование структуры вещества с помощью методов нейтронного рассеяния. С помощью протонного пучка мы выбиваем из мишени нейтроны, эти нейтроны расходятся в разные каналы и попадают в установки, где проводятся всевозможные исследования по физике конденсированных сред, материаловедению, микроэлектронике, биологии, медицине, получению ядерных данных для атомной энергетики.

Кроме того, наш ускоритель уникален в том плане, что на нем можно разрабатывать методики не просто протонной терапии, а флеш-терапии, когда дозу, получаемую пациентом во время сеанса, можно получать за один раз, хотя обычно требуется до 15 сеансов.

― Когда дойдет до клиники?

― Сложный вопрос. Мы бьемся, но у медиков свои предпочтения: они хотят, чтобы машина стояла у них в больнице. Такой комплекс сделать дорого и не очень целесообразно. В стране сегодня не хватает обычных маленьких электронных ускорителей. В Москве, в Питере более или менее есть, на периферии ― мало. Вот что сейчас нужно быстро делать ― несколько десятков электронных ускорителей для обычной лучевой терапии и несколько однотипных протонных комплексов.

― Что было с вашим ускорителем после начала перестройки?

― У нас к этому моменту был накоплен большой опыт, а в Европе, Америке, во всем в мире наблюдался спад по активности создания ускорителей. Тут мы оказались высоко востребованы во всем мире. В первый раз на конференции по ускорителям я был в 1988 г. Потом началось: в 1992 г. в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилабе) под Чикаго делалась модернизация линейного ускорителя протонов. Нас позвали помочь им сделать апгрейд их ускорителя. Приехали к нам, посмотрели нашу структуру, решили сделать две ― как у нас и как в Лос-Аламосе. Сделали два стенда, немножко неправильно реализовали то, что мы им предлагали, в результате победила та структура, потому что решение принимал Лос-Аламос. Они сделали свою структуру, но настроить и запустить все равно позвали и нас тоже. Потом в США начался проект «Сверхпроводящий суперколлайдер SSC», правда, не реализованный. Затем было принято решение построить в Европе Большой адронный коллайдер (LHC). Я лет десять был координатором участия российской группы в части ускорителя. Большой адронный коллайдер сейчас успешно работает в CERN, и наш институт задействован в нескольких крупных коллаборациях. Далее было серьезное участие в проекте J-PARC в Японии, в проекте XFEL в Германии и др.

― А в проекте SNS вы тоже участвовали?

― Американский проект Spallation Neutron Source имел задачу построить мощнейший в мире нейтронный времяпролетный источник. Меня позвали туда на небольшое время помочь в его реализации с учетом нашего большого опыта. SNS ― первый в мире протонный сверхпроводящий ускоритель, там до 200 МэВ ― теплая машина, а дальше, до 1 ГэВ, ― сверхпроводящий ускоритель. Я туда приехал и в результате провел там два года ― очень просили поработать с ними подольше. Ускоритель сейчас прекрасно функционирует, решает множество задач, а публикаций там становится все меньше, хотя работают они все больше.

― А почему так?

― Потому что многие тематики закрыты. Были и другие проекты, в которых мы участвовали, ― рассказывать можно долго. Но важно объяснить, что по ускорителям у нас в России. Долгое время был застой, после перестройки ― настоящая катастрофа. На наши российские конференции я в последнее время не любил ездить. Мы собирались — и начинался плач Ярославны: у кого что плохо, промышленность не работает, денег нет.

― А сейчас?

― В последние годы наблюдается некий ренессанс. Во-первых, есть проект NICA в Дубне. Мы в нем участвуем. Могу с гордостью сказать, что в 2008 г. вышел первый препринт, называвшийся «Концепция ускорительного комплекса NICA », и я был в числе его соавторов. В 2013 г. было принято решение, сейчас завершается сооружение, и в 2024 г., думаю, будет физический пуск.

В стране в 2019 г. была принята Федеральная программа развития синхротронных и нейтронных исследований. Надо отдать должное президенту НИЦ «Курчатовский институт» М.В. Ковальчуку, ставшего инициатором этой программы. Она включает в себя ряд ускорительных комплексов: прежде всего СКИФ ― Сибирский кольцевой источник фотонов под Новосибирском, рядом с Академгородком.

В эту программу включено строительство ряда медицинских комплексов, в частности, в Гатчине для производства изотопов и лучевой терапии в офтальмологии и комплекс протонной терапии в НИЦ КИ. Проводится модернизация синхротрона КИСИ в Курчатовском институте. В этой программе также планируется создание комплекса СИЛА (синхротронное излучение плюс лазерный усилитель). Это будет источник синхротронного излучения уже следующего поколения.

― А где?

― В Протвине. Пока он проектируется. Если СКИФ ― 3 ГэВ, то здесь планируется энергия электронов 6 ГэВ, соответственно, длина волны еще меньше и можно забраться в материю еще глубже. В этой программе также планируется построить синхротрон на острове Русский на Дальнем Востоке. Все это дало толчок многим проектам, вовлечены многие организации и люди, в том числе молодежь.

Вы знаете, что в Сарове создан Национальный центр физики и математики? Сейчас на уровне правительства рассматривается предложение о трех мегапроектах в НЦФМ. Один из них ― источник комптоновского излучения. Это электронный ускоритель, но есть понятие обратного комптоновского рассеяния, с помощью которого возможно забраться чуть ли не внутрь ядра и исследовать материю. Этот источник мы сейчас обсуждаем, наш институт будет в этом участвовать, потому что это новое направление в ядерной физике ― ядерная фотоника.

― Это направление вам тоже близко?

― В этом корпусе у нас есть лаборатория фотоядерных реакций ― здесь когда-то стоял самый мощный в стране линейный ускоритель электронов на энергию 100 МэВ. В новом ускорителе будут две очереди. Первая ― тоже ускоритель на 100 МэВ, вторая ― 2 ГэВ. В перспективе возможна модернизация в C-тау-фабрику ― это исследование C-кварков и тау-мезонов, а там, соответственно, своя научная программа.

― За эти годы вам удалось многое понять о строении мира, в котором мы живем. А что понять не удалось, но хотелось бы?

― Мы говорили, что есть Стандартная модель. Все ее клеточки заполнены, есть по три семейства адронов и лептонов. Так вот, протоны и нейтроны, то есть материя, состоят из верхнего и нижнего кварков. Есть электроны и нейтрино. Вопрос: зачем природа сделала три семейства, хотя на самом деле все, из чего мы состоим, ― это только одно?

Второй вопрос: во Вселенной нет антиматерии. Стандартная модель показывает, что вероятность создания материи и антиматерии абсолютно одинакова. Могло быть и то и другое. Но если так, то антиматерия и материя, когда они соединяются, аннигилируют. Все распадается, и ничего бы не было. Однако это не так. Почему? Много версий.

А почему у всех частиц разная масса? Одни ― легкие, другие ― тяжелые, для чего? Возьмем космос ― темная материя, темная энергия. Что такое темная материя? Из чего состоят черные дыры? Материя ― это 4% всего, что есть во Вселенной. Из чего состоит темная материя? Может быть, из нейтрино? Мы провели эксперимент, возможно, это стерильное нейтрино. Но сейчас уже говорят: скорее всего, нет. А что? Есть аксионная версия, другие догадки. А может быть то, чего никто не знает. Есть еще ряд вопросов, но это тема отдельного разговора.

Я сейчас председатель диссертационного совета ИЯИ РАН. Кстати, сменил на этом посту Валерия Анатольевича Рубакова ― моего друга, академика, руководителя секции ядерной физики ОФН РАН. Он, к сожалению, ушел от нас год назад, это огромная потеря. Так вот, у нас ребята защищаются ― сколько там есть различных моделей! У нас в совете три специальности: теоретическая физика, физика ядра и частиц, приборы и методы эксперимента. Ребята молодые, энергичные, увлеченно работают, и это очень радует.

― Может быть, они найдут ответы на все эти вопросы?

― Человечество найдет, но появятся новые. Вот мы с вами сейчас не поговорили о Большом взрыве, а с чего началась Вселенная? Никто не знает. Большой взрыв ― неправильное понятие: чтобы взорваться, должно быть что-то, что взрывается, а ничего такого не было.

Вот NICA создается для того, чтобы исследовать кварк-глюонную плазму. Большой взрыв произошел ― а на самом деле произошло возмущение чего-то. Спустя тысячные доли секунды появились отдельно кварки, отдельно глюоны. Потом из них сформировались протоны и нейтроны, появились вещества.

А сегодня кварки и глюоны ― внутри протона, протон ― внутри ядра, и кварк оттуда вынуть нельзя, он отдельно не существует. А почему так? Был вот этот «бульон», из него произошел фазовый переход, когда из кварк-глюонной плазмы получились протоны и нейтроны, а из них ― водород, потом ― гелий, потом ― железо. Прошло 13,8 млрд лет, мы сидим и с вами разговариваем.

― Сплошные вопросы!

― Это как раз и хорошо. Кто-то из великих теоретиков в конце XIX в. пришел на кафедру теоретической физики и сказал: «Я хочу у вас заниматься теоретической физикой», — и ему ответили, что все уже открыто и известно. Тот же Эрнест Резерфорд говорил, цитирую по памяти: «Вы занимайтесь ядерной физикой, но практического применения она иметь не будет». Прошло несколько лет, и рванула бомба. И мы знаем, что атом может давать и множество мирных применений. Поэтому физика неисчерпаема, как и мир, в котором мы живем.