Академик С.В. Иванов о физике высоких энергий

Физика высоких энергий и элементарных частиц исследует свойства и поведение фундаментальных составляющих материи. Для изучения микромира необходимо использовать высокоэнергетичные ускорители, в которых заряженные частицы разгоняются до скоростей, близких к скорости света, а затем сталкиваются друг с другом как встречные пучки или с неподвижной плотной мишенью. Один из таких высокоэнергетичных ускорителей, самый крупный в России, находится в наукограде Протвино: в НИЦ «Курчатовский институт» ─ Институте физики высоких энергий (ИФВЭ).

«Научная Россия» встретилась с директором уникального учреждения, академиком РАН Сергеем Ивановым, чтобы обсудить фундаментальные исследования в области физики высоких энергий.

СПРАВКА. Сергей Владиславович ИВАНОВ ─ академик РАН, директор  Института физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», доктор физико-математических наук, известный специалист по физике пучков заряженных частиц и ускорительной технике.

─ Расскажите, как выстраивается вся цепочка исследований? Какие специальности представлены в НИЦ КИ – ИФВЭ?

─ Миссия нашего Института ─ экспериментальные и теоретические исследования в области физики элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий ─ в том ее разделе, который называется физикой с ускоренными  пучками и неподвижной мишенью. Что это значит? Пучок ускоренных частиц взаимодействует с плотной внешней или внутренней (то есть находящейся внутри вакуумной камеры установки) мишенью, и на основе этого собирается информация, которая потом обрабатывается феноменологически и количественно, извлекаются те взаимосвязи и взаимодействия, которые присутствуют в изучаемых реакциях. Полученные результаты передаются нашим физикам-теоретикам, а они, исходя из полученных данных, подтверждают либо опровергают предположения о фундаментальных законах, которые действуют в физике частиц.

В Институте трудятся около 1400 человек, многие из них так или иначе задействованы в работе ускорителя У-70. Это и физики-исследователи, и специалисты, отвечающие за функционирование всей этой сложнейшей инженерной системы. Есть отдел математики и вычислительной техники, который занят сбором и обработкой больших объемов данных, отдел теоретической физики и другие профильные отделы.

В 1967 году Институт физики высоких энергий  (ныне ─ НИЦ «Курчатовский институт» – ИФВЭ) в городе Протвино запустил легендарный ускоритель протонов У-70, крупнейший в мире на тот момент. Энергия синхротрона составляла (и составляет ныне) 70 ГэВ. Впервые в мировой практике от ускорителя протонов были получены интенсивные пучки электронов, позитронов и фотонов с энергией, превышающей энергии существовавших ускорителей электронов.

Наш Институт создан в 1963 году. Основной задачей было сооружение и ввод в строй крупнейшего в мире, на тот период, ускорителя заряженных частиц ─ протонного синхротрона (синхрофазотрона) У-70. Иногда его называют «Серпуховский ускоритель», поскольку Протвино находится примерно в 16 км от Серпухова.

Это объект научной инфраструктуры, в состав которого входят каскад из четырех ускорителей заряженных частиц, широкая сеть каналов транспортировки и формирования выведенных пучков и экспериментальные физические установки на этих каналах. Синхротрон У-70 завершает каскад ускорения, а частицы для него готовит инжекционный каскад, три ускорителя заряженных частиц ─ два линейных (И-100, ЛУ-30) и быстрый кольцевой бустер (У-1.5), которые последовательно ускоряют частицы, протоны или ядра углерода.  

Название изображения

Пучок частиц мы ускоряем до нужной (высокой или промежуточной) энергии и необходимой интенсивности, выводим его за пределы ускорителя, формируем определенным образом и поставляем на экспериментальные физические установки. В них, собственно, и происходит сбор информации о фундаментальных взаимодействиях в физике элементарных частиц.

После того, как наш ускоренный пучок провзаимодействует с неподвижной мишенью экспериментальной установки, регистрируются продукты реакции, направления и траектории их движения, энергия. Вся эта информация записывается, обрабатывается, а затем реконструируется картина тех событий микромира, которые происходили. Этот раздел науки, которым мы занимаемся, называется «экспериментальная физика элементарных частиц».

─ Существует даже отдельная специальность под названием «ускорительщик»?

─ Да, это отдельная специальность 01.04.20 по перечню Высшей аттестационной комиссии РФ (в этом году специальность получила новый номер 1.3.18 и называется «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника»). Она достаточно интересная и разноплановая.

Ускоритель сам по себе ─ это сложная и многогранная система, фокус привлечения самых разных разделов современной науки и техники. Чтобы ускоритель заработал, в одной точке должно сойтись очень много разделов нашей науки.

Если мы говорим о комплексе У-70, то у нас есть люди, которые занимаются вакуумной техникой, есть те, кто работает с высокочастотными ускоряющими системами, кто-то занимается оптикой пучков заряженных частиц: замыкает орбиту при включении кольцевого ускорителя, корректирует ее, корректирует магнитооптические резонансы; есть также специалисты, которые занимаются системами диагностики пучка, контролем его качества, автоматизированной системой управления и так далее. Перечислять можно очень долго, но суть заключается в том, что для надежной и качественной работы ускорителя нужен вклад самых разных специалистов. Вообще,  работоспособный и действующий ускоритель ─ это свидетельство того, что в стране достигнут достаточно высокий уровень техники и технологий и она в состоянии свести ряд этих сложнейших технологий воедино ─ так, чтобы заставить ускоритель работать.

─ Ускорительный комплекс создавался на отечественных технологиях или привлекались, в том числе, и зарубежные?

─ После запуска в 1967 году У-70 еще в течение пяти лет оставался лидирующим по энергии ускорителем в мире. Конечно, это не могло не привлечь иностранных ученых, так что уже в то время у нас было налажено международное сотрудничество с другими странами. Физики со всего мира были заинтересованы экспериментальными возможностями, которые открывались на пучке У-70. Здесь, разумеется,  работали и серьезные команды из СССР.

Ряд систем нашего ускорителя, включая систему вывода пучка, уже тогда создавался в сотрудничестве с западными учеными. Здесь,  например,  были пузырьковые камеры, аналоговый детектор заряженных частиц, которые были необходимы на первом этапе развития экспериментальной физики, и т.д. Да, международное участие было, но большая часть оборудования, конечно, создавалась усилиями отечественной науки и техники. Даже первый мощный компьютер, работавший в Институте,  ─ БЭСМ-6 с операционной системой «Дубна» ─ был отечественного производства.

Во многих странах мира, которые встали на путь устойчивого промышленного и технологического развития,  ускорительные комплексы разного масштаба обязательно создаются, поскольку эти мега-проекты сводят воедино и науку, и новые технологии, и образование, и подготовку кадров.

Если вы все делаете правильно, то это сразу видно, потому что установка работает, эксперимент идет, релятивистский пучок частиц вращается  по орбите, и т.д. ─ то есть верификация результатов исследований и разработок, организационных усилий происходит очень быстро и объективно.

В ускорительном комплексе У-70, г. Протвино.

В ускорительном комплексе У-70, г. Протвино.

─ Насколько я знаю, НИЦ КИ ─ ИФВЭ изначально и позиционировался как площадка для эффективного международного сотрудничества?

─ Да, это направление развивается и сейчас. Активнее всего международное сотрудничество ведется в области экспериментальной физики. Наши ученые работают на установках в ЦЕРНе и участвуют во всех крупнейших экспериментах на Большом адронном коллайдере: ATLAS, CMS, LHCb, ALICE и других.

Наши физики востребованы на международной научно-технической арене, потому что они приходят не с «чистого поля», а из Института физики высоких энергий. А значит, уже имеют опыт практической работы с интенсивными пучками ускорителя, с системами детекторов, со сложной современной техникой и методикой  физического эксперимента и т.д.

Международное сотрудничество выгодно для всех стран-участниц, потому что получать большие энергии и создавать рекордные установки в рамках одной страны становится слишком сложным, ведь такие установки слишком большие по размерам, сложные в сопровождении и, конечно, очень дорогие.

─ Кстати, а сам БАК еще не исчерпал своих технологических возможностей?

─ Я думаю, он будет работать еще долго. Тем более что там сейчас проводится глубокая модернизация систем детекторов и самого ускорителя ─ для того чтобы повысить светимость встречных столкновений пучков. Кроме того, в ЦЕРНе уже рассматривается проект коллайдера следующего поколения: это будет стокилометровый ускоритель, планируемый к сооружению в районе Женевы.

─ Исследования микромира как-то помогают нам в познании макромира?

─ Безусловно. Чем больше у вас энергии пучка, тем меньше эффективная длина волны частицы, и тем более тонкие эффекты и явления в микромире вы можете детально исследовать. А в наблюдательной астрономии, например, чем больше света вы собираете, чем больший диапазон длин волн электромагнитного излучения используете, тем дальше во Вселенную вы заглядываете, на периферию и в другие галактики. В физике элементарных частиц все то же самое, только взгляд исследователя направлен в другую сторону: в сторону меньших размеров.

Самое интересное, что эти два направления исследований  отчасти пересекаются. Действительно, с одной стороны в физике фундаментальных взаимодействий есть класс экспериментов, которые проводятся с использованием космических лучей, потоков частиц высоких энергий из космоса. Можно считать, что во Вселенной есть природный ускоритель. Беда в том, что энергии, интенсивности, направления, временная структура  его пучков неуправляемы, плохо предсказуемы в точке наблюдения. Наземные ускорители лишены этого недостатка, но зато могут заметно уступить по доступной энергии частиц.

С другой стороны, в физике макромира возникают вопросы о том, почему Вселенная расширяется, что такое темная энергия и темная материя, почему во Вселенной больше вещества и антивещества.  А вот на эти вопросы можно найти ответы уже на уровне физики элементарных частиц фундаментальных взаимодействий. Так что, проникая в микромир, вы на самом деле пытаетесь разобраться еще и почему макроструктура Вселенной именно такая, какой мы ее наблюдаем.

Сейчас много говорят о природоподобных технологиях, и ускоритель заряженных частиц ─ это типичный пример таких технологий. Раньше, когда физика частиц изучалась, например, с помощью космических лучей, приходилось сидеть и ждать,  повезет тебе или нет: войдут ли в раствор твоей установки лучи нужной энергии. А они попадают все время с разными энергиями, флуктуируют, то есть плохо воспроизводят начальные условия для измерений. Ускорители появились как раз для того, чтобы в земных условиях создать пучки с четко контролируемыми параметрами, которые приходят в нужном диапазоне энергии, с нужным сортом частиц, с нужным угловым расхождением.

Команда портала «Научная Россия» на экскурсии в ускорительном комплексе У-70 с С.В. Ивановым.

Команда портала «Научная Россия» на экскурсии в ускорительном комплексе У-70 с С.В. Ивановым.

─ Можно ли как-то коммерциализовать фундаментальные исследования?

─ Фундаментальные исследования ─ это очень интересный раздел науки, результаты которого, к сожалению, тяжело коммерциализуются. Он может быть косвенно коммерциализован благодаря тому, что стимулирует развитие высокотехнологичных отраслей науки. Например, криогенная техника в промышленность пришла после того, как были реализованы масштабные проекты сверхпроводящих ускорителей TEVATRON (США), LHC (ЦЕРН), НЕРА (Германия). И, наверное, если подумать, то можно вспомнить много других  разработок, которые из запросов фундаментальной науки перекочевали в промышленность.

У всех на слуху, например, Атомный проект.  Изначально его целью было создание атомной бомбы, и к этому процессу подключили или создали вновь много отраслей промышленности, начиная от добычи урана и его обогащения  и заканчивая средствами доставки. То есть с самого начала цель была одна, но в ходе ее достижения получили развитие  и многие другие отрасли. Ускорители в наше время играют примерно ту же самую роль. Если страна ставит задачу построить большой ускоритель, то она делает это не просто из научного любопытства, но и для того, чтобы подтянуть много обеспечивающих высокотехнологичных отраслей промышленности: и радиотехнику, и электрофизические системы, и т.д.

Вообще у научно-технической базы, созданной для фундаментальной науки, бывают очень интересные и порой неожиданные практические приложения. В Великобритании, например, есть импульсный источник нейтронов на основе кольцевого ускорителя (не очень большого, похожего на наш синхротрон У-1.5 по размерам) под названием ISIS. У этого британского ускорителя были очень серьезные инвестиции, которые довели его параметры до Книги рекордов Гиннесса. Этот ускоритель теперь успешно работает на чисто прикладные цели: на промышленность, материаловедение и т.д. Например, 65% времени работы пучков расходуется только на одни разработки и сопровождение исследований британской промышленности и науки. Потенциал конверсии использования пучков заряженных частиц в прикладных целях очень большой.

Мы создаем все более качественные и высокоточные телескопы, заглядываем все дальше во Вселенную. Но означает ли это, что теперь нужно разбить маленькие и, казалось бы, уже устаревшие телескопы, которые мы использовали раньше? Сгоряча, может, и кажется, что да, надо от них отказаться, а потом начинаешь думать и возникают вопросы: а кто и как, например, будет следить за метеоритами, которые могут представлять  угрозу  для Земли? Кто будет отслеживать события в ближнем космосе? И получается, что близкоракурсная техника тоже нужна. Может, она мировые рекорды и не ставит,  но зато работает на потребу дня.

Такую же аналогию можно провести и с ускорителем. Так, могут неожиданно возникать какие-то прикладные потребности, причем те, что заранее не предусмотришь. Поэтому и новые и ранее созданные действующие исследовательские установки нужно всегда держать наготове и в рабочем состоянии.

Беседовала Янина Хужина.