Основы ускорения. Интервью с физиком С.А. Гавриловым из Института ядерных исследований РАН

Почему нельзя перехитрить природу и достичь скорости света? Как ускорители частиц связаны с нашей повседневной жизнью и чем кольцевые установки отличаются от линейных? На эти и другие вопросы, связанные с физикой ускорителей, ответил заведующий лабораторией пучка ускорительного комплекса Института ядерных исследований РАН С.А. Гаврилов.

Справка. Сергей Александрович Гаврилов ― кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией пучка отдела ускорительного комплекса Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН, доцент кафедры «Фундаментальные взаимодействия и космология» Московского физико-технического института (МФТИ).

― Каждый крупный ускорительный комплекс уникален. Расскажите, пожалуйста, какие отличительные характеристики у протонного ускорителя Института ядерных исследований РАН?

― Наш ускорительный комплекс, построенный еще в 1980-х гг., включает в себя большое количество различных установок. Это многофункциональный центр для исследований в области нейтронной физики, материаловедения, медицинской физики, радиационной стойкости материалов и не только. Все эти разноплановые направления и делают его особенным. Ускоритель выдает чрезвычайно интенсивный пучок излучения, которое можно использовать не только для изучения фундаментальных свойств природы, но и для решения прикладных задач ядерной медицины: получения радиоактивных изотопов для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) или, например, протонной терапии ― так называемой ультрафлеш, — а также для других отраслей. Технологии, благодаря которым наш ускоритель работает, были заложены несколько десятков лет назад, но тем не менее он по-прежнему остается уникальным.

На текущий момент в России нет установок, обладающих совокупностью параметров, представленной здесь.

― Большой адронный коллайдер построен в форме кольца, а ваш ускоритель ― линейный и выстроен в одну линию. Это принципиально разные комплексы? Есть ли между ними хоть какие-то сходства?

― Это действительно принципиально разные ускорители, и сходств между ними практически нет, разве что в самом принципе ускорения: и там и тут мы имеем дело с одним и тем же резонансным принципом ускорения частиц. Важно понимать, что пучок заряженных частиц попадает в Большой адронный коллайдер (БАК) не откуда-то из воздуха, как по мановению волшебной палочки, а из комплекса других ускорителей, начинающегося с двух линейных машин. Эти ускорители, хоть они и линейные, не стоит сравнивать с нашим, потому что при их создании использовались совершенно другие технологии. Однако эти машины, имея разные технические параметры, работают согласно тем же физическим принципам, что и наш ускоритель протонов и отрицательных ионов водорода. В Большом адронном коллайдере пучок частиц после линейного ускорителя попадает в несколько колец и лишь затем ― непосредственно в сам БАК. Таким образом, получается многоступенчатая система ускорения.

― Причем в Большом адронном коллайдере частицы сталкиваются друг с другом, а у вас ― с мишенью?

― Да. В коллайдере пучки летят навстречу друг другу, и в результате их столкновения происходят те или иные реакции. В то же время в линейных ускорителях, таких как наш, пучок попадает на некую фиксированную макроскопическую мишень. В качестве такой мишени могут выступать металлический образец, печатная плата, клеточные культуры и т.д., то есть объект, за которым можно наблюдать и который мы можем контролировать.

― Что происходит после того, как частицы столкнулись с такой мишенью?

― Есть разные сценарии. Например, если ваша задача ― производство медицинских изотопов, то процесс в упрощенном виде выглядит так: вы облучаете мишень пучком протонов, из них формируются новые атомные ядра и получаются изотопы тех или иных радиоактивных элементов, которые можно использовать для производства радиофармпрепаратов. Если же мы хотим изучить радиационную стойкость материалов, то здесь будут работать уже другие механизмы, и наша главная задача ― изучить и проконтролировать реакцию того или иного объекта на радиацию. Такие исследования очень важны для нашей космический отрасли, потому что, запуская, скажем, спутник на орбиту Земли, вы непременно столкнетесь с солнечным ветром, потоками частиц в радиационном поясе Земли и т.д. ― то есть с космической радиацией во всей ее красе. А в условиях радиации, как известно, все элементы микроэлектроники начинают постепенно деградировать: они хуже работают, сигнал доходит с ошибками, возникает ряд других сложностей. Все это происходит не одномоментно, а накапливается интегрально, за годы работы спутника. Поэтому перед тем как запускать аппарат в космос, вы должны точно знать, сколько ваша электроника проживет в тех или иных условиях. Для этого как раз и нужны ускорители частиц.

― То есть при столкновении частиц с мишенью в данном случае получается такая же доза радиации, что и на орбите Земли?

― Верно. Ускоритель позволяет за несколько импульсов получить тот же суммарный радиационный эффект, что и на орбите. Причем вы получаете ту же самую радиационную нагрузку на объект, какую он получил бы, летая десять лет в открытом космосе, даже при неполной интенсивности пучка.

Наши ученые ведут поиски перспективных компонентов и материалов для того, чтобы создавать радиационно стойкую электронику.

― А если говорить о фундаментальных физических исследованиях, то какие ускорители более востребованы: линейные или кольцевые?

― Зависит от типа задач. Если говорить о физике высоких энергий, то здесь, безусловно, не обойтись без колец, в которых пучок может разгоняться до очень больших скоростей, что позволяет ставить сложнейшие эксперименты, связанные с высокими энергиями. Если мы говорим, например, про фундаментальные исследования в области физики твердого тела или кристаллографии, то здесь востребованы нейтронные источники на основе линейных ускорителей. Для таких источников не нужны высокие энергии, а требуется высокая интенсивность излучения: главное — образование большого числа нейтронов, а не больших энергий столкновения частиц.

― Сколько всего ускорителей частиц в мире? Для каких задач их чаще всего используют?

― В мире работает около 40 тыс. ускорителей частиц. При этом лишь примерно 5% из них используются для решения фундаментальных задач физики, все остальное ― это прикладные вопросы, связанные в основном с электроникой и ядерной медициной. В целом в решение медицинских задач вовлечены около 30% всех существующих в мире ускорителей. Такая же доля, около 30%, приходится на так называемую ионную имплантацию, позволяющую создавать полупроводниковые материалы, благодаря чему существует вся наша современная микроэлектроника. Кроме того, внушительную часть всех ускорителей составляют машины, используемые для чисто прикладных задач, таких как, например, электронно-лучевая сварка.

Не многие знают, но стерилизация и пастеризация продуктов и материалов тоже зачастую происходят благодаря работе ускорителей. То же самое касается таможенного контроля или проектов по очистке сточных вод с помощью электронного пучка. Область применения ускорителей частиц действительно огромна.

― Почему в решении фундаментальных задач физики задействовано так мало ускорителей: всего 5% от общего количества? Разве не для этого их строили?

― Не только для этого. В современном мире ускорители ― это неотъемлемая часть нашей повседневной жизни. Выше я перечислил лишь небольшую часть их применения. Многое из того, с чем мы сталкиваемся в жизни, появилось благодаря ускорителям; нередко ― как побочный эффект от их применения, как, например, в случае с интернетом, когда в CERN возникла необходимость обмениваться большими объемами данных. Технология, заложенная в производстве магнитов для МРТ-томографов, тоже, кстати, пришла к нам из ускорительной физики. Иногда прикладные задачи для общества оказываются даже важнее, чем фундаментальная составляющая. Конечно, фундаментальные задачи на ускорителях тоже решаются, но дело не должно ограничиваться только ими, и хорошо, что попутно возникающие технологии находят столь успешное применение в нашей жизни.

― Насколько близка к скорости света скорость разгона частиц на ускорителях?

― Люди, работающие с ускорителями, обычно мыслят не понятием скорости, а понятием энергии.

― В чем здесь разница?

― В том, что как раз таки при повышении энергии скорость частиц стремится к скорости света. При этом, если речь идет о пучках высоких энергий, как в Большом адронном коллайдере, энергия может расти очень сильно, а скорость будет меняться медленно, на миллионные доли процента, оставаясь близкой к скорости света. Если говорить о линейном ускорителе ИЯИ РАН, то у нас разгон начинается практически с самого нуля, с небольших энергий, и достигает на выходе начальной части ускорителя примерно 43% скорости света.

Максимальная энергия, до которой на текущий момент наш ускоритель может разгонять частицы, составляет 305 МэВ, или около 66% скорости света.

― Этого хватает для проведения экспериментов? И нет ли пока потребности повышать этот показатель?

― Есть. Перед нами стоит задача немного повысить эту энергию для того, чтобы более эффективно работать с нейтронными источниками. Дело в том, что количество тех нейтронов, которые нужны исследователям, зависит от энергии пучка, прилетающего на мишень. Более того, мишени сконструированы таким образом, что производят максимальное количество нейтронов только при достижении определенной энергии. Поэтому мы планируем постепенно поднять энергию пучка примерно на 30%. В то же время для наработки радиоизотопов и для других задач ядерной медицины более высокие энергии не требуются. Если же говорить об исследовании радиационной стойкости, то здесь, напротив, имеющиеся энергии слишком высоки и нам приходится даже отключать часть ускорителя на время проведения подобных экспериментов.

― Что стоит за фундаментальным ограничением на максимально возможную скорость движения во Вселенной? Какие конкретно механизмы сдерживают макроскопических нас, когда мы приближаемся к скорости света?

― В специальной теории относительности Альберта Эйнштейна есть постулат о постоянстве скорости света, из которого следует, что предельная скорость движения – это скорость электромагнитной волны, или света, в вакууме, которая составляет около 300 тыс. км/с. Для того чтобы разогнать некую массивную частицу, вы должны постоянно передавать ей определенную энергию. Так вот, чем быстрее вы хотите разогнаться, тем больше энергии вам нужно передать частице. В итоге оказывается, что для того, чтобы достичь скорости света, вам нужно передать массивной материальной частице бесконечную энергию! Поэтому заветных 300 тыс. км/с могут достигать только частицы, не обладающие массой, такие как фотоны, глюоны или гипотетический гравитон, потому что скорость распространения гравитации предположительно равна скорости света.

Мы же с вами, да и любые другие макроскопические объекты нашей Вселенной, двигаться со скоростью света не можем ввиду отсутствия бесконечной энергии, которую требуется нам передать.

Тем не менее мы можем разгонять наши частицы до скоростей не равных скорости света, но близких к ней ― так называемых релятивистских скоростей.

― Известно, что протонам в Большом адронном коллайдере не хватает всего 3 м/с, чтобы достичь скорости света. Казалось бы, такая малость…

― Да, в этом-то все дело. Их и будет не хватать, ведь на текущий момент на Земле просто нет машин, способных разогнать частицы еще быстрее. Поэтому, как я уже говорил, нам и удобнее оперировать понятием энергии, а не понятием скорости: там, где скорость меняется совсем чуть-чуть, энергия меняется радикально.

Энергия, доступная сейчас на БАК, не идет ни в какое сравнение с гигантской энергией частиц из космических лучей, прилетающих к нам издалека.

Поэтому исследования космических лучей еще долгое время будут, как и сейчас, самостоятельной частью физики частиц высоких энергий, не привязанной к ускорителям.

― Подытожим наш разговор, вернувшись к уникальному протонному ускорителю ИЯИ РАН, которому уже более 30 лет. Как вы считаете, сколько еще он сможет проработать?

― Ускорительный комплекс будет работать до тех пор, пока есть специалисты, знающие, как он устроен и как его обслуживать. Средний возраст коллектива ― больше 60 лет, и принципиально новых кадровых пополнений, к сожалению, пока не предвидится. Было бы хорошо выстроить преемственность наших знаний, чтобы люди, обслуживающие ускоритель, могли передать эстафету новым молодым сотрудникам. В любом случае мы будем работать столько, сколько потребуется, потому что любые режимы пучка всегда найдут своего потребителя, будь то флеш-терапия, космические полеты или фундаментальные исследования тайн природы.

― Будем надеяться, что ускоритель проработает еще много лет. Спасибо за интересный разговор!

― И вам спасибо!

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.